Turbina klasy H firmy Siemens, największa tego typu maszyna dostępna na rynku, przekroczyła ostatnio psychologiczną barierę 60% skuteczności przy trybie pracy kogeneracyjnym ? CC. Działania zmierzające do zwiększenia efektywności turbin spalinowych podejmują praktycznie wszystkie firmy branżowe, modyfikując algorytmy ich sterowania czy wprowadzając nowe rozwiązania konstrukcyjne, coraz powszechniej wykorzystujące odnawialne źródła energii.
Początkowo było to tylko fenomenalne osiągnięcie ? wysoka wydajność procesu cieplnego turbiny spalinowej, która przyciągnęła uwagę potencjalnych klientów. Ostatnia udoskonalona generacja tych maszyn cechuje się również bardzo wysoką elastycznością pracy przy zróżnicowanych obciążeniach ? równieżjako element tzw. systemów kogeneracyjnych ? co znacznie poszerza obszar ich zastosowań. Współczesne systemy kogeneracyjne oprócz turbin spalinowych integrują zwykle turbiny parowe, klasyczne generatory, generatory odzysku ciepła z pary, wraz z niezbędną do ich zarządzania i monitoringu infrastrukturą systemową. Właśnie umiejętne sterowanie układami turbin to klucz do sukcesu w optymalizacji ich funkcjonowania i poprawie skuteczności energetycznej.
Elektrownie działające w trybie kogeneracji są doskonałym elementem systemu energetycznego, pozwalającym na szybkie reagowanie na zmienne zapotrzebowanie energetyczne w dużych systemach energetycznych, zrównoważenie wszelkich odchyleń parametrycznych, wynikających między innymi z coraz częściej dołączanych do systemu lokalnych źródeł odnawialnych, rozproszonych. Występujące losowo zmiany pogodowe, wpływają na funkcjonowanie popularnych turbin wiatrowych i paneli fotowoltaicznych, wywołując zróżnicowanie poziomów energii dostępnej w systemie elektroenergetycznym, utrudniające utrzymanie jego równowagi. Z pomocą mogą tu przyjść właśnie elektrownie kogeneracyjne.
Od jakiegoś czasu działania rozwojowe grup technologów branży turbin spalinowych skupiały się na przełamaniu psychologicznej bariery 60% cieplnej skuteczności tych maszyn. Wreszcie udało się i praktycznie wszyscy znaczący na rynku producenci ? Alstom, GE, Mitsubishi Heavy Industries i Siemens, mają już w swojej ofercie turbiny o wydajności ponad 60%, osiąganej jednak tylko w układach kogeneracyjnych. Trzeba jednak wiedzieć, że urządzeniem, które pokonało tę granicę jako pierwsze, jest turbina firmy Siemens klasy H ? SGT5-8000 H, o mocy wyjściowej 578 MW, uruchomiona w maju bieżącego roku. W ofercie komercyjnej turbina pojawiła się oficjalnie w lipcu 2011. Urządzenia te w znacznym stopniu przyczyniają się do poprawy wydajności układów generowania energii elektrycznej, przy czym w najbliższym czasie ich liczba i różnorodność typów powinna się powiększyć.
Elastyczność funkcjonalna
Jeżeli weźmie się pod uwagę, że w aplikacjach turbin nawet niewielki, liczony w dziesiątych częściach procenta, przyrost skuteczności działania tych urządzeń pozwala na osiągnięcie bardzo dużych oszczędności związanych z ich eksploatacją, nie dziwi zapewne równie istotne znaczenie ich funkcjonalnej elastyczności i możliwości współpracy z systemami energetycznymi o zmiennej obciążalności, nie tylko w tzw. godzinach szczytu. Firma Siemens, wprowadzając na rynek swoją nową turbinę, zaprezentowała jej możliwości w tym zakresie w postaci efektywnego działania przy standardowym, podwyższonym i wysokim poziomie obciążenia ? poboru mocy. ? Stabilna praca turbiny była badana, poczynając od niskiego obciążenia ok. 100 MW, stanowiącego ok. 20% obciążenia znamionowego, podwyższanego następnie do poziomów krytycznych w tempie 35 MW/min ? wyjaśnia Lothar Balling, kierownik działu produkcji turbin generatorów w firmie Siemens. ? Klasyczne układy generacji, oparte na elektrowniach atomowych i węglowych, nie są w stanie odpowiednio reagować na zmiany obciążeń w systemie, przy braku w takim systemie elektroenergetycznym dodatkowych zasobników energii. Zadaniu temu mogą sprostać tylko nowoczesne układy kogeneracyjne ? dodaje.
