Het vroegste apparaat om roterende mechanische energie uit een stromende gasstroom te halen, was de windmolen. Het werd gevolgd door de rookjack, eerst geschetst door Leonardo da Vinci en vervolgens in detail beschreven door John Wilkins, een Engelse predikant, in 1648. Dit apparaat bestond uit een aantal horizontale zeilen die op een verticale as waren gemonteerd en werden aangedreven door de hete wind. lucht die uit een schoorsteen opstijgt. Met behulp van een eenvoudig tandwielsysteem werd de rookvijzel gebruikt om een ​​braadspit aan te zetten. In de 19e eeuw werden verschillende impuls- en reactieluchtturbineaandrijvingen ontwikkeld, waarbij gebruik werd gemaakt van lucht die extern werd gecomprimeerd door een zuigercompressor om boormachines, zagen en andere apparaten aan te drijven. Hoewel veel van dergelijke eenheden nog steeds in gebruik zijn, vertonen ze weinig gelijkenis met de moderne gasturbinemotor, die een compressor, verbrandingskamer en turbine omvat en zo een op zichzelf staande krachtbron vormt. Het eerste patent dat een dergelijk systeem benadert, werd in 1791 verleend aan John Barber uit Engeland, hoewel er nooit een werkend model is gebouwd [1].

De eerste succesvolle gasturbine, gebouwd in Parijs tussen 1903 en 1906, bestond uit een driecilinder, meertraps zuigercompressor, een verbrandingskamer en een impulsturbine. Het werkte door lucht uit de compressor aan te voeren, die vervolgens met vloeibare brandstof in de verbrandingskamer werd verbrand. De resulterende gassen werden enigszins gekoeld door de injectie van water en vervolgens naar een impulsturbine gevoerd. Dit systeem, met een thermisch rendement van ongeveer 3 procent, demonstreerde voor het eerst de haalbaarheid van een praktische gasturbinemotor [1]. Meer gedetailleerde informatie over de geschiedenis van de ontwikkeling van gasturbine-eenheden is te vinden in [2].

Voortdurende technische ontwikkelingen hebben de elektrische efficiëntie aanzienlijk vergroot, van 18% bij de eerste commercieel operationele gasturbine, de Neuchatel-gasturbine uit 1939, tot de huidige maximale niveaus van ongeveer 40% voor eenvoudige cycluswerking (Figuur 2, a). Gasturbines vinden toepassing op verschillende gebieden, waaronder het aandrijven van vliegtuigen, treinen, schepen, het opwekken van elektriciteit in energiecentrales, het aandrijven van pompen, gascompressoren, tanks, voortstuwing van schepen, voortstuwing van locomotieven en voortstuwing van auto's.

Verbeteringen aan de eenvoudige cyclus en toevoegingen van stoomturbine-bodemcycli bieden de mogelijkheid tot verdere verhoging van de efficiëntie. Tegenwoordig kan een gecombineerde gasturbine- en stoomturbinecyclus een efficiëntie van bijna 60% bereiken (Figuur 2, b) [3]. Figuur 3 toont een tijdlijn van de ontwikkeling van energieopwekkingstechnologie.

Een energiecentrale met gecombineerde cyclus is een type energieopwekkingsinstallatie die gebruik maakt van een combinatie van twee thermodynamische cycli om efficiënt elektriciteit op te wekken. Het omvat op gecoördineerde wijze een gasturbinecyclus, bekend als de Brayton-cyclus, en een stoomturbinecyclus, bekend als de Rankine-cyclus. Gecombineerde cycluseenheden zijn één type van een bredere groep gecombineerde eenheden. Interne verbindingen tussen de gas- en stoomcyclus, die variabel van structuur kunnen zijn, zijn belangrijk voor een effectieve werking. Gecombineerde stoom-gasmotoren kunnen afzonderlijke of gemengde circuits van de werkvloeistof hebben: water, stoom en gas. Bij units met een afvalketel wordt het grootste deel van de stroom geproduceerd in het gascircuit. Het brandstofverbruik in dit soort installaties valt voornamelijk op het gascircuit, waarin de luchtovermaatfactor doorgaans 1.3-2.5 bedraagt, zodat een aanzienlijk deel van het werk van de turbine wordt besteed aan het comprimeren van de overtollige lucht [11].

