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通过精确的湿度测量优化燃气轮机性能

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确保燃气轮机以最高效率运行是运营商的首要目标。在当前经济形势下,任何能够提高生产率、进而提高利润的措施显然都是受欢迎的。从环境角度来看,使汽轮机尽可能高效地运行且产生的排放物尽可能少也很重要。幸运的是,有多种方法可提高燃气轮机的输出功率。控制进入燃烧入口的空气的湿度和温度是最重要措施之一,因为它直接影响汽轮机的效率、排放和运行可靠性。

更冷、更浓的空气可提高输出和效率

就燃气轮机效率而言,空气密度的影响是众所周知的:更密集的进气增加了质量流速,因此提高了汽轮机的输出和效率。空气密度与温度成反比,这意味着温度升高会降低空气密度,因此降低燃气轮机的效率和功率。

进气冷却(特别是在温暖和炎热的环境中)通常用于补偿由于空气温度高而造成的效率损失。即使空气温度有些许降低,也会导致功率输出显著提高。

空气温度每降低 1°C,输出功率可提高多达 0.5%。


有几种技术可用于冷却进气。一种常见的解决方案是喷雾器,该系统通过喷嘴将水喷到气流中,从而随着水滴的蒸发使空气冷却。雾化的第二个好处是,空气湿度的增加减少了燃烧过程中产生的 NOx 排放。除了在温暖或炎热的条件下冷却进气外,湿度也是避免在寒冷气候下结冰的一个关键因素。如果湿空气接近结冰,则需要防冰系统以保护压缩机免受快速移动的冰粒所造成的损害。

要实现最佳的控制,需要准确的湿度信息

鉴于进气系统内空气的高速流动,必须防止水滴和冰粒进入压缩机和汽轮机,以免造成代价高昂的损坏和腐蚀。实际上,这意味着空气湿度需要保持在饱和水平以下。换句话说,为了避免冷凝,进入系统的空气的露点温度必须低于系统中的空气和表面温度。控制系统必须具有安全裕度,以考虑测量不确定性以及所测量空气特性的波动和不规则性。但是,由于测量不确定性而需要的裕量越宽,损失的效率潜能就越大。这是高水平的测量可靠性真正发挥作用的地方。准确地测量露点可以使冷却和起雾(或甚至加热)尽可能地接近系统内的冷凝或结冰极限。

表示湿度的不同方法

湿度根据应用场合使用不同的术语来表示,包括但不限于相对湿度、露点温度和湿球温度。

相对湿度 (RH) 是水蒸气在特定温度下的分压与其饱和压力之比。RH 以百分比表示,通常用于描述环境空气湿度。使用 RH 的缺点是它在很大程度上取决于温度。例如,如果 RH 为 85%,温度为 20°C,则空气温度仅降低 2°C,RH 就变为 96%。如果使用 RH 来测量汽轮机进气口中的空气湿度,则必须牢记这种相关性,因为即使没有冷却或加热,进气口系统中的空气温度也会发生变化。主要效果是由于压缩机钟形口处空气的加速而导致冷却,这可能导致温度下降若干摄氏度。由于这种冷却效果,即使环境温度高于 0°C,仍然存在结冰的风险。

露点温度 (Td) 是指空气在恒定压力下冷却时,空气由于水蒸汽变得完全饱和而导致形成液态水(称为冷凝)的温度。在 RH 为 100% 时,环境温度与露点温度相同,但当露点温度低于环境温度时,空气变得更干燥,因此形成冷凝的风险较小。使用 Td 的两个主要好处是,它与温度无关,并且它直接为冷凝条件提供余量。

湿球温度 (Tw) 是用包裹在湿护套中的温度计指示的温度。湿球温度和环境温度可用于计算相对湿度或露点。Tw 是用于确定湿度的传统方法,但由于准确度有限且该方法需要一定的使用和维护技能,因此在很大程度上已被直接测量所取代。以上所有湿度参数均与压力有关,但对于进气应用,典型的压力降非常小,以至于不会产生明显的影响。例如,在 20°C 和 1013 mbar 下,压力降低 20 mbar 导致 RH 降低 1.7% 或 Td 降低 0.3°C。

影响准确度的因素

影响湿度测量准确度的因素有很多,其中最明显的一个因素是基本传感技术。然而,薄膜聚合物传感器已被证明可以满足进气监测中最关键的需求:准确度、坚固性、长期稳定性和低维护要求。由于进气口中的空气可能非常接近饱和,甚至可能形成冷凝,因此即使在这些条件下,传感器也必须保持准确度。湿度传感器在冷凝空气中的一个挑战是,如果传感器变湿,则测量将持续显示饱和状态,直到传感器变干 - 即使空气本身不再饱和也是如此。为了解决这个问题,维萨拉开发了获得专利的加热探头技术。这可确保探头的温度保持在周围空气温度以上,以避免在传感器本身上出现冷凝。根据系统和确切的安装位置,直接的溅水也可能会弄湿湿度传感器。可使用专用安装附件来防止发生这种情况发生。

在发电厂和受污染的环境中,进气中可能包含污染物,这会影响传感器的长期准确度。为了应对这一挑战,可以为先进的传感器配置化学清除功能,该功能通过蒸发可能的污染物来自动清洁传感器元件。

 

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