? Możliwości szybkiego uruchomienia turbin i dynamicznego reagowania na zmiany zapotrzebowania w systemie, charakteryzujące turbiny spalinowe klasy 8000H, zostały zweryfikowane i potwierdzone ? stwierdza dr Michael Suess, dyrektor sekcji energetycznej firmy Siemens. Podkreśla on równieżinne zalety najnowszego produktu. Dodanie do jednostki generacyjnej kolejnej turbiny pozwala bowiem na uzyskanie mocy wyjściowych rzędu 1100 ? 1200 MW i w ten sposób zastąpienie w systemie klasycznych bloków energetycznych przez źródła o większej wydajności i zasilane nowym rodzajem paliwa.
Jak podkreślają specjaliści z firmy Siemens, uzyskanie opisanych wcześniej parametrów pracy turbin będzie również możliwe dla układów generacji instalowanych w Stanach Zjednoczonych, przy częstotliwości sieci 60 Hz. Obecnie w trakcie realizacji są dwa zamówienia na omawiane tu turbiny właśnie z rynku amerykańskiego, a przewidziane terminy dostaw maszyn to rok 2012.
Według szacunków i doświadczeń firmy Alstom Power większość użytkowników i klientów branży turbin spalinowych sygnalizuje, że będzie używać tych urządzeń okresowo. ? Rynek energetyczny i systemy elektroenergetyczne podlegają obecnie sporym zmianom, wynikającym z coraz powszechniejszego zastosowania odnawialnych źródeł energii ? wytwarzających energię okresowo i lokalnie ? zaznacza Mark Coxon, wiceprezes oddziału Alstom Gas. ? Dlatego też od elektrowni kogeneracyjnych oczekuje się możliwości działania w bardzo szerokim spektrum dostępnych reżimów pracy, wraz z opcją szybkiego uruchomienia, tak by szybko niwelować powstające w systemie rozchwiania i niedobory mocy ? dodaje. Wymóg taki spełnia chociażby zaprezentowany przez Alstom w czerwcu 2011 system kogeneracyjny nowej generacji KA26, oparty na zmodernizowanej technologicznie turbinie GT26 (50 Hz). Dysponuje on mocą wyjściową powyżej 500 MW, przy wskaźniku skuteczności 61+%, przy kogeneracji. ? Obecnie w projektach najnowszych turbin szczególnego znaczenia nabierają dwa czynniki: skuteczność przy niepełnych obciążeniach (nie tylko przy obciążeniu znamionowym) oraz szybkość osiągnięcia żądanego poziomu mocy (współczynnik RAMP) ? podkreśla Mark Coxon. W większości aplikacji największą uwagę zwraca się na pierwszy z nich ? skuteczność przy obciążeniach nieznamionowych.
? W przypadku wspomnianego systemu KA26 skuteczność pozostaje na stałym poziomie przy zmniejszeniu obciążenia do ok. 80% nominalnego, a w systemie kogeneracyjnym ma ona wartość zadowalającą nawet przy redukcji obciążenia do ok. 20%. Praca turbiny przy tak niskim poziomie obciążenia daje możliwość utrzymywania jej w gotowości i szybszej reakcji dojścia do parametrów nominalnych w przypadku pojawienia się w systemie okresowych wzrostów obciążeń. Nowy system KA26 może przejść ze stanu minimalnego obciążenia do wytwarzania mocy wyjściowej na poziomie 350 MW w mniej niż 15 min. Natomiast proces całkowitego uruchomienia zatrzymanej turbiny do parametrów znamionowych to kwestia ok. 30 min ? kontynuuje prezes Coxon.
