Наземные газовые турбины бывают двух типов: (1) двигатели с тяжелой рамой и (2) авиационные двигатели. Двигатели с тяжелой рамой характеризуются более низким коэффициентом давления (обычно ниже 20) и, как правило, имеют большие физические размеры. Степень сжатия – это отношение давления нагнетания компрессора к давлению воздуха на входе. Авиационные двигатели произошли от реактивных двигателей, как следует из названия, и работают при очень высокой степени сжатия (обычно более 30). Авиационные двигатели, как правило, очень компактны и полезны там, где требуется меньшая выходная мощность. Поскольку турбины с большой рамой имеют более высокую выходную мощность, они могут производить большее количество выбросов и должны быть спроектированы для достижения низкого уровня выбросов загрязняющих веществ, таких как NOx.

Одним из ключевых факторов эффективности отношения топлива к мощности турбины является температура, при которой она работает. Более высокие температуры обычно означают более высокую эффективность, что, в свою очередь, может привести к более экономичной работе. Газ, протекающий через турбину типичной электростанции, может иметь температуру до 2300 градусов по Фаренгейту, но некоторые из критических металлов в турбине могут выдерживать температуры только до 1500–1700 градусов по Фаренгейту. Следовательно, воздух из компрессора может использоваться для охлаждения. ключевые компоненты турбины, снижая предельную тепловую эффективность.

Одним из главных достижений программы Министерства энергетики США по созданию усовершенствованных турбин стало преодоление прежних ограничений по температуре турбины за счет сочетания инновационных технологий охлаждения и передовых материалов. Усовершенствованные турбины, появившиеся в результате исследовательской программы Департамента, смогли повысить температуру на входе в турбину до 2600 градусов по Фаренгейту, что почти на 300 градусов выше, чем в предыдущих турбинах, и достичь эффективности до 60 процентов.

Другим способом повышения эффективности является установка рекуператора или парогенератора-утилизатора (HRSG) для извлечения энергии из выхлопных газов турбины. Рекуператор улавливает отработанное тепло в выхлопной системе турбины для предварительного нагрева нагнетаемого компрессором воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Котел-утилизатор вырабатывает пар, улавливая тепло выхлопных газов турбины. Эти котлы также известны как парогенераторы-утилизаторы. Пар высокого давления из этих котлов можно использовать для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровых турбин, конфигурация которых называется комбинированным циклом.

Газовая турбина простого цикла может достигать эффективности преобразования энергии в диапазоне от 20 до 35 процентов. Благодаря более высоким температурам, достигнутым в программе турбин Министерства энергетики, будущие электростанции с комбинированным циклом, работающие на водороде и сингазе, вероятно, достигнут эффективности 60 процентов или более. Когда отработанное тепло улавливается из этих систем для отопления или промышленных целей, общая эффективность энергетического цикла может достигать 80 процентов.

Выявление основной причины образования лака

Окисление происходит в результате термического воздействия смазочного масла, а побочные продукты окисления могут привести к образованию лака в гидравлических системах управления и системах смазочного масла.

Рисунок 1а. Лак на валу

Доктор Акира Сасаки, консультант и бывший управляющий директор Kleentek Corporation, провел новаторское исследование основных причин образования нагара в масле для газовых турбин.

В частности, он исследовал фильтры гидравлического управления и смазочного масла газовой турбины, чтобы определить их роль в образовании нагара, а также причины возникновения искровых разрядов, возникающих в результате накопления статического заряда в системе. Исследование включало в себя проверку газовой турбины GE 9FA, на которой наблюдалось сильное лакокрасочное покрытие.

Рисунок 1б. Лакированный фильтр-карандаш

Хотя в исследовании рассматривалась газовая турбина, выводы относятся как к газовым, так и к паровым турбинным системам, а также к системам гидравлического управления и смазки.

