Förklaring av gasturbiners prestanda: värmeförbrukning, effekt och platsförhållanden

En gasturbins märkeffekt är bara en utgångspunkt när ett projekt ska utvärderas. En mer användbar jämförelse är hur mycket nettoel anläggningen kan leverera under de förhållanden som råder på den aktuella platsen, hur mycket bränsle den förbrukar för att göra det och om den kan upprätthålla prestandan inom det förväntade driftområdet. En maskin med högre märkeffekt kan leverera mindre användbar effekt än väntat en varm dag eller förbruka mer bränsle när den körs med dellast.

Värmeförbrukning, eleffekt och platsförhållanden måste därför bedömas tillsammans. Varje värde bygger på en definierad uppsättning gränser och antaganden, och dessa måste överensstämma innan konkurrerande anbud kan jämföras.

Vad värmeförbrukningen säger om bränsleförbrukningen

Värmeförbrukning anger hur mycket bränsleenergi som tillförs en anläggning för varje producerad enhet elektrisk energi. Den anges vanligtvis i kJ/kWh eller Btu/kWh. En lägre värmeförbrukning innebär att det krävs mindre bränsleenergi för att generera samma eleffekt under de angivna förhållandena.

Sambandet mellan värmeförbrukning och verkningsgrad är direkt när båda baseras på samma energigrund och anläggningsgräns. Med kJ/kWh som grund beräknas den elektriska verkningsgraden som 3 600 dividerat med värmeförbrukningen. Beräkningen är bara användbar om värdena avser samma bränsletillförsel och samma mätpunkt för eleffekten.

Två skillnader påverkar ofta jämförelsen:

• Bruttoeffekt kontra nettoeffekt: Bruttoeffekten mäts vid generatorns anslutningar. Nettoeffekten är bruttoeffekten minus den elektriska effekt som förbrukas av hjälpsystem inom den överenskomna anläggningsgränsen. Värmeförbrukningen baserad på nettoeffekt är normalt högre än den som baseras på bruttoeffekt, eftersom den mindre nettoeffekten används som nämnare.
• Effektivt värmevärde kontra kalorimetriskt värmevärde: Det effektiva värmevärdet (LHV) inkluderar inte den återvinningsbara värme som frigörs när vatten i förbränningsgaserna kondenserar; det kalorimetriska värmevärdet (HHV) inkluderar den. För samma bränsleflöde och eleffekt blir värmeförbrukningen baserad på HHV högre. Om ett LHV-värde jämförs med ett HHV-värde utan omräkning kan ett anbud framstå som mer effektivt än det faktiskt är.

Kontrollera också om det angivna värdet gäller enbart gasturbinen eller hela anläggningen. I ett kombikraftverk används värmen i turbinens avgaser för att producera ytterligare effekt, så anläggningens värmeförbrukning kan inte jämföras direkt med värmeförbrukningen för en anläggning med enkel cykel.

Märkeffekt är inte nödvändigtvis samma sak som effekt på plats

Tillverkare publicerar vanligtvis prestandavärden vid angivna referensförhållanden. Dessa värden är användbara vid en första sållning, men ersätter inte en platsspecifik prestandaberäkning. Inloppsluftens förhållanden, tryckförluster, bränslets egenskaper och driftgränser påverkar alla den effekt som finns tillgänglig på projektplatsen.

Vid ett åtagande om kraftleverans ska den erforderliga effekten definieras vid leveranspunkten, inte bara vid generatorns anslutningar. Skillnaden kan omfatta anläggningens hjälpsystem, transformatorförluster och andra laster inom den överenskomna gränsen. Ett anbud bör ange vilka av dessa som ingår och vilka som ligger utanför beräkningen.

Även den relevanta driftpunkten har betydelse. En anläggning som dimensionerats utifrån den genomsnittliga årstemperaturen kan inte nå upp till erforderlig effekt när efterfrågan är som störst under varmare väder. Omvänt kan dimensionering enbart för de mest extrema förhållandena leda till att utrustningen tillbringar en stor del av sin livslängd vid en ineffektiv dellastpunkt. Beslutet beror på den kapacitet som krävs, konsekvenserna av ett kapacitetsunderskott och det förväntade antalet drifttimmar vid varje lastnivå.

Hur platsförhållanden påverkar gasturbinens prestanda

Omgivningstemperatur och höjd över havet

När inloppsluftens temperatur stiger minskar luftens densitet i allmänhet. Kompressorn tar då in en mindre luftmassa vid ett givet volymflöde, vilket vanligtvis minskar den tillgängliga turbineffekten. Värmeförbrukningen kan också försämras, men graden beror på maskinen och dess styrsystem. Hög höjd över havet har en liknande effekt genom lägre atmosfärstryck: mindre tät inloppsluft innebär i allmänhet lägre massflöde och mindre tillgänglig effekt.

Utvärdera effekten utifrån platsens temperaturprofil i stället för ett nominellt omgivningsvärde. De viktigaste fallen är ofta de förhållanden då kapaciteten krävs enligt avtal och de förhållanden då merparten av bränslet kommer att förbrukas. Dessa kan skilja sig åt.

