De prestaties van gasturbines uitgelegd: warmteverbruik, vermogen en locatieomstandigheden

Het nominale vermogen van een gasturbine is slechts een uitgangspunt bij de beoordeling van een project. Een nuttiger vergelijking is hoeveel netto-elektriciteit de installatie onder de vereiste locatieomstandigheden kan leveren, hoeveel brandstof daarvoor nodig is en of deze prestaties binnen het verwachte bedrijfsbereik behouden blijven. Een machine met een hoger nominaal vermogen kan op een warme dag minder bruikbaar vermogen leveren dan verwacht, of bij deellast meer brandstof verbruiken.

Warmteverbruik, elektrisch vermogen en locatieomstandigheden moeten daarom gezamenlijk worden beoordeeld. Elk cijfer is gebaseerd op een vastgelegde reeks grenzen en aannames. Voordat concurrerende voorstellen kunnen worden vergeleken, moeten die aannames overeenkomen.

Wat het warmteverbruik vertelt over het brandstofverbruik

Het warmteverbruik geeft aan hoeveel brandstofenergie aan een installatie wordt toegevoerd per eenheid geproduceerde elektrische energie. Het wordt doorgaans uitgedrukt in kJ/kWh of Btu/kWh. Een lager warmteverbruik betekent dat onder de vermelde omstandigheden minder brandstofenergie nodig is om dezelfde elektrische output te genereren.

De relatie tussen warmteverbruik en rendement is direct wanneer voor beide dezelfde energiebasis en installatiegrens worden gehanteerd. Op basis van kJ/kWh is het elektrische rendement gelijk aan 3.600 gedeeld door het warmteverbruik. Deze berekening is alleen bruikbaar als de cijfers betrekking hebben op dezelfde brandstoftoevoer en hetzelfde meetpunt voor de elektrische output.

Twee onderscheidingen kunnen de vergelijking vaak veranderen:

• Bruto- versus netto-output: De bruto-output wordt gemeten aan de generatoraansluitingen. Bij de netto-output wordt het elektrische vermogen afgetrokken dat binnen de overeengekomen installatiegrens door hulpinstallaties wordt verbruikt. Het netto-warmteverbruik is doorgaans hoger dan het bruto-warmteverbruik, omdat de kleinere netto-output als noemer wordt gebruikt.
• Onderste versus bovenste verbrandingswaarde: De onderste verbrandingswaarde (LHV) omvat niet de terugwinbare warmte die vrijkomt bij het condenseren van water in de verbrandingsproducten; de bovenste verbrandingswaarde (HHV) omvat deze wel. Bij dezelfde brandstofstroom en elektrische output is het op HHV gebaseerde warmteverbruik hoger. Een LHV-cijfer zonder omrekening vergelijken met een HHV-cijfer kan een voorstel efficiënter doen lijken dan het in werkelijkheid is.

Controleer ook of het opgegeven cijfer alleen betrekking heeft op de gasturbine of op de volledige installatie. Een STEG-installatie gebruikt de warmte in de uitlaatgassen van de turbine om extra vermogen op te wekken. Het warmteverbruik van de installatie kan daarom niet rechtstreeks worden vergeleken met dat van een eenheid met een eenvoudige cyclus.

Nominaal vermogen is niet noodzakelijkerwijs het vermogen op locatie

Fabrikanten publiceren doorgaans prestaties bij vastgelegde referentieomstandigheden. Deze cijfers zijn nuttig voor een eerste selectie, maar zijn geen vervanging voor een locatiespecifieke prestatieberekening. De omstandigheden van de inlaatlucht, drukverliezen, brandstofeigenschappen en bedrijfsgrenzen zijn allemaal van invloed op het beschikbare vermogen op de projectlocatie.

