Wyjaśnienie osiągów turbiny gazowej: jednostkowe zużycie ciepła, moc wyjściowa i warunki w miejscu instalacji

Moc znamionowa turbiny gazowej to jedynie punkt wyjścia do oceny projektu. Bardziej użyteczne porównanie dotyczy ilości energii elektrycznej netto, jaką elektrownia może dostarczyć w wymaganych warunkach lokalizacji, ilości zużywanego w tym celu paliwa oraz tego, czy może utrzymać takie parametry w przewidywanym zakresie pracy. Maszyna o wyższej mocy znamionowej może w upalny dzień dostarczyć mniej użytecznej mocy, niż oczekiwano, lub zużywać więcej paliwa podczas pracy przy obciążeniu niższym od pełnego.

Dlatego należy oceniać łącznie jednostkowe zużycie ciepła, moc elektryczną i warunki lokalizacji. Każda wartość zależy od określonych granic i założeń, które muszą być zgodne, zanim będzie można porównać konkurencyjne oferty.

Co jednostkowe zużycie ciepła mówi o zużyciu paliwa

Jednostkowe zużycie ciepła określa ilość energii paliwa dostarczanej do elektrowni na każdą jednostkę wyprodukowanej energii elektrycznej. Zwykle podaje się je w kJ/kWh lub Btu/kWh. Niższa wartość oznacza, że w określonych warunkach do wytworzenia tej samej mocy elektrycznej potrzeba mniej energii paliwa.

Zależność między jednostkowym zużyciem ciepła a sprawnością jest bezpośrednia, jeśli obie wartości opierają się na tej samej podstawie energetycznej i granicy elektrowni. Przy jednostce kJ/kWh sprawność elektryczna jest równa 3,600 podzielonemu przez jednostkowe zużycie ciepła. Obliczenie to jest przydatne tylko wtedy, gdy wartości dotyczą tego samego dopływu paliwa i tego samego punktu pomiaru mocy elektrycznej.

Na porównanie często wpływają dwie różnice:

• Moc brutto a moc netto: Moc brutto mierzy się na zaciskach generatora. Moc netto uwzględnia odjęcie energii elektrycznej zużywanej przez urządzenia pomocnicze w uzgodnionych granicach elektrowni. Jednostkowe zużycie ciepła netto jest zwykle wyższe niż brutto, ponieważ w mianowniku uwzględnia niższą moc netto.
• Niższa a wyższa wartość opałowa: Niższa wartość opałowa (LHV) nie uwzględnia ciepła możliwego do odzyskania podczas skraplania wody zawartej w produktach spalania; wyższa wartość opałowa (HHV) je uwzględnia. Przy takim samym przepływie paliwa i mocy elektrycznej jednostkowe zużycie ciepła oparte na HHV będzie wyższe. Porównanie wartości LHV z HHV bez przeliczenia może sprawić, że jedna oferta będzie wyglądać na bardziej efektywną, niż jest w rzeczywistości.

Należy także sprawdzić, czy podana wartość dotyczy samej turbiny gazowej, czy całej elektrowni. Elektrownia gazowo-parowa wykorzystuje ciepło spalin z turbiny do wytworzenia dodatkowej mocy, dlatego jej jednostkowego zużycia ciepła nie można bezpośrednio porównywać z wartością dla jednostki pracującej w cyklu prostym.

Moc znamionowa nie musi odpowiadać mocy w miejscu instalacji

Producenci zwykle publikują parametry dla określonych warunków odniesienia. Wartości te są przydatne do wstępnej selekcji, ale nie zastępują obliczeń parametrów dla konkretnej lokalizacji. Warunki powietrza na wlocie, straty ciśnienia, właściwości paliwa i ograniczenia eksploatacyjne wpływają na moc dostępną w miejscu realizacji projektu.

W przypadku zobowiązania do dostaw energii należy określić wymaganą moc w punkcie dostawy, a nie tylko na zaciskach generatora. Różnica może obejmować potrzeby własne elektrowni, straty transformatora i inne obciążenia w uzgodnionych granicach. Oferta powinna wskazywać, które z tych elementów uwzględniono, a które pozostają poza obliczeniami.