Tryckförluster i inlopp och avgas

Luftfilter, ljuddämpare, kanaler och utrustning för inloppskylning orsakar tryckförluster innan luften når kompressorn. På avgassidan skapar ljuddämpare, kanaler och värmeåtervinningsutrustning ett mottryck. Båda kan minska effekten och påverka värmeförbrukningen.

Förlusterna bör bedömas under realistiska driftförhållanden, inklusive effekten av igensatta filter och den planerade avgaslösningen. En prestandaberäkning som bygger på ett rent inlopp med låga förluster kanske inte motsvarar driften när filtret närmar sig gränsen för byte. På samma sätt kan man inte utgå från att en turbin som utvärderats med en enkel avgasstack behåller samma effekt när den ansluts till värmeåtervinningsutrustning.

Luftfuktighet, bränsle och kylvatten

Luftfuktigheten kan påverka inloppsluftens egenskaper och prestandan hos evaporativa kylsystem. Bränslets sammansättning och värmevärde påverkar bränsleflödet, förbränningen och utsläppskontrollen; variationer kan också påverka driftgränserna. Bränslespecifikationen i prestandaberäkningen bör motsvara den förväntade tillförseln och omfatta det tillåtna variationsintervallet, inte bara en nominell sammansättning.

I kombikraftsprojekt kan kylvattnets temperatur och tillgänglighet påverka ångcykeln och därmed anläggningens totala effekt. En bedömning av enbart gasturbinen fångar inte den effekten.

Verkningsgraden vid fullast är bara en del av driftskostnaden

Värmeförbrukningen vid fullast är viktig när en enhet körs nära märkeffekten under långa perioder. För anläggningar som anpassar sig efter efterfrågan kan prestandan vid dellast däremot ha större betydelse. När effekten ändras kan styrinställningar och den energi som hjälpsystemen kräver göra att värmeförbrukningen netto förändras. En enhet med bättre värde vid fullast förbrukar inte nödvändigtvis mindre bränsle under ett år.

Begär en prestandakurva för hela det avsedda lastområdet och kombinera den med förväntade drifttimmar vid varje driftpunkt. Ta med starter, avstängningar och perioder med minimilast när de har väsentlig betydelse för bränsleförbrukning och tillgänglighet. Det ger en mer användbar bränsleuppskattning än att multiplicera ett enda värde för värmeförbrukning med den årliga elproduktionen.

Inloppskylning innebär en liknande avvägning. Den kan återvinna en del av effekten under varma förhållanden genom att sänka temperaturen vid kompressorns inlopp, men kostnaden för utrustningen, hjälpkraftförbrukningen, tryckförlusten och, för vissa system, vattenförbrukningen spelar också roll. Värdet beror på hur ofta kapacitet behövs vid höga temperaturer och om den ökade nettoeffekten motiverar kostnaderna.

Fastställ prestanda- och provningsgränserna innan anbuden jämförs

En välgrundad teknisk utvärdering börjar med att alla anbudsgivare får samma förutsättningar. Begär garanterad effekt och värmeförbrukning vid de definierade platsförhållandena samt kurvor som visar hur prestandan förändras med temperatur och last. Anbudet bör uttryckligen ange följande:

• Mätpunkten för den elektriska effekten, vilka hjälplaster som ingår samt om värdena baseras på brutto- eller nettoeffekt.
• Bränslets sammansättning, vilket värmevärde som används och de förväntade förhållandena för bränsletillförseln.
• Omgivningstemperatur, tryck, luftfuktighet samt antagna förluster i inlopp och avgas.
• Anläggningens konfiguration, inklusive eventuell värmeåtervinning, inloppskylning eller utsläppskontrollutrustning.
• Driftförhållandena för varje värde, exempelvis last, utrustningskonfiguration och relevanta kylförhållanden.
• Metoden för prestandaprovning, instrumentering, korrigeringsrutiner, mätosäkerhet och hantering av avvikelser från provningsförhållandena.

Tillämpliga provningsstandarder och avtalskrav bör anges på ett enhetligt sätt i förfrågningsunderlaget och överenskommas innan garantierna fastställs. Korrigeringskurvor är särskilt viktiga när provningen inte kan utföras exakt vid garantiförhållandena: de definierar hur uppmätta resultat räknas om till den överenskomna grunden.

För ett komplett kraftverk påverkar dessa gränser också gränssnitten mellan utrustningsleverantörer och de parter som ansvarar för projektering, byggnation och driftsättning. SINO-QNP erbjuderEPC-tjänster för kraftverksprojekt, inklusive projektering, hjälpsystem och driftsättning. För ett sådant omfattningsområde är ett lämpligt nästa steg att anpassa antagandena om turbinens prestanda till den faktiska anläggningslayouten och fastställa vem som ansvarar för varje förlust och hjälplast.

Det bästa anbudet är inte nödvändigtvis det som har lägst angiven värmeförbrukning eller högst märkeffekt. Det är det som uppfyller kravet på nettoeffekt under de relevanta platsförhållandena, redovisar en trovärdig bränsleförbrukningsprofil för den avsedda driften och definierar prestandan på ett sätt som går att verifiera genom provning.