1. Advanced Compressor Water
Wash Technologies
진보된 압축기 수세정 기술
Presented By:
Robert Burke
Applications Engineering Manager
Monday, May 18th
2009
1
2. 2
General Gas Turbine Energy Balance
( 전형적인 가스터빈 에너지 균형 )
출력 의 60% 가 압축기 운전
Compressor Efficiency- An Operational Imperative
압축기 효율 – 운전상의 불가피성
3. Typical Compressor Contaminants
대표적인 압축기 오염물질
3
• Stage 2 압축기
– 연질의 침전물 과 공기에 의한 오염
• 카본 침착
• 먼지 , 실리카
• 기타 주위 공기 오염물
• 베어링에서 누출 되는 기름
• Stage 17 압축기
– 단단한 침전물
– 날게 표면에 붙어 굳어짐
– 입구 cooling water 로 부터의 광물질
• 성능 / 운전에 주는 영향
– 날개표면을 거칠게 함
– 공기흐름을 방해
– 압축기 효율 손실
– 압축기에서 나오는 압력 손실
– 압축기 방출온도 상승
– 터빈의 출력 저하
– SPFC 증가 , 열비 (Heat Rate) 저하
4. Typical Installed Base System Performance Practices
전형적인 기존 시스템의 성능사례
4
32
33
34
35
36
37
38
15.2. 2.3. 17.3. 1.4. 16.4. 1.5. 16.5. 31.5. 15.6. 30.6. 15.7.
GasTurbinecorrectedoutput(MW)
ONLINE 세척 안했을때
GT 출력 하락표
Off-line wash
전형적인 GT 기능저하
•45 일 주기 OFF-LINE 세척
•1 일 가동정지 /OFF-LINE
•년간 8 일
•수익 감소
•일일 출력 손실
•정비 비용
•부대 경비
OEM 세척기의 단점
•가동정지 후 세척
•저압 세척
•많은 세척 수 사용 , 1000 겔론
•시간이 오래 걸림
연마제 세척 :
•MAJOR OVERHAUL 필
요함
•WALLNUT SHELL –
COOLING HOLE 이 막힘
5. Improved Design/ Application Process
개선된 설계 / 프로세스적용
5
• 최적의 세척 성능을 내기 위한 방안 :
최적화된 비말 ( 작은 물방울 ) 은 최적의 운동량을 만듬
• 노즐과 압력 선택
– 60 TO 80 BAR, 80-250 microns D43 물방울 생성
– 부착물 용해를 위한 세정 수의 온도 60 deg. C
• 중심부를 커버하기 위한 노즐 위치선정
– CFD MODEL 예측
• 0.33 의 공기 , 세정수 비율을 얻기 위한 세정시간과 물량
– 세정시간 3-5 분 , 세정물량 분당 5-250 리터
– Plant Control 과 PLC 를 연결을 통하여 자동화된 운전
• 물방울 분사를 위한 기하학 및 압력
• 속도 부분과 조화를 맞춘 물방울 분사
• 공기의 흐르는 방향으로 압축기 내부로 들어가도록 틈과 위치 선
정
• 정밀하고 독특한 기계적 결합구조의 제품
7. Wind Tunnel Testing
풍동 시험
7
• 목적
– Base Load 동작 모의 시험
– 물방울 특성
• 물방울 크기 분배
• 물방울 속도
– CFD 모델과 비교
• SPECIFICATION
– Base Load 조건
– 15KW 송풍기 5KG/S 풍동생성
– 속도 마하 0.5
– LASER 에 의한 물방울크기 측정
– 여러 위치와 속도에서 물방울 측정
• 결과
– CFD 모델이 전형적 모델임을 확인
– 물방울 분배 확인
• 물방울 사이즈
• 물방울 속도
• 물방울 깨짐
목 적 :
•날개의 습분 상태 이해
•고정날개 물을 흘림
•부식가능성 이해
Specifications:
•FLOW RATE 의 변화
•속도의 변화
•Laser SPECTROMETER 로 물방울 싸이즈 측정
•여러 위치와 속도로 물방울 측정
결 과 :
•많은 물방울이 작은 리벳 머리 모양의 흔적을 남김
•밑으로 흐르는 물방울은 부식을 일으키지 않음
8. CFD Tool & Nozzle Placement Definition
8
Water Mass at 60% Compressor Inlet
GT 입구 기하학적 체계를 GTE 에서 개
발한 CFD CODE 에 넣고 , 공기흐름을
K-EPSILON MODEL 로 SIMULATE 함
다음단계로 많은 량의 물분자를 – 같은 크
기 , 량 , 속도 , 각도를 가진 --MATLAB
을 사용하여 물방을을 공기흐름속으로 분
사하여 물방울 의 궤도를 살핌 .