Leg bij een verplichting tot stroomlevering het vereiste vermogen vast op het leveringspunt, en niet alleen aan de generatoraansluitingen. Het verschil kan bestaan uit hulpverbruik van de installatie, transformatorverliezen en andere belastingen binnen de overeengekomen grens. Een voorstel moet aangeven welke hiervan zijn inbegrepen en welke buiten de berekening vallen.

Ook het relevante bedrijfspunt is van belang. Een installatie die is ontworpen op basis van de jaarlijkse gemiddelde temperatuur, kan tekortschieten wanneer de vraag tijdens warmere perioden piekt. Omgekeerd kan dimensionering op basis van alleen de zwaarste omstandigheden leiden tot apparatuur die een groot deel van de levensduur op een inefficiënt deellastpunt draait. De keuze hangt af van de vereiste capaciteit, de gevolgen van een tekort en het verwachte aantal bedrijfsuren bij elke belasting.

Hoe locatieomstandigheden de prestaties van een gasturbine beïnvloeden

Omgevingstemperatuur en hoogte

Wanneer de inlaatluchttemperatuur stijgt, neemt de luchtdichtheid doorgaans af. Bij een gelijk volumetrisch debiet neemt de compressor dan minder luchtmassa aan, waardoor het beschikbare turbinevermogen doorgaans afneemt. Ook het warmteverbruik kan verslechteren, al hangt de mate daarvan af van de machine en de regeling. Grote hoogte heeft een vergelijkbaar effect door de lagere atmosferische druk: minder dichte inlaatlucht betekent doorgaans een lagere massastroom en minder beschikbaar vermogen.

Beoordeel het vermogen aan de hand van het temperatuurprofiel van de locatie en niet op basis van één nominale omgevingstemperatuur. Vaak zijn vooral de omstandigheden van belang waaronder contractueel capaciteit vereist is en de omstandigheden waarin het grootste deel van de brandstof wordt verbruikt. Dat kunnen verschillende omstandigheden zijn.

Drukverliezen aan de inlaat en uitlaat

Luchtfilters, geluiddempers, kanalen en inlaatkoelapparatuur veroorzaken drukverliezen voordat de lucht de compressor bereikt. Aan de uitlaatzijde veroorzaken geluiddempers, kanalen en warmteterugwinningsapparatuur tegendruk. Beide kunnen het vermogen verlagen en het warmteverbruik beïnvloeden.

Beoordeel de verliezen onder realistische bedrijfsomstandigheden, inclusief het effect van vervuiling van filters en de voorgestelde uitlaatconfiguratie. Een prestatieberekening op basis van een schone inlaat met weinig drukverlies hoeft de werking nabij de vervangingsgrens van het filter niet goed weer te geven. Evenmin mag ervan worden uitgegaan dat een turbine die met een eenvoudige uitlaatschoorsteen is beoordeeld, hetzelfde vermogen behoudt wanneer deze op warmteterugwinningsapparatuur wordt aangesloten.

Luchtvochtigheid, brandstof en koelwater

Luchtvochtigheid kan de eigenschappen van de inlaatlucht en de prestaties van verdampingskoelsystemen beïnvloeden. De brandstofsamenstelling en verbrandingswaarde zijn van invloed op het brandstofdebiet, het verbrandingsgedrag en de emissieregeling; variaties kunnen ook de bedrijfsgrenzen beïnvloeden. De brandstofspecificatie in de prestatieberekening moet de verwachte toevoer weergeven, inclusief het toegestane bereik en niet alleen een nominale samenstelling.

Bij STEG-projecten kunnen de temperatuur en beschikbaarheid van koelwater de stoomcyclus en daarmee het totale vermogen van de installatie beïnvloeden. Alleen de gasturbine beoordelen geeft geen inzicht in dat effect.

Rendement bij vollast is slechts een deel van de bedrijfskosten

Een warmteverbruik bij vollast is waardevol wanneer een eenheid gedurende lange perioden dicht bij het nominale vermogen draait. Bij installaties die de vraag volgen, kan deellast echter een grotere rol spelen. Wanneer het vermogen verandert, kunnen de regelinstellingen en het energieverbruik van hulpinstallaties het netto-warmteverbruik doen veranderen. Een eenheid met een beter cijfer bij vollast verbruikt daarom niet noodzakelijkerwijs gedurende een jaar minder brandstof.

