Sähköntuotantoon osallistuvien pienen kokoluokan kaasuturbiinien säätö
Salminen, Taina (2017)
Kandidaatintyö
Salminen, Taina
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201702031454
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201702031454
Tiivistelmä
Tämä kandidaatintyö on kirjallisuustyö pienen kokoluokan kaasuturbiinien säädöstä. Työ käsittelee kaasuturbiineja teholuokassa 250 kW-1 MW sekä yksi että moniakselisilla kytkennöillä. Työn tavoitteena on selvittää lukijalle millaisia kaasuturbiinit ovat rakenteeltaan sekä termodynaaminen teoria. Lisäksi työssä käsitellään kaasuturbiinien komponenttien toimintaa kuvaavia käyrästöjä, joihin säätö perustuu termodynaamisen teorian lisäksi. Lopuksi työssä käsitellään Kaasuturbiinin säätöön vaikuttavia tekijöitä ja niiden aiheuttamia rajoitteita kaasuturbiinin säädettävyyteen. Kaasuturbiini on lämpövoimakone, jolla voidaan tuottaa lämpöä sekä sähköä. Kaasuturbiini perustuu Brayton-prosessiin ja sisältää yhden tai useamman kompressorin ja turbiinin sekä polttokammion. Työaineena käytetään ilmaa, joka puristetaan kompressorissa määrättyyn paineeseen. Ilmaan sekoitetaan polttoainetta ja seosta poltetaan korkeassa lämpötilassa polttokammiossa. Syntyneet savukaasut johdetaan turbiiniin, jossa ne paisuvat ja näin tekevät työtä pyörittäen turbiinin akselia. Turbiinin akseli käyttää yksinkertaisella rakenteella sekä kompressoria että kuormaa. Sähköntuotannossa kuormana toimii generaattori. Turbiinista poistuvat savukaasut ovat yleensä hyvin kuumia, mikä tekee hukkalämmön talteenoton kannattavaksi vaihtoehdoksi. Kaasuturbiineja on säädön näkökulmasta kahta tyyppiä, turbiineja joiden pyörimisnopeutta voi säätää eli muuttuva pyörimisnopeuksellisia sekä turbiineja, jotka pyörivät vakiopyörimisnopeudella. Käytettäessä vakiopyörimisnopeuksellisia kaasuturbiineja, säätö on mahdollista tehdä vain polttokammiosta poistuvan savukaasun lämpötilaa laskemalla sekä massavirran säätelyllä. Koska turbiinin sisääntulolämpötilalla on merkittävä vaikutus prosessin termiseen hyötysuhteeseen, lämpötilalla säätäminen heikentää hyötysuhdetta nopeasti kaasuturbiinin toimiessa suunnittelupisteensä ulkopuolella. Pyörimisnopeuden säätö on mahdollista taajuusmuuttajalla. Käytettäessä pyörimisnopeussäätöä voidaan akselin tai akseleiden pyörimisnopeutta laskea, jolloin komponenttien toimintapisteet poikkeavat suunnittelupisteestä lämpötilalla säätämistä vähemmän. Pyörimisnopeudella säädettäessä kaasuturbiinin hyötysuhde pysyy lähempänä parasta hyötysuhdettaan ajettaessa osakuormalla. Moniakselisilla kaasuturbiineilla hyötysuhteen heikkeneminen on hitaampaa kuin yhdellä akselilla, sillä tehon alennusta ei tarvitse tehdä kokonaan yhdellä akselilla.