Termik Enerji 101 — Buhar, Gaz ve Kombine Çevrimlerle Yakıt Isısını Elektriğe Dönüştürme

Termik santralin bacasından yükselen beyaz dumanı izleyip "yakıtın ısısı doğrudan elektriğe dönüşüyor" diye düşünürseniz, verimliliğin ve çevresel yükün neden önemli olduğunu gözden kaçırırsınız. Gerçekte, santral yakıtın kimyasal enerjisini yanma gazının ısısına dönüştürür, buhar veya yüksek sıcaklıktaki gazla bir türbini döndürür ve jeneratör ve transformatör aracılığıyla elektriği şebekeye iletir. Kazan, türbin, kondenser, baca gazı arıtma ve soğutma ekipmanlarının tümü, verimlilik ve çıktı esnekliği arasındaki bir dengeyle birbirine bağlıdır.

Türbin ve jeneratör örneği

Resim: Waste Iru Termik Santrali'ndeki blok türbin ve jeneratör (Lauri Veerde, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Karşılaştırmalarda kullanılan belirli santralin fotoğrafı değil, iç mekan örneği.

30 saniyelik versiyon

• Bir buhar türbini Rankine çevrimiyle çalışır; bir gaz türbini Brayton çevrimiyle çalışır. Egzoz ısısından da buhar üreten kombine çevrim (CCGT) yüksek verimliliğe ulaşır.

• Üretim verimliliği sadece yanma sıcaklığına değil, buhar basıncı ve sıcaklığına, kondenser vakumuna, soğutma suyu sıcaklığına, kısmi yüke ve ünitenin ne sıklıkla çalıştırılıp durdurulduğuna da bağlıdır.

• Kömür istikrarlı bir yakıttır, ancak CO₂ ve hava kirleticilerinin yönetimi ağır bir yüktür. Doğalgaz CCGT daha az emisyon yayar ve daha hızlı çalışır, ancak metan sızıntısına ve yakıt fiyatlarındaki dalgalanmalara maruz kalır.

• Karbonsuzlaştırma, termik enerjiyi yenilenebilir enerjiler ve bataryalarla birleştirir ve biyokütle, hidrojen/amonyak birlikte yakma ve CCS/CCUS'u yaşam döngüsü bazında karşılaştırır.

• Değişken üretime destek sağlayan termik enerji için değer, çıktıdan ziyade minimum yük, rampa hızı, başlatma süresi, senkron atalet ve emisyon yoğunluğu ile belirlenir.

1. Isıdan Elektriğe Giden Yol

Diagram 1 · Use the button to switch views

Şekil 1 — Birleşik çevrim önce bir gaz türbin jeneratörünü çalıştırır, ardından egzoz ısısını HRSG aracılığıyla ikinci bir türbin jeneratörü için buhara dönüştürür. Buhar yoğunlaştırılır, pompalanır ve HRSG'ye geri döndürülür; ayrı bir soğutma suyu sistemi kondenser ısısını uzaklaştırır.

Yakıt girişinin kimyasal enerjisi Q_{in} ve elektrik çıkışı P_e olsun; üretim verimliliği Daha sonra şu şekilde tahmin edilebilir:

Gönderme verimliliği, yardımcı tüketimden sonraki yakıt girdisine bölünmüş elektrik çıkışıdır.

Burada \dot m_f yakıt kütle akış hızı ve LHV alt ısıl değerdir. Yardımcıların (besleme suyu pompaları, cebri çekiş fanları, baca gazı arıtma, soğutma suyu pompaları) tükettiği güç çıkarıldıktan sonra, gönderme verimliliğinde karşılaştırma yapmak önemlidir.

2. Rankine çevrimi ve buhar türbinleri

Kömür, ağır yağ, biyokütle ve benzeri yakıtları yakan kazanlarda su, yüksek basınçlı buhara dönüştürülür. Buhar, yüksek, orta ve düşük basınçlı türbinlerden kademeli olarak genleşir, kondenserde suya geri döner ve besleme suyu pompasıyla kazana geri beslenir. İdeal Rankine çevriminin termal verimliliği şöyledir:

Rankine verimliliği, net türbin işinin kazan ısı girdisine bölünmesidir.

ve yeniden ısıtma, rejeneratif besleme suyu ısıtması ve diğer yöntemlerle iyileştirilir. Süperkritik.