Vraag om een prestatiecurve voor het beoogde belastingsbereik en combineer deze met het verwachte aantal bedrijfsuren op elk punt. Neem starts, uitschakelingen en perioden op minimaal vermogen mee als deze van betekenis zijn voor het brandstofverbruik en de beschikbaarheid. Dit levert een bruikbaardere brandstoframing op dan één warmteverbruik vermenigvuldigen met de jaarlijkse elektriciteitsproductie.

Inlaatkoeling brengt een vergelijkbare afweging met zich mee. Door de temperatuur bij de compressorinlaat te verlagen, kan bij warme omstandigheden een deel van het vermogen worden teruggewonnen. De kosten van de apparatuur, het hulpverbruik, drukverlies en, bij sommige systemen, waterverbruik zijn echter ook van belang. De waarde ervan hangt af van hoe vaak extra capaciteit bij hoge temperaturen nodig is en of de extra netto-output deze kosten rechtvaardigt.

Leg de prestatie- en testgrenzen vast voordat u offertes vergelijkt

Een gedegen technische beoordeling begint met dezelfde voorwaarden voor alle inschrijvers. Vraag om gegarandeerd vermogen en warmteverbruik bij de vastgelegde locatieomstandigheden, naast curves die laten zien hoe de prestaties veranderen met temperatuur en belasting. In de offerte moeten de volgende punten expliciet worden vermeld:

• Het elektrische meetpunt, de inbegrepen hulpverbruiken en de bruto- of nettobasis.
• De brandstofsamenstelling, de basis van de verbrandingswaarde en de verwachte brandstoftoevoeromstandigheden.
• Omgevingstemperatuur, druk, luchtvochtigheid en de veronderstelde verliezen aan inlaat- en uitlaatzijde.
• De configuratie van de installatie, inclusief eventuele warmteterugwinning, inlaatkoeling of emissiebeheersingsapparatuur.
• De bedrijfsomstandigheden waarop elk cijfer betrekking heeft, zoals belasting, apparatuurconfiguratie en relevante koelomstandigheden.
• De methode voor prestatietests, meetinstrumenten, correctieprocedures, meetonzekerheid en de wijze waarop afwijkingen van de testomstandigheden worden behandeld.

De toepasselijke testnormen en contractuele eisen moeten op consistente wijze in de aanvraag worden gespecificeerd en worden overeengekomen voordat de garanties definitief worden vastgesteld. Correctiecurves zijn bijzonder belangrijk wanneer de test niet onder exact dezelfde omstandigheden als de garantie kan worden uitgevoerd: ze bepalen hoe de meetresultaten worden omgerekend naar de overeengekomen basis.

Bij een complete elektriciteitscentrale zijn deze grenzen ook van invloed op de raakvlakken tussen apparatuurfabrikanten en de partijen die verantwoordelijk zijn voor ontwerp, bouw en inbedrijfstelling. SINO-QNP biedtEPC-diensten voor elektriciteitscentraleprojecten, waaronder engineering, hulpsystemen en inbedrijfstelling. Bij een dergelijke opdracht is het zinvol de prestatieaannames voor de turbine af te stemmen op de daadwerkelijke indeling van de installatie en vast te leggen wie verantwoordelijk is voor elk verlies en elk hulpverbruik.

Het beste voorstel is niet simpelweg het voorstel met het laagste opgegeven warmteverbruik of het hoogste nominale vermogen. Het is het voorstel dat de vereiste nettocapaciteit levert onder de relevante locatieomstandigheden, een geloofwaardig brandstofverbruiksprofiel biedt voor het beoogde gebruik en de prestaties vastlegt op een manier die kan worden getest.