Kaasuturbiinin suorituskyvyn optimointi tarkalla kosteusmittauksella

Kaasuturbiinien käyttäjille on tärkeää varmistaa, että kaasuturbiinit toimivat mahdollisimman tehokkaasti. Nykyisessä talouden ilmapiirissä kaikki tuottavuutta ja siten tuottoja kasvattavat toimet ovat tervetulleita. Ympäristön kannalta on myös tärkeää, että turbiinit käyvät mahdollisimmat tehokkaasti – ja tuottavat mahdollisimman vähän päästöjä. Onneksi on monia tapoja parantaa kaasuturbiinin tuotantoa. Polttokammioon tulevan ilman kosteuden ja lämpötilan valvonta on yksi tärkeimmistä asioista, koska sillä on suora vaikutus turbiinin tehokkuuteen, päästöihin ja toiminnan luotettavuuteen.

Viileämpi ja tiheämpi ilma lisää tehon tuottoa ja parantaa tehokkuutta

Ilman tiheyden vaikutus kaasuturbiinin tehokkuuteen tunnetaan hyvin: tiheämpi tuloilma kasvattaa massavirtaa, mikä puolestaan johtaa parempaan turbiinin tehon tuottoa ja tehokkuuteen. Ilman tiheys on kääntäen verrannollinen lämpötilaan, joten lämpötilan nousu vähentää ilman tiheyttä ja samalla heikentää kaasuturbiinin tehokkuutta ja tehon tuottoa.

Tuloilman jäähdytys on varsinkin lämpimissä ympäristöissä yleinen tapa kompensoida ilman korkean lämpötilan aiheuttamaa tehokkuushäviötä. Pienikin ilman lämpötilan lasku voi parantaa tehon tuottoa merkittävästi.

1 °C:n lasku ilman lämpötilassa voi kasvattaa tehon tuottoa jopa 0,5 %.

Tuloilman viilennykseen käytetään useita tekniikoita. Yleinen ratkaisu on sumutin – järjestelmä, joka suihkuttaa ilmavirtaan vettä suuttimien kautta ja aiheuttaa ilman viilenemisen, kun vesipisarat haihtuvat. Toinen hyöty sumutuksesta on, että ilman kosteuden lisääntyminen vähentää paloprosessissa syntyviä NOx-päästöjä. Lämpimissä olosuhteissa tuloilman jäähdytys on siis tärkeää, mutta kylmemmässä ilmastossa kosteus voi olla kriittinen tekijä jään muodostuksen välttämisessä. Jos kostea ilma on lähellä jäätymispistettä, tarvitaan jäätymisenestojärjestelmiä suojaamaan kompressoria vaurioilta, joita nopeasti liikkuvat jäähiukkaset aiheuttaisivat.

Optimaalista hallintaa varten tarvitaan tarkat kosteustiedot

Ilmanottojärjestelmän ilman suuren nopeuden vuoksi vesipisaroiden ja jäähiukkasten pääsy kompressoriin ja turbiiniin on estettävä kalliiden vaurioiden ja kulumisen välttämiseksi. Käytännössä tämä tarkoittaa, että ilman kosteus on pidettävä kylläisyystason alapuolella. Toisin sanoen kondensaation välttämiseksi järjestelmään tulevan ilman kastepisteen on oltava järjestelmän ilman ja pintojen lämpötilojen alapuolella. Ohjausjärjestelmässä on oltava turvamarginaali, joka kattaa mittauksen epävarmuustekijät sekä mitattavan ilman ominaisuuksien vaihtelut ja epäsäännöllisyydet. Kuitenkin mitä suuremmat marginaalit tarvitaan mittauksen epävarmuustekijöiden vuoksi, sitä enemmän tehokkuuspotentiaalia menetetään. Tämän vuoksi luotettavasta mittauksesta on todella paljon hyötyä. Tarkan kastepisteen mittauksen ansiosta jäähdytys, sumutus ja jopa lämmitys voidaan suorittaa mahdollisimman lähelle järjestelmän kondensaatio- tai jäätymisrajaa.

Eri tavat ilmaista kosteutta

Kosteutta ilmaistaan sovelluksen mukaan eri tavoilla. Näitä ovat esimerkiksi suhteellinen kosteus, kastepiste ja märkälämpötila.