Рис. 2. Искровой разряд в масляном резервуаре

Применение газовых турбин

Жесткость рабочей среды для газотурбинного масла увеличилась по мере разработки турбин для повышения эффективности и минимизации капитальных затрат. Это может привести к повышенным температурам воспламенения (следовательно, более высоким рабочим температурам масла) и использованию общего масляного резервуара, часто объединяющего масло подшипника турбины с управляющим маслом.

В некоторых случаях единственный масляный резервуар может также подавать герметик для сжатых газов (таких как водород) и подавать масло для гидростатической подъемной силы, когда турбина включена. Эти суровые условия эксплуатации, особенно высокая цикличность работы и высокие температуры, вызывают образование нагара.

Хотя паровые турбины и другие гидравлические устройства могут иметь менее жесткие условия эксплуатации, образование нагара остается проблемой.

Проблемы с турбиной, вызванные лаком

После окисления и выделения свободных радикалов в комбинированную форму лака эти липкие отложения прилипают к металлическим поверхностям масляного контура — трубопроводам, клапанам, теплообменникам, сетчатым фильтрам, фильтрам и другому чувствительному оборудованию.

В свою очередь, эта растущая пленка улавливает другие мелкие частицы на липкой поверхности, которая продолжает накапливаться вокруг частиц, образуя абразивную, разрушающую поверхность. Исследования показали, что отложения полимеризованных продуктов окисления масла способствуют износу прокладок и механических уплотнений.

Другие потенциальные проблемы, вызванные лаком в турбинных системах, включают:

• Ограничение и заедание движущихся механических частей, таких как сервоприводы или направляющие клапаны

• Повышенный износ компонентов из-за того, что лак притягивает грязь и твердые загрязняющие частицы

• Потеря теплопередачи в теплообменниках; повышенное трение, тепло и энергия из-за теплоизоляционного эффекта лака

• Автокаталитическая деградация смазки

• Заглушка малых отверстий подачи масла и масляных фильтров

• Снижение эффективности фильтра и возможное засорение фильтра

• Отказ опорного подшипника

• Увеличение затрат на техническое обслуживание из-за очистки и утилизации масла

Рисунок 3. Измеренные потенциалы нефти

Жара: коренная причина появления лака

Без эффективной системы удаления продуктов окисления масла уровень загрязнения масла лаком неизбежно будет расти, пока не превысит возможности ингибиторов, независимо от устойчивости пакета присадок к окислительной и термической стабильности.

Более высокая рабочая температура или повышенный уровень вредных катализаторов (таких как вода и металлы износа) ускоряют окисление масла и ставят под сомнение эффективность и долговечность пакетов антиоксидантных присадок.

При повышении рабочей температуры масла на каждые 10 °C (18 °F) скорость окисления масла удваивается (правило скорости Аррениуса). Тем не менее, окисление масла и, следовательно, образование лака не замедляются, как ожидалось, когда температура масла поддерживается ниже 60°C (140°F). Это связано с тем, что в масляном контуре существуют и другие причины локализованного интенсивного нагрева, помимо тепла, выделяемого в подшипниках турбины.

Одной из причин появления горячих точек в масле является микродизельное топливо, которое представляет собой схлопывание вовлеченных пузырьков воздуха, когда масло проходит через насос высокого давления в гидравлическом контуре. Это создает локальную температуру масла, превышающую 1000°C (более 1800°F), которая выделяет более чем достаточно тепла, чтобы вызвать окисление молекул масла.

Другой причиной появления горячих точек является генерация искровых разрядов. Переход в энергетической отрасли на синтетические и стеклянные фильтрующие материалы вызвал неожиданные побочные эффекты, вызванные сочетанием более узких размеров пор фильтра для удаления мелкого осадка с высокой пропускной способностью фильтра (скорость потока на единицу площади) для снижения капитальных затрат. В результате в масляной системе накапливается статический заряд.