De Integrated Gasification Fuel Cell (IGFC) -cyclus is een energiecyclus gebaseerd op de vergassing van vaste brandstof en vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC's). Het is analoog aan een geïntegreerde vergassingscentrale met een gecombineerde cyclus, maar vervangt de energieopwekkingseenheid van de gasturbine door een brandstofcel (hogetemperatuurtype zoals SOFC) energieopwekkingseenheid [12]. Door gebruik te maken van de intrinsiek hoge energie-efficiëntie van SOFC's en procesintegratie worden uitzonderlijk hoge efficiënties van energiecentrales mogelijk. Bovendien kunnen SOFC's in de IGFC-cyclus worden gebruikt om een ​​kooldioxiderijke anodische uitlaatstroom te isoleren, waardoor efficiënte koolstofafvang mogelijk wordt gemaakt om de zorgen over de uitstoot van broeikasgassen bij elektriciteitsopwekking op basis van steenkool aan te pakken [1]. De integratie van een brandstofcel en een gasturbine is een natuurlijke evolutie in de zoektocht naar verbeterde opwekkingsefficiëntie met schone emissies. Integratie wordt bereikt door de gasturbinecompressor te gebruiken als luchtverplaatser voor de brandstofcel en door de hogetemperatuuruitlaat van de brandstofcel te gebruiken om de gasturbineverbrandingsinstallatie te vervangen [13].

Een andere manier om de efficiëntie te verhogen is door de temperatuur van de gasturbinecyclus (de temperatuur bij de turbine-inlaat) te verhogen (Figuur 4). In dit geval maakt een temperatuurstijging de koeling van turbine-elementen noodzakelijk, vooral in de eerste trappen. De meest veelbelovende ontwikkelingen worden vooral geïmplementeerd in gasturbine-eenheden voor de luchtvaart en vervolgens toegepast in installaties voor de energietechniek. Door de jaren van ontwikkeling is de vliegtuigmotor veranderd in een uniek product, dat vrijwel geen analogen heeft wat betreft stressniveau en thermische toestand. Elke nieuwe generatie vliegtuigmotoren wordt gekenmerkt door een toename van de mate van drukverhoging en een toename van de temperatuur van de werkvloeistof bij de turbine-inlaat (Figuur 5). Voor stationaire gasturbine-eenheden en gasturbine-eenheden van andere typen is het tegenwoordig ook relevant om de initiële gastemperatuur in de bedrijfscyclus en de thermodynamisch daarmee samenhangende mate van luchtcompressie in de compressor te verhogen. Een verhoging van de begintemperatuur leidt echter, naast problemen die verband houden met de sterkte van turbine-elementen, tot milieuproblemen. Een van de opgeloste problemen bij het creëren van moderne gasturbine-eenheden is dus de vermindering van de uitstoot van schadelijke stoffen – stikstofoxiden (NOx), koolstofoxiden (COx) en onverbrande koolwaterstoffen (CxHy of UHC). Wanneer aardgas bijvoorbeeld bij relatief hoge temperaturen wordt verbrand, bepaalt het NOx-gehalte de toxiciteit van de uitlaatgassen met 90-95% [5].

Een van de belangrijkste uitdagingen bij het ontwerp van gasturbines is dus de vermindering van schadelijke emissies in de uitlaatgassen van elektriciteits- en transportinstallaties. De optimalisatie van bedrijfsmodi, goede monitoring en onderhoud van gasturbine-eenheden tijdens bedrijf, samen met de voorbereiding van brandstoffen en rationele regulering van brandstoftoevoersystemen, hebben een aanzienlijke invloed op hun milieukenmerken [9].