Buhar sıcaklığı ne kadar yüksekse, verimlilik de o kadar yüksek olur; ancak kazan borularında, türbin kanatlarında ve kaynaklarda sünme, oksidasyon ve korozyon daha da şiddetlenir. Ultra-süperkritik (USC) üniteler yüksek kromlu çelik ve nikel bazlı alaşımlar kullanır ve malzeme ömrü ve bakım aralıkları üretim maliyetini belirler. Türbinin son aşamasında, ıslak buhardaki su damlacıkları kanatları aşındırır, bu nedenle nem ayırıcılar ve yeniden ısıtıcılar bu sorunu gidermek için yerleştirilir.

Kondenser, buharı düşük basınçta tekrar suya dönüştürerek türbin çıkış basıncını düşürür ve böylece elde edilen işi artırır. Yaz aylarında deniz suyu sıcaklığı yüksek olduğunda veya soğutma kulesi performansı düştüğünde, kondenser basıncı yükselir ve hem çıktı hem de verimlilik düşer. Sadece ısı kaynağı değil, soğutma suyu ve suyun çekildiği nehir veya denizin çevresel koşulları da termal döngünün bir parçasıdır.

3. Gaz türbinleri ve kombine çevrimler

Bir gaz türbini, kompresörde havayı sıkıştırır, yanma odasında yakıtı yakar ve ortaya çıkan yüksek sıcaklıktaki gazı genleştirir. Bir türbin aracılığıyla. İdeal Brayton çevriminin verimliliği, kabaca basınç oranı r_p ve özgül ısı oranı \gamma ile belirlenir.

İdeal Brayton verimliliği, kompresör ve türbin sınırlarına bağlı olarak basınç oranıyla birlikte artar.

Basınç oranının artırılması ideal verimliliği artırır, ancak kompresör işi, kanat sıcaklığı, dalgalanma payı ve soğutma havası kısıtlamalar haline gelir.

Basit bir çevrimin egzoz gazı hala sıcaktır. Buhar üretmek için bir ısı geri kazanımlı buhar jeneratörü (HRSG) ve bunu kullanmak için bir buhar türbini ekleyen birleşik çevrim (CCGT), yakıtın ısısını iki aşamada çıkarır. Doğalgaz CCGT, yüksek çıkış verimliliğini nispeten kısa bir başlatma süresiyle birleştirir ve güneş ve rüzgar değişkenliğini izleyen esnek bir üretim olarak kullanılır.

Öte yandan, tekrarlanan başlatma ve durdurmalar termal stresi artırır ve kullanım ömrünü kısaltır. CCGT işletimi, yalnızca verimli nominal yükte çalışmayı değil, aynı zamanda düşük yükte emisyonları, minimum çıkışı, rampa hızını, yakıt tedarikini ve bakım planlamasını da optimize etmelidir.

4. Baca Gazı Arıtımı ve Çevresel Yük

Yakıttaki karbon esas olarak CO₂'ye dönüşür; azot ve yüksek sıcaklıkta yanma NOx üretir; kükürt SOx'e dönüşür; ve kül içeriği partikül maddeye dönüşür. Emisyon düzenlemelerini karşılamak için DeNOx (SCR), elektrostatik çöktürücüler veya torba filtreler ve kükürt giderme ekipmanları bir araya getirilir. Kükürt giderme reaktifi, amonyak, fanlar ve emici sıvı sirkülasyonu, yardımcı güç tüketimine ve atıklara katkıda bulunur, bu nedenle emisyonlar sadece baca konsantrasyonu için değil, tüm tesis için hesaplanmalıdır.

Bir yakıtın CO₂ emisyonları, yakıt tüketimi ve karbon içeriğinden tahmin edilebilir.

Yakıt karbon içeriği ve karbonun CO₂'ye moleküler kütle oranı, doğrudan emisyonları belirler.

Burada w_C, yakıttaki karbon kütle oranıdır. Güç kaynaklarını karşılaştırırken, jeneratör terminallerinde değil, ekipman üretimi, yakıt taşımacılığı ve bertarafı da içeren yaşam döngüsünde, kapasite faktörünü ve başlatmayı ayrı ayrı ele alarak, çıkış bazında g-CO₂/kWh'ye bakın. Emisyonlar.