Эти спонтанные разряды (длящиеся наносекунды) могут генерировать искры с температурой выше 10 000°C (более 18 000°F), что горячее, чем поверхность солнца.

Это интенсивное тепло, вызванное статическими разрядами, буквально нагревает масло, создавая фрагменты молекулы масла, которые истощают антиоксидантные присадки.

Хотя производители фильтров проводят исследования по смягчению эффекта статического заряда синтетических и стеклянных материалов, дополнительные исследования показали, что места в масляном контуре, где происходит контакт металла с металлом, также могут генерировать значительный статический заряд, который приводит к искровым разрядам.

Даже газовые турбины, приводящие в движение пиковые агрегаты с малым количеством часов работы, по-прежнему подвержены окислению масла и образованию нагара. Вращение турбин с поворотным механизмом от двух до четырех часов в неделю сводит к минимуму изгиб ротора, а постоянная циркуляция смазочного масла обеспечивает надежность и эксплуатационную готовность. К сожалению, вместе с этими преимуществами возникает нежелательный побочный эффект в виде дальнейшего окисления смазочного масла и лакирования.

Таблица 1. Кислотное число турбинного масла, мг КОН/г

Таблица 2. Влияние металлических катализаторов и воды на окисление масла

Искровой разряд в масляных фильтрах

Д-р Сасаки изучил потенциал напряжения, генерируемый потоком масла через различные фильтрующие материалы, используемые для фильтрации турбинного масла, наиболее распространенным из которых является композитный стеклянный материал с плотными порами. Электрически изолированная испытательная сборка, сконфигурированная для индикации образования заряда в фильтре при заземлении и незаземлении, использовалась для измерения потенциала напряжения, создаваемого в фильтре при различных скоростях потока.

Два наиболее поразительных наблюдения этого эксперимента (рис. 3) заключались в том, что масляный фильтр создает более высокий потенциал напряжения, когда он заземлен, чем когда он электрически изолирован, и что генерация этих высоких напряжений и результирующие искровые разряды могут происходить быстро и часто.

Доктор Сасаки постоянно обнаруживал потенциалы напряжения, превышающие 10 киловольт, и что величина потенциала напряжения, вызванного накоплением статического заряда, напрямую связана со скоростью потока через фильтрующий материал. Высокая скорость потока создает высокие напряжения, что приводит к более мощным и частым искровым разрядам, а низкая скорость потока приводит к более низким напряжениям.

В своем анализе фильтров гидравлического и смазочного масла на крупногабаритной газовой турбине GE 9FA д-р Сасаки заметил, что поток масла через эти два контура существенно различается по двум ключевым параметрам процесса:

• Скорость потока масла (поток на единицу площади фильтра) через фильтр смазочного масла значительно выше, чем в масляном фильтре гидравлического управления.

• Поток масла через масляный фильтр, защищающий подшипники турбины, является непрерывным, в то время как поток масла через масляный фильтр гидравлического управления нечастый (происходит только при регулировке устройства управления), что приводит к охлаждению масла в гидравлических линиях.

Значение этих несоизмеримых условий заключается в том, что фильтр смазочного масла с высоким потоком способствует частым искровым разрядам, образуя побочные продукты окисления масла, которые образуют лак.

Затем система гидравлических фильтров обеспечивает более прохладную и спокойную среду, в которой эти молекулы лака могут объединяться и создавать серьезные проблемы с загрязнением важнейших гидравлических устройств управления.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что искровые разряды в масле вызывают окисление и на величину этого окисления влияет частота искровых разрядов.

Исследования доктора Сасаки также включали изучение масла, которое подвергалось различному количеству искровых разрядов, а затем оставлялось на несколько месяцев в изоляции от света при комнатной температуре.

Его выводы показали наличие автокаталитического процесса, который продолжает окисление масла (и последующее образование лака), даже когда условия, непосредственно вызывающие окисление (такие как нагрев и износ масла), устранены (таблица 1).