Istotny jest również punkt pracy. Elektrownia zaprojektowana z myślą o średniej rocznej temperaturze może nie osiągnąć wymaganej mocy, gdy zapotrzebowanie szczytowe przypada na gorętszą pogodę. Z kolei dobór urządzeń wyłącznie do najtrudniejszych warunków może sprawić, że przez większą część okresu eksploatacji będą pracować przy nieefektywnym obciążeniu częściowym. Decyzja zależy od wymaganej mocy, konsekwencji jej niedoboru oraz przewidywanej liczby godzin pracy przy poszczególnych obciążeniach.

Wpływ warunków lokalizacji na parametry turbiny gazowej

Temperatura otoczenia i wysokość nad poziomem morza

Wraz ze wzrostem temperatury powietrza na wlocie jego gęstość na ogół maleje. Sprężarka pobiera wtedy mniejszą masę powietrza przy tym samym przepływie objętościowym, co zazwyczaj ogranicza dostępną moc turbiny. Może również pogorszyć się jednostkowe zużycie ciepła, choć skala zmian zależy od maszyny i jej układów sterowania. Duża wysokość nad poziomem morza wywołuje podobny efekt z powodu niższego ciśnienia atmosferycznego: mniejsza gęstość powietrza na wlocie oznacza na ogół mniejszy przepływ masowy i niższą dostępną moc.

Moc należy oceniać na podstawie profilu temperatur w miejscu instalacji, a nie jednej nominalnej wartości temperatury otoczenia. Kluczowe są często warunki, w których wymagana jest moc określona w umowie, oraz warunki, w których zużywana będzie największa ilość paliwa. Mogą się one różnić.

Straty ciśnienia na wlocie i w układzie wylotowym

Filtry powietrza, tłumiki, kanały i urządzenia chłodzące powietrze wlotowe powodują straty ciśnienia, zanim powietrze dotrze do sprężarki. Po stronie wylotowej tłumiki, kanały i urządzenia do odzysku ciepła powodują wzrost przeciwciśnienia. Oba te czynniki mogą ograniczać moc i wpływać na jednostkowe zużycie ciepła.

Straty należy oceniać w realistycznych warunkach eksploatacji, uwzględniając wpływ zanieczyszczenia filtrów oraz planowaną konfigurację układu wylotowego. Obliczenia parametrów oparte na czystym wlocie o małych stratach mogą nie odzwierciedlać pracy w pobliżu granicznego terminu wymiany filtra. Podobnie nie można zakładać, że turbina oceniana z prostym kominem wylotowym zachowa tę samą moc po podłączeniu urządzeń do odzysku ciepła.

Wilgotność, paliwo i woda chłodząca

Wilgotność może wpływać na właściwości powietrza wlotowego i działanie układów chłodzenia wyparnego. Skład paliwa i jego wartość opałowa wpływają na przepływ paliwa, przebieg spalania i układy kontroli emisji; ich zmienność może również oddziaływać na ograniczenia eksploatacyjne. Specyfikacja paliwa przyjęta do obliczeń parametrów powinna odzwierciedlać przewidywane dostawy, w tym dopuszczalny zakres składu, a nie tylko skład nominalny.

W projektach elektrowni gazowo-parowych temperatura i dostępność wody chłodzącej mogą wpływać na obieg parowy, a tym samym na całkowitą moc elektrowni. Ocena samej turbiny gazowej nie uwzględni tego wpływu.

Sprawność przy pełnym obciążeniu to tylko część kosztów eksploatacji

Jednostkowe zużycie ciepła przy pełnym obciążeniu ma duże znaczenie, gdy urządzenie przez długi czas pracuje w pobliżu mocy znamionowej. W elektrowniach dostosowujących się do zapotrzebowania większy wpływ mogą jednak mieć parametry przy obciążeniu częściowym. Zmiana mocy może powodować zmianę ustawień sterowania i energii zużywanej przez urządzenia pomocnicze, a w konsekwencji zmianę jednostkowego zużycia ciepła netto. Urządzenie o lepszym wyniku przy pełnym obciążeniu niekoniecznie zużyje mniej paliwa w ciągu roku.