9. Erosion Study- Typical Drop Strike Pressure Side-
Tangential Velocity 물방울이 날게에 부딭치는 속도와 분포
9
10. Erosion Model
10
•많은 종류의 시험기계와 물질을 가지고 시험함 .
•상관관계가 아직 새로운 환경하에서 오랜 기간 예측함에 미약함 .
-VOL: METAL 부식량
-Flux: 물이 표면에 닿는 량 (M3/M2/SEC)
-NER: METAL 의 일반 부식 저항력 (=4 FOR 400 SSL)
-V: 보통 충격 속도 (M/SEC)
-D: 물방울 지름 (mm)
-T: 총 세척 시간 (SEC)
•충격속도에 대단히 민감함
120000 시간 운전시 5mm 정도 마모
td
V
NER
Flux
Vol 67.
8.4
25002
=
Example Calculation:
• V=350 m/sec, D=180 MICRONS, NER: 4 (410 S 니 )
• T=3min/day * 365/YR * 30YR*60s/min=3.942*106 sec
• WATER FLUX: .549 * 10-3m/sec
• FOR THE BEST STELLITE, NER=50, VOLUME ERODE=1.6mm
5 mm of wear in
120000 operating
hours
11. Reverse Flow Bellmouth Installation ( 제작사 )
11
Start Animation
• Cone Mounted Design
– Wash ports usually built in
– Good performance for offline wash
– Poor performance for online wash
– Water builds on hub
– (STRUT 에 물방울이 부딪쳐 HUB 에 물이 생김 )
12. GTE Bellmouth Installation
12
Start Animation
• Bellmouth Mounted Line of Site Design
– GTE preferred design
– Nozzle aimed with air stream
Acceptable online performance
• Approximately 30-50% R0
• 만족할 수있는 ONLINE 성능시 R0 에 30-50% 의 물이 뿌려
짐
– Good offline performance
• Approximately 20-25% R0
• 최적의 OFF LINE 성능시에는 R0 에 20-25% 뿌려짐
13. Design Evaluation Coverage- 7EA
13
Simplicity & Functonality:
• 7 Nozzles; each located midspan between
each strut ( 각 지주 중앙에 위치한다 )
• Nozzle 은 Bellmouth 를 통해 삽입한다 .
• Optimized Nozzle Placement ( 최적의 노즐배치 )
• Single Position for both wash cycles
- Offline WW
- Online WW
• Obsolete OEM Nozzles & Positions( 기존노즐없앰 )
14. 20-60%
span
Design Objectives: Droplet Size
14
• Offline WW
– 70% by volume @ 20%
span
• Online WW
– 55% by volume @ 60%
span
• Air Flow
– 289 kg/sec
• Wash Fluid
– 95-110 l/min
• 물방울 크기 , 분사 압력 , 노즐등 모두 ONLINE
시나 OFF LINE 시 같이 쓰임 .
• 단지 다른것은 엔징 속도임 - OFF LINE 시에는
800 RPM, ON LINE 시에는 3600RPM
• 그러므로 AIR 속도가 달라짐 -- 그래서 물방울
이 그림에서 보는것 같이 OFF LINE 에는 밑으
로 20% 흐르고 , ONLINE 시에는 물이 날려서
60% 선에 흐름 .
• OFF LINE 시 20% 선에서 70% 물이 흐르고 ,
ON LINE 시에는 60% 선에서 55% 의 물이 흐
름 . GE 7EA 의 경우임 .
Offline WW Online WW
15. Typical Standard Nozzle Systems vs. GTE System
15
• Standard System Nozzles • GTE System Nozzles
18. GTE 400i-42 2xMS6001B CC
32
33
34
35
36
37
38
15.2. 2.3. 17.3. 1.4. 16.4. 1.5. 16.5. 31.5. 15.6. 30.6. 15.7. 30.7. 14.8. 29.8. 13.9. 28.9. 13.10
.
28.10
.
12.11
.
