Производительность газовой турбины: удельный расход теплоты, мощность и условия на площадке

Номинальная мощность газовой турбины — лишь отправная точка для оценки проекта. Гораздо важнее сравнить, сколько нетто-электроэнергии установка может вырабатывать в заданных условиях на площадке, сколько топлива для этого требуется и способна ли она поддерживать такие показатели во всём ожидаемом диапазоне режимов работы. Машина с более высокой паспортной мощностью в жаркий день может обеспечить меньше полезной мощности, чем ожидалось, или расходовать больше топлива при работе с нагрузкой ниже полной.

Поэтому тепловой расход, электрическую мощность и условия на площадке необходимо оценивать в совокупности. Каждый показатель зависит от определённых границ расчёта и допущений. Чтобы сравнивать конкурирующие предложения, эти допущения должны совпадать.

Что тепловой расход говорит о расходе топлива

Тепловой расход показывает, сколько энергии топлива подаётся на установку для выработки единицы электрической энергии. Обычно он указывается в кДж/кВт·ч или БТЕ/кВт·ч. Чем ниже тепловой расход, тем меньше энергии топлива требуется для выработки той же электрической мощности в заданных условиях.

Если для теплового расхода и КПД используются одинаковые энергетическая база и границы установки, между ними существует прямая зависимость. При измерении в кДж/кВт·ч электрический КПД равен 3 600, делённым на тепловой расход. Этот расчёт имеет смысл только в том случае, если показатели основаны на одинаковом объёме подводимого топлива и измерены в одной и той же точке учёта электрической мощности.

На сравнение часто влияют два важных различия:

• Валовая и нетто-мощность: валовая мощность измеряется на выводах генератора. Нетто-мощность определяется за вычетом электроэнергии, потребляемой вспомогательными системами в пределах согласованных границ установки. Нетто-тепловой расход обычно выше валового, поскольку в знаменателе используется меньшая нетто-мощность.
• Низшая и высшая теплота сгорания: низшая теплота сгорания (LHV) не учитывает полезное тепло, выделяющееся при конденсации водяного пара в продуктах сгорания; высшая теплота сгорания (HHV) учитывает его. При одинаковом расходе топлива и одинаковой электрической мощности тепловой расход, рассчитанный по HHV, будет выше. Сравнение показателя по LHV с показателем по HHV без пересчёта может создать впечатление, что одно предложение эффективнее, чем на самом деле.

Также проверьте, относится ли указанный показатель только к газовой турбине или ко всей установке. В парогазовой установке тепло выхлопных газов турбины используется для дополнительной выработки электроэнергии, поэтому тепловой расход всей установки нельзя напрямую сравнивать с тепловым расходом установки простого цикла.

Номинальная мощность не всегда равна мощности на площадке

Производители обычно публикуют характеристики для заданных эталонных условий. Эти показатели полезны для предварительного отбора, но не заменяют расчёт производительности с учётом условий конкретной площадки. На доступную мощность в месте реализации проекта влияют параметры воздуха на входе, потери давления, свойства топлива и эксплуатационные ограничения.

Если требуется гарантировать подачу электроэнергии, задавайте требуемую мощность в точке её передачи, а не только на выводах генератора. Разница может включать потребление вспомогательных систем установки, потери в трансформаторе и другие нагрузки в пределах согласованных границ. В предложении должно быть указано, какие из них учтены, а какие остаются за пределами расчёта.

Важен и режим работы. Установка, рассчитанная на среднегодовую температуру, может не обеспечить требуемую мощность в жаркую погоду, когда спрос достигает пика. И наоборот, выбор оборудования только по наиболее тяжёлым условиям может привести к тому, что значительную часть срока службы оно будет работать на неэффективной частичной нагрузке. Решение зависит от требуемой мощности, последствий её недостижения и ожидаемого количества часов работы при каждой нагрузке.

Как условия на площадке влияют на характеристики газовой турбины

Температура окружающего воздуха и высота над уровнем моря

При повышении температуры воздуха на входе его плотность, как правило, снижается. В результате компрессор при том же объёмном расходе забирает меньшую массу воздуха, что обычно уменьшает доступную мощность турбины. Тепловой расход также может увеличиться, хотя степень изменения зависит от машины и системы управления. Большая высота над уровнем моря оказывает схожее влияние из-за более низкого атмосферного давления: менее плотный воздух на входе обычно означает меньший массовый расход и меньшую доступную мощность.

Оценивайте мощность с учётом температурного профиля площадки, а не одного условного значения температуры окружающего воздуха. Часто важнее всего условия, при которых мощность должна обеспечиваться по контракту, и условия, в которых будет расходоваться основная часть топлива. Они могут различаться.