Turbina spalinowa GT26 łączy w sobie dwie technologie: sekwencyjnego spalania ? nowa metoda opracowana przez inżynierów Alstom ? oraz optymalnego, zmiennego układu łopatek wirników, pozwalająca na optymalne wykorzystanie ciśnienia i ciepła powstającego w turbinie, przy minimalizacji start i niskiej emisji spalin. Ponadto zaaplikowano w niej dwa w pełni sterowalne tryby pracy. Pierwszy tryb maksymalizacji osiągów ustawia najwyższy poziom spalania i wykorzystania wysokiej temperatury spalin w celu uzyskania maksymalnej mocy wyjściowej. Tryb drugi wydłużenia żywotności obniża szybkość spalania i temperaturę spalin, wydłużając o około 30% okresy pomiędzy niezbędnymi przeglądami i pracami serwisowymi (dane firmy Alstom). To wszystko przy stosunkowo małym spadku wydajności i osiągów całego układu generacyjnego.
Ku temperaturze 1700°C
W lutym 2011 grupa Mitsubishi Heavy Industries Ltd. (MHI) rozpoczęła prace testowe turbiny spalinowej serii J (M501J), zainstalowanej w jednym z zakładów w systemie kogeneracji. Dysponuje ona mocą 460 MW, przy częstotliwości 60 Hz i pracy w układzie kogeneracyjnym. Jak podają eksperci MHI, w dwuletnim okresie funkcjonowania turbina ta osiąga skuteczność w okolicach 60%, przy temperaturze wlotowej 1600°C. To poziom o 100°C wyższy od turbin poprzedniej generacji (seria G), prawdziwych ?koni pociągowych? z możliwością osiągnięcia okresów żywotności po 700 000 godzin. Turbiny z coraz wyższą temperaturą wlotową są aktualnie przedmiotem badań i prac rozwojowych w firmie MHI, która bierze udział w ogólnojapońskim programie opracowania technologii niezbędnych do komercyjnego wdrożenia nowej klasy turbin z temperaturą wlotową na poziomie 1700°C. Opracowane w ramach tego projektu technologie i rozwiązania będą w pierwszym rzędzie aplikowane jako modyfikacje do turbin serii J.
Przyczyna, dla której dąży się do podniesienia temperatury wlotowej turbin spalinowych, jest prosta ? zwiększenie termicznej skuteczności tych maszyn. Trzeba jednak pamiętać, że wzrost temperatury to również narażenie na jej oddziaływanie niektórych elementów turbiny, a co za tym idzie konieczność doboru nowych, odpornych materiałów i przeprojektowania konstrukcyjnego maszyny. Dlatego też większość dotychczasowych rozwiązań konstrukcyjnych jest opracowywana przy założeniu temperatur wlotowych na poziomie ok. 1500°C. Pierwsze dostawy komercyjne nowych turbin grupy MHI spodziewane są w roku 2011 dla zakładów w Japonii. W kolejnych latach przewiduje się również opracowanie serii dla częstotliwości 50 Hz (M701J), które powinny pojawić się na rynku w roku 2014.
Coraz większa skuteczność?
Producenci turbin spalinowych z pewnością będą wciąż pracować nad ich rozwojem i możliwością uzyskania jeszcze wyższych wskaźników skuteczności termicznej, jednak jak już wspomniano, nie jest to sprawa prosta do realizacji, ze względu na piętrzące się trudności konstrukcyjne i doboru materiałów. ? Powoli zbliżamy się już do ostatecznych granic możliwej do uzyskania w takich maszynach skuteczności, jednak pewne możliwości jej poprawy wciąż istnieją i są przed nami ? przyznaje Willibald Fischer z działu energetyki firmy Siemens. Obserwując sytuację w branży i pojawiające się nowe rozwiązania techniczne, przewiduje on możliwość osiągnięcia poziomu skuteczności rzędu 61,5% około roku 2015.
Z kolei eksperci grupy MHI spodziewają się, że w turbinach z temperaturą wlotową 1700 °C możliwe będzie uzyskanie skuteczności na poziomie 62% do 65%, w układach z kogeneracją. Jeszcze większe zyski mogą być udziałem elektrowni hybrydowych z kogeneracją, ponieważ dla nich skuteczność oblicza się wg innych algorytmów i równań energetycznych.
