Hoe wekt een gasturbine stroom op in een industriële installatie?

Een gasturbine wekt elektriciteit op door lucht samen te persen, deze met brandstof te mengen en het mengsel te verbranden. De hete gassen die daarbij ontstaan, drijven een turbine en generator aan.

In industriële installaties levert dit proces betrouwbare elektriciteit en kan het ook bruikbare warmte voor de productie leveren.

Als installatie- en energiemanagers begrijpen hoe elke fase werkt, kunnen zij de efficiëntie, de bedrijfsvereisten en de rol van gasturbines in geïntegreerde energiesystemen beoordelen.

Hoe wekt een gasturbine elektriciteit op?

Een gasturbine zet de chemische energie in brandstof om in mechanisch asvermogen. Een generator zet dat mechanische vermogen vervolgens om in elektriciteit voor apparatuur in de installatie of voor het elektriciteitsnet.

Het proces loopt continu zolang de eenheid in bedrijf is. Lucht komt de machine binnen, wordt samengeperst en verbrand, en zet uit terwijl ze langs de turbinebladen stroomt, waarna ze als hete uitlaatgassen de machine verlaat.

Anders dan een stoomturbine, die stoom uit een afzonderlijke warmtebron nodig heeft, produceert een gasturbine de werkende gassen rechtstreeks in het verbrandingssysteem.

1. Luchtinlaat en compressie

Omgevingslucht stroomt via een inlaatsysteem naar binnen. Filters verwijderen daar zwevende deeltjes die de compressor kunnen vervuilen of beschadigen. Vervolgens verhoogt de compressor de luchtdruk.

Compressie vereist aanzienlijk mechanisch vermogen. Een deel van het asvermogen van de turbine drijft de compressor aan; het resterende bruikbare vermogen kan een generator of andere apparatuur aandrijven.

De luchttemperatuur is van belang, omdat warme lucht minder dicht is. Op warmere dagen zuigt een turbine doorgaans minder lucht per massa-eenheid aan, waardoor het beschikbare vermogen kan afnemen.

2. Brandstofmenging en verbranding

Lucht onder druk stroomt de verbrandingskamer in, waar brandstof wordt toegevoerd en verbrand. De hete gassen die daarbij ontstaan, leveren de energie die nodig is om de turbine te laten draaien.

Aardgas is een veelgebruikte brandstof, hoewel sommige machines vloeibare brandstoffen of andere goedgekeurde brandstofmengsels kunnen gebruiken. De daadwerkelijke brandstofcompatibiliteit hangt af van het ontwerp van de turbine en het verbrandingssysteem.

Verbrandingsregelingen sturen de brandstoftoevoer en bedrijfstemperaturen aan. Ook emissievoorschriften beïnvloeden de keuze van de verbrandingskamer en kunnen aanvullende behandeling van de uitlaatgassen op de locatie vereisen.

3. Expansie door de turbine

Hete gassen zetten uit door rijen stationaire leischoepen en roterende bladen. Terwijl de gassen erdoorheen stromen, dragen ze energie over aan de rotor en laten ze de as draaien.

Afhankelijk van de machineconfiguratie kunnen de turbine, compressor en generator via een gemeenschappelijke as worden aangedreven, of kan een afzonderlijke aandrijfturbine de generator aandrijven.

Bladmaterialen, koelsystemen en bedrijfsgrenzen zijn belangrijk, omdat turbineonderdelen gedurende hun levensduur bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen en mechanische belasting.

4. Elektriciteitsopwekking en uitlaatgassen

De roterende as drijft een generator aan, die door elektromagnetische inductie elektrische energie produceert. Elektrische apparatuur conditioneert, beveiligt en distribueert die energie vervolgens naar de verbruikers in de installatie.

De uitlaatgassen die de turbine verlaten, zijn nog heet. Een installatie kan ze via een schoorsteen afvoeren of een deel van de warmte terugwinnen voor stoomproductie en andere processen.

Wat gebeurt er met de warmte in de uitlaatgassen?

In een installatie met een eenvoudige cyclus wekt de turbine elektriciteit op zonder de uitlaatgassen te gebruiken voor extra stroomproductie. Deze configuratie is relatief eenvoudig en maakt flexibele bedrijfsvoering mogelijk.

In een gecombineerde-cyclusinstallatie stromen de uitlaatgassen door een afgasketel. De geproduceerde stoom drijft een stoomturbine aan die is verbonden met een andere generator of asconfiguratie.

Gecombineerde cycli produceren doorgaans meer elektriciteit uit dezelfde hoeveelheid brandstof, maar vereisen extra apparatuur en watersystemen en brengen meer complexiteit in de bedrijfsvoering met zich mee. De geschiktheid hangt af van de belasting en de omstandigheden op de locatie.

Een warmtekrachtkoppelingssysteem, ook CHP genoemd, gebruikt teruggewonnen warmte voor een nuttig proces, zoals stoomproductie, waterverwarming of industriële droogprocessen.

CHP kan het totale brandstofgebruik efficiënter maken wanneer de installatie voortdurend zowel elektriciteit als warmte nodig heeft. De waarde ervan hangt af van de mate waarin de teruggewonnen warmte aansluit op de daadwerkelijke procesbehoefte.

Elektrisch rendement en totale benutting van brandstof zijn verschillende maatstaven. CHP-cijfers kunnen zowel bruikbare warmte als elektriciteit omvatten en mogen daarom niet rechtstreeks worden vergeleken met alleen het elektrisch rendement.

Welke rol speelt een gasturbine in een industriële installatie?