Потери давления на входе и выходе

Воздушные фильтры, шумоглушители, воздуховоды и оборудование для охлаждения входящего воздуха создают потери давления до поступления воздуха в компрессор. На выходе шумоглушители, воздуховоды и оборудование для утилизации тепла повышают противодавление. И то и другое может снижать мощность и влиять на тепловой расход.

Потери следует оценивать для реалистичных условий эксплуатации, учитывая загрязнение фильтров и предлагаемую конфигурацию выхлопного тракта. Расчёт производительности, выполненный для чистого воздухозаборника с низкими потерями, может не отражать работу установки при приближении к предельному сроку замены фильтра. Аналогично, нельзя считать, что турбина сохранит ту же мощность после подключения оборудования для утилизации тепла, если её оценивали с простой выхлопной трубой.

Влажность, топливо и охлаждающая вода

Влажность влияет на свойства входящего воздуха и работу систем испарительного охлаждения. Состав и теплота сгорания топлива влияют на его расход, процесс сгорания и системы контроля выбросов; их изменения также могут влиять на эксплуатационные ограничения. Спецификация топлива, используемая в расчёте производительности, должна отражать ожидаемые условия поставки, включая допустимый диапазон, а не только номинальный состав.

В проектах парогазового цикла температура и доступность охлаждающей воды могут влиять на паровой цикл и, следовательно, на общую мощность установки. Оценка только газовой турбины этого влияния не учитывает.

КПД при полной нагрузке — лишь часть эксплуатационных затрат

Тепловой расход при полной нагрузке важен, когда установка длительное время работает около номинальной мощности. Однако для установок, работающих в соответствии с изменением спроса, большее значение могут иметь характеристики при частичной нагрузке. При изменении мощности настройки системы управления и энергопотребление вспомогательных систем могут приводить к изменению нетто-теплового расхода. Установка с лучшим показателем при полной нагрузке не обязательно будет расходовать меньше топлива за год.

Запросите характеристическую кривую для всего предполагаемого диапазона нагрузок и сопоставьте её с ожидаемым количеством часов работы в каждом режиме. Учитывайте пуски, остановы и периоды минимальной нагрузки, если они существенно влияют на расход топлива и готовность к работе. Так можно точнее оценить расход топлива, чем при умножении одного значения теплового расхода на годовую выработку электроэнергии.

Охлаждение входящего воздуха позволяет найти компромисс. Оно может частично восстановить мощность в жаркую погоду за счёт снижения температуры воздуха на входе в компрессор, однако необходимо учитывать стоимость оборудования, собственное энергопотребление, потери давления и, для некоторых систем, расход воды. Целесообразность зависит от того, как часто требуется дополнительная мощность при высокой температуре и оправдывает ли прирост нетто-мощности эти затраты.

Согласуйте границы оценки и испытаний характеристик до сравнения предложений

Надёжная техническая оценка начинается с единых условий для всех участников тендера. Запросите гарантированные мощность и тепловой расход для заданных условий на площадке, а также кривые изменения характеристик в зависимости от температуры и нагрузки. В документации должны быть чётко указаны следующие параметры:

• Точка измерения электрической мощности, учитываемые вспомогательные нагрузки и база расчёта — валовая или нетто-мощность.
• Состав топлива, база по теплоте сгорания и ожидаемые условия его поставки.
• Температура окружающего воздуха, давление, влажность, а также принятые потери давления на входе и выходе.
• Конфигурация установки, включая оборудование для утилизации тепла, охлаждения входящего воздуха и контроля выбросов.
• Условия, к которым относится каждый показатель: например, нагрузка, конфигурация оборудования и соответствующие условия охлаждения.
• Методика испытаний характеристик, измерительные приборы, процедуры корректировки, погрешность измерений и порядок учёта отклонений от условий испытаний.

Применимые стандарты испытаний и контрактные требования необходимо единообразно указать в запросе предложений и согласовать до утверждения гарантий. Корректировочные кривые особенно важны, если испытания невозможно провести точно при гарантийных условиях: они определяют, как измеренные результаты пересчитываются к согласованной базе.

Для комплектной электростанции эти границы также влияют на распределение ответственности между поставщиками оборудования и сторонами, отвечающими за проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию. SINO-QNP предлагает услуги EPC для проектов электростанций, включая проектирование, вспомогательные системы и ввод в эксплуатацию. При таком объёме работ следующим полезным шагом будет согласовать допущения по характеристикам турбины с фактической компоновкой установки и определить, кто отвечает за каждую потерю и нагрузку вспомогательных систем.

Лучшее предложение — не обязательно то, в котором указан самый низкий тепловой расход или самая высокая номинальная мощность. Это предложение, которое обеспечивает требуемую нетто-мощность в соответствующих условиях на площадке, содержит обоснованный профиль расхода топлива для предусмотренного режима работы и определяет характеристики так, чтобы их можно было проверить испытаниями.