Neem deel aan deel twee van deze blog, waar we verschillende strategieën verkennen om de uitstoot te verminderen, zoals:

1. Injectie van water of stoom in de verbrandingskamer van een gasturbine-eenheid om het vermogen te vergroten en het NOx-gehalte te verlagen.
2. Creatie van emissiearme verbrandingskamers met meerdere zones, variabele geometrie, pneumatische sproeiers en speciale vlamstabilisatie.
3. Het gebruik van katalytische verbrandingskamers of coherente naverbrandingssystemen.
4. Gebruik van milieuvriendelijke brandstof – waterstof als hoofd- en aanvullende brandstof.

Geïnteresseerd om te leren hoe AxSTREAM en AxSTREAM-systeemsimulatie kan u helpen met uw gasturbines of cyclusontwikkeling? Vraag hier een proefles aan!

Referenties:

1. https://www.britannica.com/technology/gas-turbine-engine/Development-of-gas-turbine
2. https://blog.softinway.com/the-evolution-of-gas-turbines-from-the-first-designs-to-the-latest-environmentally-friendly-development-trends-part-1/
3. Analyse van gasturbinesystemen voor duurzame energieconversie. – Marie Anheden, – Koninklijk Instituut voor Technologie Stockholm, Zweden 2000 TRITA-KET R112 ISSN 1104-3466 ISRN KTH/KET/R–112–SE.
4. York, M. Hughes, J. Berry, T. Russell, Advanced IGCC/hydrogen gasturbine development, Final Technical Report, DE-FC26-05NT42643 (2015) ingediend bij het Amerikaanse ministerie van Energie
5. Vermindering van stikstofoxiden in uitlaatgassen van gasturbines, Postnikov A.M. – Uitgeverij van het Samara Wetenschappelijk Centrum van de RAS. – 2002 – 286 pagina's.
6. http://energetika.in.ua/ru/books/book-3/part-1/section-3/3-9
7. https://www.cambridge.org/core/journals/aeronautical-journal/article/abs/performance-analysis-of-an-aero-engine-with-interstage-turbine-burner/FB31C38A3C51C5EE83FEAF4E3112FFE1
8. Manushin EA Gasturbines: problemen en vooruitzichten M.: Energoatomizdat, 1986. – 168 p.
9. https://dspace.library.khai.edu/xmlui/bitstream/handle/123456789/1623/Gerasim.pdf?sequence=1
10. https://myengineeringworld.net/2013/06/gas-turbine-combustor-concepts-low-emissions.html
11. https://ela.kpi.ua/bitstream/123456789/39487/1/2020-7.pdf
12. https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_gasification_fuel_cell_cycle
13. https://vibrationacoustics.asmedigitalcollection.asme.org/GT/proceedings/GT1999/78590/V002T02A067/248338
14. https://link.springer.com/article/10.3103/S1068799811020103
15. https://www.mdpi.com/1996-1073/13/19/5230
16. https://www.researchgate.net/publication/346054984_Review_of_Gas_Turbine_Combustion_Chamber_Designs_to_Reduce_Emissions
17. https://www.hindawi.com/journals/ijce/2022/9123639/
18. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steam-injection
19. https://en.wikipedia.org/wiki/Catalytic_combustion
20. https://technology.matthey.com/article/23/4/134-141/
21. https://www.ge.com/content/dam/gepower-new/global/en_US/downloads/gas-new-site/future-of-energy/hydrogen-overview.pdf
22. https://www.turbomachinerymag.com/view/the-future-of-hydrogen-as-a-gas-turbine-fuel
23. https://blog.softinway.com/the-evolution-of-gas-turbines-from-the-first-designs-to-the-latest-environmentally-friendly-development-trends-part-2/

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://blog.softinway.com/gas-turbine-units-and-their-impact-on-the-environment-part-1/