Een gasturbine kan dienen als primaire elektriciteitsbron, de afname van elektriciteit van het net aanvullen of een afzonderlijke industriële installatie van stroom voorzien. De bedrijfsconfiguratie hangt af van de vereisten op de locatie.

Sommige installaties werken continu rond de beoogde belasting. Andere draaien tijdens piekperiodes, wanneer de netprijzen ongunstig zijn of wanneer een proces extra vermogen nodig heeft.

Gasturbines kunnen ook rechtstreeks compressoren of andere roterende apparatuur aandrijven. In die configuratie wordt het proces aangedreven door asvermogen, zonder dat dit eerst in elektriciteit wordt omgezet.

Voor installaties die eigen stroomopwekking overwegen, is de beste toepassing niet noodzakelijk de grootste turbine. Het gaat om de configuratie die aansluit op de elektriciteits- en warmtevraag en de bedrijfsuren.

Welke factoren bepalen het rendement en het vermogen?

Gepubliceerde prestatiecijfers vormen een nuttig uitgangspunt, maar een installatie moet de prestaties onder de eigen omstandigheden beoordelen. Verschillende factoren kunnen het geleverde vermogen en brandstofverbruik beïnvloeden.

• Omgevingsomstandigheden: Temperatuur, hoogte en luchtvochtigheid beïnvloeden de inlaatlucht en de prestaties van de turbine. Hoge temperaturen en grote hoogte verminderen doorgaans het beschikbare vermogen.
• Bedrijfsbelasting: Het rendement kan afnemen bij deellast. Beoordeel het verwachte vraagprofiel in plaats van ervan uit te gaan dat de eenheid altijd op het nominale vermogen zal draaien.
• Brandstofeigenschappen: Calorische waarde, druk, samenstelling en leveringszekerheid beïnvloeden de vereisten voor de apparatuur en het brandstofverbruik. Controleer of de voorgestelde brandstof voldoet aan de specificaties van de fabrikant.
• Hulpverbruik: Pompen, koelapparatuur, ventilatie en andere ondersteunende systemen verbruiken elektriciteit. Het nettovermogen van de installatie is daarom lager dan het brutovermogen van de generator.
• Staat van de apparatuur: Vervuiling van de compressor, slijtage van onderdelen en versleten afdichtingen kunnen de prestaties verminderen. Houd bij de onderhoudsplanning rekening met inspecties, reiniging en vervanging van onderdelen.

Vraag leveranciers bij het vergelijken van opties om gegarandeerde prestaties onder de opgegeven omstandigheden op de locatie. Controleer of de cijfers bruto- of nettowaarden zijn en welke hulpverbruiken zijn inbegrepen.

Vergelijk bij CHP de terugwinbare warmte met de temperatuur, druk en het tijdstip waarop het proces warmte nodig heeft. Warmte die niet kan worden gebruikt wanneer deze beschikbaar is, heeft in de praktijk beperkte waarde.

Wat moeten operators weten over betrouwbaarheid en onderhoud?

Betrouwbare werking is van meer afhankelijk dan alleen de turbine. De brandstoftoevoer, inlaatfiltratie, regelingen, elektrische beveiliging en koelsystemen beïnvloeden allemaal de beschikbaarheid van de installatie.

Operators bewaken temperaturen, trillingen, drukken en andere indicatoren om veranderingen in de toestand van de machine te signaleren. Door deze metingen in de tijd te volgen, kunnen onderhoudsteams problemen onderzoeken voordat ze verergeren.

Onderhoudsschema’s zijn afhankelijk van het model, de bedrijfsuren, het aantal starts, de brandstof en de bedrijfscyclus. Veelvuldig starten en stoppen kan de inspectie-intervallen anders beïnvloeden dan continu bedrijf.

Beoordeel vóór de keuze van apparatuur de beschikbaarheid van reserveonderdelen, serviceondersteuning en geplande stilstanden. Een lagere aanschafprijs weegt mogelijk niet op tegen langere uitvaltijd of hogere levenscycluskosten.

Ook emissiegrenswaarden, geluidsbeperkingen en vergunningsverplichtingen verdienen vroegtijdige aandacht. Deze vereisten kunnen de keuze van apparatuur, de projectkosten en de benodigde tijd voor de inbedrijfstelling beïnvloeden.

Welke andere apparatuur kan relevant zijn?

Industriële energieprojecten omvatten vaak verschillende apparatuurpakketten. SINO-QNP levert turbomachines, waaronder gasturbines, stoomturbines, compressoren en generatoren, naast engineering- en projectdiensten.

Voor afzonderlijke pomptoepassingen omvat het assortimentMud pump de NF- en PZ-modellen, die zijn ontworpen en vervaardigd volgens API-normen.

Deze pompen kunnen worden aangedreven door dieselmotoren of elektromotoren. Ze maken geen deel uit van het elektriciteitsopwekkingsproces met gasturbines en moeten worden geselecteerd op basis van de beoogde pomptoepassing.

Hoe kan een installatie de mogelijkheden beoordelen?

Begin met een uurprofiel van de elektriciteits- en warmtevraag en bepaal vervolgens de verwachte bedrijfsuren, beschikbare brandstoffen, netaansluitingen en eventuele behoefte aan reservecapaciteit.

Vergelijk configuraties met een eenvoudige cyclus, gecombineerde cyclus en CHP op basis van het locatiespecifieke nettovermogen, brandstofkosten, onderhoud, investeringskosten en de waarde van bruikbare warmte gedurende de levensduur van het project.

Een gasturbine wekt elektriciteit op door brandstofenergie om te zetten in asvermogen, terwijl de uitlaatgassen extra stroomopwekking of industriële warmte kunnen ondersteunen. De beste configuratie hangt af van de daadwerkelijke vraag van de installatie.