5. Hidrojen/Amonyak Birlikte Yakma ve Karbon Yakalama ve Depolama (CCS)

Hidrojen yakıldığında CO₂ yaymaz, ancak üretim yöntemi, bir enerji kaynağı olarak ona atfedilebilecek emisyonları belirler. Doğal gaz reformasyonu artı CCS'den elde edilen mavi hidrojen ve yenilenebilir elektrik kullanılarak elektrolizden elde edilen yeşil hidrojenin her ikisinin de enerji verimliliği, taşıma, sızıntı ve depolama dahil olmak üzere değerlendirilmesi gerekir. Hidrojenin yüksek alev hızı ve tutuşabilirliği vardır, bu nedenle yanma odasında geri tepme, NOx ve malzeme kırılganlığı ele alınmalıdır.

Amonyak sıvı halde taşınması kolaydır, ancak yavaş yanma hızı, yanmamış amonyağın (kaçak) ve NOx'in arıtılmasını zorlaştırır. Birlikte yakma oranının artırılması, hem iyileştirme çalışmalarının kapsamını hem de yakıt maliyetini artırır, bu nedenle mevcut tesislerin ömrünü uzatma, yeni özel yakma üniteleri inşa etme ve yenilenebilir enerji artı bataryalarla karşılaştırma ile tartılması gerekir.

CCS (Karbon Yakalama ve Depolama), baca gazından CO₂'yi ayırır, sıkıştırır ve taşır. Amin emilimi, buhar ve elektrik kullanarak ayırma işlemini gerçekleştirir ve bu da üretim verimliliğini birkaç puan düşürür. Depolama alanı araştırması, sızıntı izleme, boru hattındaki faz yönetimi ve uzun vadeli sorumluluk da dahil olmak üzere uygulanabilirliğin değerlendirilmesi gerekir. CCUS'un yakalanan CO₂'yi hammadde veya yakıt olarak kullandığı durumlarda, atmosfere ne kadar sürede geri döneceğinin de teyit edilmesi önemlidir.

6. Şebeke Operasyonlarında Değer

Bir termik santral, yakıt temin edildiği sürece sürekli çıktı sağlayabilir ve şebekeye senkron jeneratörün ataletini ve kısa devre akımını sağlar. Bazı gaz türbinli üniteler dakikalar içinde veya on dakika içinde çalışmaya başlayabilir, bu da onları arz-talep dengelemesi için uygun hale getirir. Kömürle çalışan ve büyük buhar türbinli ünitelerin minimum yükleri daha yüksek ve başlatma süreleri daha uzundur ve sık yük takibi ömürlerini kısaltır.

Yükleme hızı R=dP/dt, minimum yük P_{min} ve başlatma süresi t_{start} olsun. Ünitenin yenilenebilir enerji tahmin hatasını karşılayabileceği aralık, yalnızca nominal çıkış gücüyle değil, daha iyi değerlendirilebilir; çünkü

Mevcut dağıtım aralığı, rampa hızı, geçen süre ve minimum kararlı yük ile sınırlıdır.

Termal enerjiyi bataryalar, hidroelektrik, talep yanıtı ve ara bağlantılarla eşleştirmek, bir termik ünitenin düşük yükte rölantide beklemesi gereken süreyi azaltır.

7. Günümüz ekipmanlarını ve araştırmalarını okumak

Japonya'da TEPCO/JERA, Kansai Electric Power, Tohoku Electric Power ve diğerleri, daha yüksek verimli LNG termik santralleri, kömür yakıtlı santraller için çevresel kontroller ve yenilenebilir enerjilerle operasyonel koordinasyon konusunda ilerleme kaydediyor. Yurtdışında GE Vernova, Siemens Energy ve Mitsubishi Heavy Industries, büyük gaz türbinleri, buhar türbinleri, CCGT ve amonyak/hidrojen uyumlu yanma odaları piyasaya sürüyor. Ürün isimlerinin ötesinde, nominal verimlilik, minimum yük, başlatma süresi, yakıt özellikleri, bakım aralığı ve emisyon garantilerini karşılaştırmak önemlidir.