Turbina 50 Hz 9FB firmy General Electric to przykład kolejnego, modernizowanego wciąż rozwiązania, które weszło w skład projektu systemowego firmy ? FlexEfficiency 50, bazującego na kogeneracji i integracji technologii generacji energii. Firma GE chce uzyskać skuteczność układów turbin powyżej 61%, przy mocach wyjściowych rzędu 510 MW. Nie zapomniano również o pracy turbin przy niepełnym obciążeniu, z docelowym wynikiem uzyskania skuteczności rzędu 60% przy obciążeniu na poziomie 40% znamionowego. Podobno maszyny działające w systemie FlexEfficiency 50 mogą osiągnąć znamionową moc wyjściową po ok. 1 godzinie od tzw. startu zimnego, osiągając współczynnik dynamiki zmian mocy na wyjściu RAMP = 50 MW/min. Aktualne działania inżynierów GE skupiają się na rozwoju serii F turbin spalinowych. Wcześniej opracowano klasę H z systemem kogeneracji ? obecnie instalowaną i funkcjonującą w kilku elektrowniach Wielkiej Brytanii, USA i Japonii.
Paliwo + wiatr + słońce
Na początku niniejszego artykułu wspomniano o idei wykorzystania układów kogeneracyjnych jako elementu pozwalającego na równoważenie zmian obciążeń w systemie elektroenergetycznym, powstających między innymi na skutek okresowego generowania energii z różnego typu źródeł odnawialnych. Jednak współczesne zespoły turbinowe potrafią znacznie więcej ? mogą stać się podstawą do rozwoju hybrydowych systemów zasilania, integrujących właśnie źródła odnawialne, przyczyniające się do wzrostu ogólnego wskaźnika skuteczności.
Takie działanie i rozwój technologiczny zostały ogłoszone w czerwcu 2011 między innymi przez koncern GE, przy okazji wyboru jego technologii kogeneracyjnej FlexEfficiency przez turecką firmę MetCap Energy Investments, organizującą w Turcji budowę nowoczesnego kompleksu energetycznego, integrującego właśnie technologie źródeł odnawialnych, wiatrowych i słonecznych, odpowiednio o mocach 22 MW (turbiny wiatrowe) i 50 MW (solarna wieża koncentracyjna). Kompleks ten zlokalizowany w mieście Karaman będzie pierwszym obiektem na świecie, dysponującym mocą wyjściową na poziomie 530 MW, przy planowanym wskaźniku skuteczności 69%. W sekcji kogeneracji zainstalowana będzie najnowsza turbina9FB firmy GE. Sterowanie i monitoring całego zintegrowanego systemu generacji zostanie powierzony platformie GE Mark VIe, oferowanej przez firmę GE. Komercyjne oddanie całego systemu planowane jest na rok 2015.
Część związana z generowaniem energii ze słońca, bazujący na tzw. wieży koncentracyjnej, zostanie dostarczony i zrealizowany przez firmę eSolar, specjalistę tej branży. Obsługa tej technologii zostanie włączona do zintegrowanej platformy całej elektrowni przez firmę GE, zgodnie z umowami inwestycyjnymi i licencyjnymi. Technologia eSolar korzysta z małych, płaskich luster, czujników i układu sterowania ich ruchem, tak by dokładnie podążać za aktualną pozycją słońca na niebie i koncentrować energię jego promieni na odbiornikach umieszczonych na wieży, przetwarzających wodę na parę wodną. Para ta przesyłana jest do układu zasilania turbin w systemie kogeneracyjnym, wytwarzając dodatkową energię, bez udziału paliwa zewnętrznego.
Taka hybrydowa technologia generowania energii wymaga jeszcze analiz technicznych i ekonomicznych, które ewentualnie wskazałyby na sensowność jej stosowania. Nie zmienia to jednak faktu, że rozwój technologii kogeneracji i wysoko wydajnych turbin spalinowych sprzyja i sprzyjać będzie poprawie ogólnej funkcjonalności elektrowni zarówno konwencjonalnych, jak i kogeneracyjnych i hybrydowych.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza z AGH Kraków
CE