Akan bir gaz akışından döner mekanik enerji elde etmek için kullanılan en eski cihaz yel değirmeniydi. Bunu, ilk olarak Leonardo da Vinci tarafından çizilen ve daha sonra 1648'de İngiliz din adamı John Wilkins tarafından ayrıntılı olarak açıklanan duman krikosu izledi. Bu cihaz, dikey bir şaft üzerine monte edilen ve sıcak hava tarafından tahrik edilen bir dizi yatay yelkenden oluşuyordu. bacadan hava yükseliyor. Basit bir dişli sistemi yardımıyla duman krikosu, kızartma şişini döndürmek için kullanıldı. 19. yüzyılda, döner matkapları, testereleri ve diğer cihazları çalıştırmak için pistonlu bir kompresör tarafından dışarıdan sıkıştırılan havadan yararlanılarak çeşitli darbe ve reaksiyon hava türbini tahrikleri geliştirildi. Bu tür ünitelerin birçoğu hala kullanımda olsa da, bir kompresör, yanma odası ve bağımsız bir ana taşıyıcı oluşturan türbin içeren modern gaz türbinli motora çok az benzerlik göstermektedirler. Böyle bir sisteme yaklaşan ilk patent, 1791 yılında İngiltere'den John Barber'a verildi, ancak hiçbir çalışma modeli henüz inşa edilmedi [1].

1903 ile 1906 yılları arasında Paris'te inşa edilen ilk başarılı gaz türbini, üç silindirli, çok kademeli pistonlu bir kompresör, bir yanma odası ve bir impuls türbininden oluşuyordu. Kompresörden hava temin edilerek çalıştırılır ve bu hava daha sonra yanma odasında sıvı yakıtla yakılır. Ortaya çıkan gazlar, su enjeksiyonu yoluyla bir miktar soğutuldu ve daha sonra bir dürtü türbinine beslendi. Yaklaşık yüzde 3'lük bir ısıl verime sahip olan bu sistem, ilk kez pratik bir gaz türbinli motorun uygulanabilirliğini göstermiştir [1]. Gaz türbini ünitelerinin gelişim geçmişi hakkında daha ayrıntılı bilgi [2]'de bulunabilir.

Sürekli mühendislik gelişimi, elektrik verimliliğini önemli ölçüde artırdı; ticari olarak çalışan ilk gaz türbini olan 18 Neuchatel gaz türbinindeki %1939'den, basit çevrimli operasyon için yaklaşık %40'lık mevcut maksimum seviyelere yükseldi (Şekil 2, a). Gaz türbinleri, uçaklara, trenlere, gemilere güç sağlamak, enerji santrallerinde elektrik üretmek, pompalara, gaz kompresörlerine, tanklara, denizde tahrik, lokomotif tahriki ve otomotiv tahriki dahil olmak üzere çeşitli alanlarda uygulama alanı bulur.

Basit çevrimdeki iyileştirmeler ve buhar türbini dip çevrimlerinin eklenmesi, verimlilikte daha fazla artış olanağı sunar. Günümüzde kombine bir gaz türbini ve buhar türbini çevrimi neredeyse %60'lık bir verime ulaşma kapasitesine sahiptir (Şekil 2, b) [3]. Şekil 3 enerji üretim teknolojisinin gelişiminin zaman çizelgesini göstermektedir.

Kombine çevrim enerji santrali, verimli bir şekilde elektrik üretmek için iki termodinamik çevrimin birleşimini kullanan bir tür enerji üretim tesisidir. Brayton çevrimi olarak bilinen bir gaz türbini çevrimini ve Rankine çevrimi olarak bilinen bir buhar türbini çevrimini koordineli bir şekilde birleştirir. Kombine çevrim üniteleri, daha geniş bir kombine ünite grubunun bir türüdür. Yapısı değişken olabilen gaz ve buhar çevrimleri arasındaki iç bağlantılar, etkin çalışma için önemlidir. Kombine buhar-gaz güç üniteleri, çalışma akışkanının (su, buhar ve gaz) ayrı veya karışık devrelerine sahip olabilir. Atık kazanlı ünitelerde elektriğin büyük kısmı gaz devresinde üretilir. Bu tür tesislerde yakıt tüketimi esas olarak hava fazlalık faktörünün genellikle 1.3-2.5 olduğu gaz devresine düşer, dolayısıyla türbin işinin önemli bir kısmı fazla havayı sıkıştırmak için harcanır [11].