Należy poprosić o krzywą parametrów dla przewidywanego zakresu obciążenia i połączyć ją z prognozowaną liczbą godzin pracy przy każdym punkcie. W ocenie zużycia paliwa i dostępności należy uwzględnić rozruchy, wyłączenia i okresy pracy przy minimalnym obciążeniu, jeśli mają istotne znaczenie. Pozwala to dokładniej oszacować zużycie paliwa niż przez pomnożenie jednej wartości jednostkowego zużycia ciepła przez roczną produkcję energii.

Chłodzenie powietrza wlotowego wiąże się z podobnym kompromisem. Może ono zwiększyć moc w upalne dni poprzez obniżenie temperatury powietrza na wlocie do sprężarki, ale należy uwzględnić koszt urządzeń, ich zużycie energii pomocniczej, straty ciśnienia, a w przypadku niektórych systemów także zużycie wody. Opłacalność zależy od częstotliwości zapotrzebowania na moc w wysokich temperaturach oraz od tego, czy dodatkowa moc netto uzasadnia te koszty.

Przed porównaniem ofert należy ustalić warunki pracy i granice pomiaru

Rzetelna ocena techniczna zaczyna się od określenia wspólnego zestawu warunków dla wszystkich oferentów. Należy poprosić o gwarantowaną moc i jednostkowe zużycie ciepła dla zdefiniowanych warunków lokalizacji oraz o krzywe pokazujące zmiany parametrów w zależności od temperatury i obciążenia. Oferta powinna jednoznacznie określać:

• Punkt pomiaru energii elektrycznej, uwzględnione obciążenia urządzeń pomocniczych oraz podstawę brutto lub netto.
• Skład paliwa, podstawę wartości opałowej i przewidywane warunki dostaw paliwa.
• Temperaturę otoczenia, ciśnienie, wilgotność oraz założone straty na wlocie i w układzie wylotowym.
• Konfigurację elektrowni, w tym urządzenia do odzysku ciepła, chłodzenia powietrza wlotowego lub kontroli emisji.
• Warunki pracy dla każdej wartości, takie jak obciążenie, konfiguracja urządzeń i istotne warunki chłodzenia.
• Metodę testów parametrów, oprzyrządowanie, procedury korekcyjne, niepewność pomiaru oraz sposób uwzględniania odchyleń od warunków testowych.

Obowiązujące normy testowe i wymagania umowne należy określić w sposób spójny w zapytaniu ofertowym i uzgodnić przed sfinalizowaniem gwarancji. Krzywe korekcyjne są szczególnie ważne, gdy testu nie można przeprowadzić dokładnie w warunkach objętych gwarancją: określają, jak przeliczyć wyniki pomiarów na uzgodnioną podstawę.

W przypadku kompletnej elektrowni granice te wpływają również na interfejsy między dostawcami urządzeń a stronami odpowiedzialnymi za projektowanie, budowę i uruchomienie. SINO-QNP oferuje usługi EPC dla projektów elektrowni, obejmujące prace inżynieryjne, systemy pomocnicze i uruchomienie. W takim zakresie kolejnym krokiem powinno być uzgodnienie założeń dotyczących parametrów turbiny z rzeczywistym układem elektrowni oraz określenie odpowiedzialności za każdą stratę i każde obciążenie urządzeń pomocniczych.

Najlepsza oferta to niekoniecznie ta z najniższym deklarowanym jednostkowym zużyciem ciepła lub najwyższą mocą znamionową. To oferta, która zapewnia wymaganą moc netto w odpowiednich warunkach lokalizacji, przedstawia wiarygodny profil zużycia paliwa dla przewidywanego trybu pracy i definiuje parametry w sposób umożliwiający ich weryfikację testami.