Таблица 2 демонстрирует взаимосвязь между присутствием металлических катализаторов и воды по сравнению с окислением масла, измеренную по кислотному числу (AN).

Обратите внимание, что образцы масла, показанные в Таблице 1, после искрового разряда и оставления в течение нескольких месяцев в контролируемой среде не содержали свободной или эмульгированной воды или значительного количества металлов износа. Однако значение AN увеличилось для образца из 3000 искровых разрядов/9 месяцев.

Сочетая вредные эффекты, показанные доктором Сасаки, которые возникают из-за искровых разрядов в масляных фильтрах и системах циркуляции масла, с добавлением постоянного поступления металлов износа и воды, скорость окисления масла в смазочных и гидравлических системах может быть проблемой для антиоксиданта. добавки.

Неэффективность текущих тестов

Большинство анализов масла (например, испытание на окисление во вращающемся сосуде под давлением, RPVOT) не позволяют надежно определить наличие нагара в образце масла и часто не позволяют определить это состояние, если уровень нагара в масле уже достаточно высок, чтобы его можно было обнаружить.

Исследования показали, что применение традиционных методов тестирования масла в качестве раннего предупреждения о появлении масляного нагара либо неэффективно, либо дает ограниченную информацию.

Такие тесты, как инфракрасный анализ с преобразованием Фурье (FTIR), могут обнаруживать побочные продукты окисления масла, которые являются предшественниками образования нагара, но не позволяют количественно определить состояние, которое могло бы выразить степень уязвимости.

Колориметрические методы представляют собой относительно недорогие средства как для раннего обнаружения нагара, так и для количественной оценки состояния во времени, чтобы наметить системную тенденцию.

Этот метод (например, тест количественного спектрофотометрического анализа (QSA), предлагаемый Analysts, Inc.) дает числовое значение, которое можно сравнить с относительной шкалой, чтобы определить потенциальную проблему образования нагара и помочь оценить оборудование и методы для уменьшения образования налета.

Рис. 5. Лакированный сервоклапан до и после 45 дней электростатической очистки

Предотвращение, решение и устранение проблемы с лаком электростатически

Обычные методы очистки масла включают фильтры, центрифуги, вакуумные дегидраторы и фильтрацию через механическую среду. Эти методы эффективны при удалении воды и твердых загрязнений, а также некоторых более крупных мягких загрязнений.

Но удаление лака и побочных продуктов окисления масла, образующих лак, требует удаления нерастворимых субмикронных продуктов мягкого окисления. Наиболее эффективным методом является непрерывная электростатическая очистка масла, которая устраняет загрязнение намного лучше, чем обычные средства.

Использование системы электростатической очистки масла снижает количество побочных продуктов окисления масла. Это растворяет лак на поверхностях масляного контура, поскольку масло пытается восстановить равновесие между лаком и его предшественником, окисленными побочными продуктами масла.

Поскольку электростатический кондиционер масла продолжает удалять побочные продукты окисления масла, естественная реакция жидкостной системы на поддержание равновесия продолжает растворять лак до тех пор, пока он не исчезнет.

Механизм, с помощью которого электростатический кондиционер масла удаляет естественно заряженные загрязнения, такие как субмикронные окисленные побочные продукты масла, показан на рис. 4.

Лак (мягкое липкое загрязняющее вещество) по своей природе полярен (то есть обладает нулевым суммарным зарядом, но имеет распределение заряда внутри частицы, которое создает положительный и отрицательный заряженные полюса), но все же удаляется системой путем диэлектрофореза.

Более подробное описание этого процесса приведено в разделе «Как это работает» на сайте www.Kleentek.com. На рис. 5 показан лакированный сервоклапан до и после 45 дней непрерывной электростатической очистки, демонстрирующий, что лак растворяется и удаляется системой при наличии средств для постоянного удаления побочных продуктов окисления масла.