Araştırma konuları ultra yüksek sıcaklık malzemelerini kapsar, Düşük NOx'li yanma odaları, yapay zeka destekli kazan yanma optimizasyonu, ısı geri kazanımı, katı oksit yakıt hücreleriyle hibritleştirme, CO₂ ayırma membranları ve esnek çalışma için ömür modelleri. Yardımcı güç, katalizör değişimi, yakıt ön arıtma ve şebeke bağlantı maliyetleri dahil edildikten sonra yeni bir teknolojinin verimlilik kazanımlarının hala geçerli olup olmadığını doğrulamak önemlidir.

Sonuç

Termal enerji, yakıt, yanma odası, termal çevrim, türbin, jeneratör, baca gazı arıtma, soğutma ve şebeke operasyonlarını entegre bir bütün olarak tasarlayan bir teknolojidir. Sadece verimlilik açısından, daha yüksek sıcaklık ve kombine çevrim konfigürasyonlarına geçmek avantaj sağlar - ancak malzeme ömrü, başlatma-durdurma döngüsü, yakıt tedariği, CO₂/NOx, soğutma suyu ve yerel çevre koşulları aynı anda onu kısıtlar.

Ekipman veya araştırmayı değerlendirirken şunları kontrol etmek yardımcı olur: (1) hangi çevrim ve hangi sıcaklık ve basınçta; (2) çıkış verimliliği ve kısmi yük performansı; (3) çıktıyı değiştirmek kaç dakika sürer ve bu kaç yıllık ömür tüketir; ve (4) yakıt üretimi, taşıma, baca gazı arıtma ve CCS'nin tümü dahil edildikten sonra emisyonların nasıl göründüğü.

Referanslar

• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı — Termik Santraller ve Enerji Üretim Karışımı (Japonca)
• IEA — Gaz ve Kömür
• IEA — Karbon Yakalama, Kullanım ve Depolama
• ASME — Güç ve Enerji
• [GE Vernova — Gaz Enerjisi
• Mitsubishi Heavy Industries — Enerji

8. Isı dengesi ve net çıkış

9. Rankine çevriminde entalpi muhasebesi

10. Kojenerasyon ve verimliliğin üst sınırı

11. Gaz türbini işi ve kombine çevrimler

12. Malzemeler ve termal gerilim

13. Emisyon yoğunluğu ve CCS

14. Çalışılmış 30 MW'lık bir örnek

15. Japonya'nın birincil kaynakları

• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı, 2025 enerji beyaz kağıdı
• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı, enerji üretim karışımı
• JERA termik enerji geçişi
• NEDO hidrojen ve amonyak
• NEDO termik enerji raporu
• MHI termik enerji incelemesi
• NETL kombine çevrim metodolojisi

16. Gözden Geçirme Kontrol Listesi

İki termik üniteyi karşılaştırmadan önce ısı değeri esasını, brüt ve net çıkışı, kısmi yük davranışını, rampa hızını, başlatma ömrü tüketimini, yakıt tedarikini, soğutma suyu kısıtlamalarını ve yaşam döngüsü emisyonlarını kontrol edin.

17. Yardımcı güç ve soğutma kayıpları

18. Isı geri kazanımı ve buhar koşulları

19. Yanma kontrolü ve NOx

20. Esnek işletme ve bakım

21. Yakıt yaşam döngüsü sınırları

22. Güvenlik ve izleme

23. Karşılaştırmanın kapsamı

Tutarlı bir gösterim çapraz kontrolü için, Japonca baskı ayrıca \eta=W_{net}/Q_{in} , P_{gross} , \dot Q_{condenser} , \dot Q_{stack} kullanmaktadır. P_{aux} , \dot m_f , H , h , w_p\simeq v(P_2-P_1) , T_H , T_L , \eta_g , \eta_s , \eta_g=0.40 , \eta_s=0.35 , \eta_{CC}=0.61 , \Delta T , E , \alpha , \nu , EF_{fuel} , NH_3 , N_2O , ve r .

Japonca baskıda kullanılan ek kaynaklar düşük karbonlu yakıtlar ve enerji için CCUS'dir.

SVG ad alanı W3C SVG'yi takip eder ve diyagram işaretlemesiyle eşleşmesi için burada tekrarlanır: W3C SVG.