Entegre Gazlaştırma Yakıt Pili (IGFC) döngüsü, katı yakıt ve katı oksit yakıt hücrelerinin (SOFC'ler) gazlaştırılmasına dayanan bir güç döngüsüdür. Entegre gazlaştırma kombine çevrim enerji santraline benzemektedir ancak gaz türbini güç üretim ünitesinin yerine yakıt hücreli (SOFC gibi yüksek sıcaklık tipi) enerji üretim ünitesini almaktadır [12]. SOFC'lerin doğası gereği yüksek enerji verimliliğinden ve süreç entegrasyonundan yararlanılarak olağanüstü yüksek enerji santrali verimlilikleri mümkün hale gelir. Ayrıca, IGFC döngüsünde SOFC'ler, karbon dioksit açısından zengin anodik egzoz akışını izole etmek için çalıştırılabilir, bu da kömür bazlı enerji üretiminin sera gazı emisyonları endişelerini gidermek için verimli karbon yakalamayı mümkün kılar [1]. Bir yakıt hücresi ile bir gaz türbininin entegrasyonu, temiz emisyonlarla daha iyi üretim verimliliği arayışında doğal bir evrimdir. Entegrasyon, yakıt hücresi için hava taşıyıcı olarak gaz türbini kompresörünün kullanılması ve gaz türbini yanma odasının yerine yakıt hücresinin yüksek sıcaklıktaki egzozunun kullanılmasıyla sağlanır [13].

Verimliliği artırmanın bir diğer yolu da gaz türbini çevriminin sıcaklığını (türbin girişindeki sıcaklık) yükseltmektir (Şekil 4). Bu durumda sıcaklığın artması özellikle ilk kademelerde türbin elemanlarının soğutulmasını gerektirmektedir. En umut verici gelişmeler öncelikle havacılık gaz türbini ünitelerinde uygulanmakta ve daha sonra enerji mühendisliği kurulumlarında kullanılmaktadır. Yıllar süren geliştirme süreci boyunca, uçak motoru, stres seviyesi ve termal durum açısından neredeyse hiçbir benzeri olmayan benzersiz bir ürüne dönüştü. Her yeni nesil uçak motoru, basınç artış derecesindeki bir artış ve türbin girişindeki çalışma sıvısının sıcaklığındaki bir artış ile karakterize edilir (Şekil 5). Sabit güç gaz türbini üniteleri ve diğer tipteki gaz türbini üniteleri için, çalışma döngüsündeki başlangıç ​​gaz sıcaklığının ve kompresördeki termodinamik olarak ilişkili hava sıkıştırma derecesinin arttırılması bugün de geçerlidir. Ancak başlangıç ​​sıcaklığındaki artış, türbin elemanlarının mukavemetiyle ilgili sorunların yanı sıra çevre sorunlarına da yol açmaktadır. Bu nedenle, modern gaz türbini üniteleri oluşturulurken çözülen sorunlardan biri, nitrojen oksitler (NOx), karbon oksitler (COx) ve yanmamış hidrokarbonlar (CxHy veya UHC) gibi zararlı maddelerin emisyonlarının azaltılmasıdır. Örneğin, doğal gaz nispeten yüksek sıcaklıklarda yakıldığında, NOx içeriği egzozun toksisitesini %90-95 oranında belirlemektedir [5].

Bu nedenle, gaz türbini tasarımındaki temel zorluklardan biri, enerji ve ulaşım tesislerinin egzoz gazlarındaki zararlı emisyonların azaltılmasıdır. Çalışma modlarının optimizasyonu, çalışma sırasında gaz türbini ünitelerinin uygun şekilde izlenmesi ve bakımı, yakıtların hazırlanması ve yakıt besleme sistemlerinin rasyonel düzenlenmesi ile birlikte çevresel özelliklerini önemli ölçüde etkiler [9].

Emisyonları azaltmaya yönelik aşağıdakiler gibi çeşitli stratejileri araştırdığımız bu blogun ikinci bölümünde bize katılın:

1. Gücü artırmak ve NOx içeriğini azaltmak için bir gaz türbini ünitesinin yanma odasına su veya buhar enjeksiyonu.
2. Değişken geometriye, pnömatik nozullara ve özel alev stabilizasyonuna sahip, düşük emisyonlu çok bölgeli yanma odalarının oluşturulması.
3. Katalitik yanma odalarının veya tutarlı art yanma sistemlerinin kullanılması.
4. Çevre dostu yakıt kullanımı - ana ve ek yakıt olarak hidrojen.

Nasıl olduğunu öğrenmekle ilgileniyor AxSTREAM ve AxSTREAM Sistem Simülasyonu gaz türbinleriniz veya çevrim geliştirmeniz konusunda size yardımcı olabilir mi? Burada bir deneme talebinde bulunun!

Referanslar:

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. Sürdürülebilir Enerji Dönüşümü İçin Gaz Türbin Sistemlerinin Analizi. – Marie Anheden, – Kraliyet Teknoloji Enstitüsü Stockholm, İsveç 2000 TRITA-KET R112 ISSN 1104-3466 ISRN KTH/KET/R–112–SE.
4. York, M. Hughes, J. Berry, T. Russell, Gelişmiş IGCC/hidrojen gazı türbini geliştirme, Nihai Teknik Rapor, DE-FC26-05NT42643 (2015) ABD Enerji Bakanlığı'na sunuldu
5. Gaz türbini egzoz gazlarındaki nitrojen oksitlerin azaltılması, Postnikov A.M. – RAS Samara Bilim Merkezi'nin yayınevi. – 2002 – 286 sayfa.
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 E.A. Gaz türbinleri: sorunlar ve beklentiler M.: Energoatomizdat, 1986. – 168 s.
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/

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://blog.softinway.com/gas-turbine-units-and-their-impact-on-the-environment-part-1/