Suhteellinen kosteus (RH) on vesihöyryn osapaineen suhde sen kyllästymispaineeseen tietyssä lämpötilassa. Suhteellinen kosteus ilmaistaan prosenttiarvona, ja sitä käytetään yleensä ympäröivän ilman kosteuden kuvaamiseen. Suhteellisen kosteuden käytön haittapuolena on, että se on voimakkaasti riippuvainen lämpötilasta. Jos RH on esimerkiksi 85 % ja lämpötila on 20 °C, vain 2 °C:n lasku ilman lämpötilassa nostaa RH-arvon 96 prosenttiin. Jos suhteellista kosteutta käytetään turbiinin tuloilman kosteuden mittauksessa, tämä riippuvuus on otettava huomioon, koska ilman lämpötila muuttuu ilmanottojärjestelmässä ilman jäähdytystä tai lämmitystäkin. Päävaikutus on jäähtyminen ilman kompressorin suussa tapahtuvan ilman nopeuden kiihtymisen vuoksi. Lämpötila voi laskea siksi useita celsiusasteita. Tämän jäähdytysvaikutuksen vuoksi on olemassa jään muodostumisen riski silloinkin, kun ympäristön lämpötila on yli 0 °C.

Kastepiste (Td) on lämpötila, jossa ilma vakiopaineessa jäähdytettynä tulee täysin kylläiseksi vesihöyrystä, niin että tuloksena on nestemäisen veden eli kondensaation muodostuminen. Kun suhteellinen kosteus on 100 %, ympäristön lämpötila on sama kuin kastepiste, mutta kun kastepiste on alempi kuin ympäristön lämpötila, ilmasta tulee kuivempaa, ja näin ollen kondensaation muodostumisen riski on pienempi. Kaksi kastepisteen käytön päähyötyä ovat, että se ei ole lämpötilariippuvainen ja että siitä näkee suoraan erotuksen olosuhteisiin, joissa muodostuu kondensaatiota.

Märkälämpötila (Tw) on lämpötila, jonka kosteaan kankaaseen kääritty lämpömittari ilmoittaa. Märkälämpötilan ja ympäristön lämpötilan avulla voi laskea suhteellisen kosteuden tai kastepisteen. Märkälämpötila on perinteinen tapa määrittää kosteus, mutta suorat mittaukset ovat pääosin korvanneet sen, koska menetelmän mittaustarkkuus on rajallinen ja sen käyttö ja ylläpito vaatii tiettyä osaamista. Kaikki edellä mainitut kosteusparametrit ovat riippuvaisia paineesta, mutta ilmanottosovelluksissa paineen laskut ovat yleensä niin pieniä, ettei niillä ole merkittävää vaikutusta. Esimerkiksi lämpötilassa 20 °C ja paineessa 1 013 mbar paineen lasku 20 mbar:lla aiheuttaa 1,7 %:n suhteellisen kosteuden laskun tai 0,3 °C:n kastepisteen laskun.

Tarkkuuteen vaikuttavat tekijät

Kosteusmittauksen tarkkuuteen vaikuttavia tekijöitä on useita, ja perusanturiteknologia on niistä ilmeisin. Ohutkalvopolymeerianturien on kuitenkin todettu täyttävän tärkeimmät vaatimukset tuloilman valvonnassa: tarkkuus, kestävyys, pitkäaikainen stabiilius ja vähäinen huoltotarve. Koska ilmanoton ilma voi olla hyvin lähellä kyllääntymispistettä ja saattaa jopa muodostaa kondensaatiota, anturin tarkkuuden on säilyttävä näissäkin olosuhteissa. Yksi kosteusanturin haaste kondensoivassa ilmassa on, että jos anturi kastuu, mittaukset osoittavat kyllääntyneitä olosuhteita niin kauan, kunnes anturi kuivuu – vaikka ilma itse ei olisikaan enää kyllääntynyt. Tämän ongelman ratkaisemiseksi Vaisala on kehittänyt patentoidun lämmitetyn mittapään teknologian. Sillä varmistetaan, että mittapään lämpötila pysyy ympäröivän ilman lämpötilaa korkeampana, jotta vältetään kondensaatio itse anturiin. Järjestelmän ja tarkan asennuskohdan mukaan myös suorat vesiroiskeet voivat kastella kosteusanturin. Tämän estämiseksi on saatavilla erityisiä asennustarvikkeita.

Voimaloissa ja saastepitoisissa ympäristöissä tuloilma voi sisältää epäpuhtauksia, jotka voivat vaikuttaa anturin tarkkuuteen pitkällä aikavälillä. Tämän haasteen ratkaisemiseksi kehittyneisiin antureihin voi konfiguroida kemiallisen puhdistustoiminnon, joka puhdistaa anturielementin automaattisesti haihduttamalla mahdolliset epäpuhtaudet.