GasTurbinecorrectedoutput(MW)
Installation of new GTE-
400 system
GT output deterioration
without online washing
system
Offline washes
Outage + Offline wash Offline wash
• Results
– +2.1% versus
initial offline
with detergent
– 45 to 180 day
offline cycle
+3%
availability
– 52,000 hrs of
service TD
– Online water
only wash
19. GTE 600i-110 6xMS9001E SC
19
• Wash Benefits
– ~8-12% Power Recovery
– ~4-6% Heat Rate
• TNB Fleet Standard
– 2 more systems on 4 units
20. GTE 1000i-110 3xMS7001E CC
20
• Single System Serving 3 Engines
• DCS Controlled / Scheduled
• Online Water Only Wash
• Improved Offline Cycle
From 30 to 75 days
+2% Availability
• Additional Benefits:
>3% Power
>1.0 % Heat Rate
21. Benefits Calculator- Power Gen
21
Conditions
Performance Recovery 3 % Recovery
Availability gain 48 Hr/Yr
Heat Rate 10480 Btu/kw-hr
Heat Rate Recovery 0.34 % Recovery
Power price $50 $/MW-hr
Avg Gas Price $6.00 Therm
MW Rating 84 MW
Benefits Calculator $K/Yr MWHr/Yr
Performance ($K/Yr) 1,098 21954
Availability ($K/Yr) 202 4032
Fuel Savings ($K/Yr) 137
Total $1,436 25986
Click on Blue Fields, and enter specific values, to use benefits calculator
22. Water Wash Delivery- GTE1000i-95
22
Specifications:
• Stainless Steel Tank
• Carbon Steel Skid - Painted
• PLC Control
• Fully Automated Online CWW
• Positive Displacement Delivery Pump
• Adjustable Discharge Pressure
• Automated Heater Control & Protection
• Automated Level Control & Protection
• Discharge Fluid Filtration
•Automated Detergent Injection
•Adjustable Detergent Flow Control
•User Interface Panel (HMI), touch-screen
Options:
• Stainless Steel Skid
• Electric Detergent Drum Pump
• Total Dissolved Solids feedback & control
• Remote Operation (Optional)
• Data Logging (Optional)
23. Developing Integrated and Service Solutions
23
Range
(Mw)
0
to
10
10
to
14
14
to
35
20
to
40
35
to
55
55
to
120
80
to
160
160
to
250
WW
Product
30i 80i 160i 200i 400i 600i 1000i 1400i
Specifications:
• Stainless Steel Tank
• Stainless or Carbon Steel Skid
• PLC Control
• Fully Automated ON-Line CWW
• Positive Displacement Delivery Pump
• Adjustable Discharge Pressure
• Automated Heater Control & Protection
• Automated Level Control & Protection
• Discharge Fluid Filtration
Options
• Adjustable Detergent Flow Control
• User Interface Panel (HMI), touch-screen
• Electric Detergent Drum Pump
• Total Dissolved Solids feedback & control
• Automated Detergent Injection (Optional)
• Remote Operation (Optional)
• Data Logging (Optional)
Water Wash
24. GTE Fleet: > 800 Units; 20M Operating Hours
24
OEM Population
6% 2%
72%
20%
RR
Solar
Siemens
GE
Wash Skids
22%
76%
2%
Oil and Gas
Power Gen
Marine
25. Why GTE? Technology & Value Solutions
25
Boeing 747
Fuel Savings $ 164 K
Wash Cost: ~ $ 36 K
Payback: ~ 3 Months
Additional Benefits
CO2 Reduced: 800 Tonnes
EGT Recovery:: ~ 9 o
C
Time-on-Wing: + 4000 Hr
Foundation from Aviation/Jet Engines
In excess of 15000 Engine Washes
• Major Air Carriers
• Foreign and Domestic Military
Industrial Gas Turbine Water Wash
• 800+ Unit Installed Base
• 20 MM+ Operating Hours
Benefits
Power Recovery 2-3 %
Heat Rate Improvement 0.3 - 1 %
Availability Improvement 2 – 3 %
Payback ~ 3 - 6
Months
26. Why GTE? Technology and Value Solutions
26
- The GTE technology team is unique in experience, capability
and breadth
– The top 10 technology leaders have over 250 years experience
in the energy industry and bring a wealth of systems physics
knowledge, familiarity with advanced modeling tools, tough
problem solving, practical, and hands-on field experience
– GTE’s capabilities complement OEMs and are recognized as
‘expert’ in key product lines
– GTE’s aero-modeling, controls and fluid systems integrated
with manufacturing, supply chain, and life cycle cost elements --
positions us to develop advanced, cost effective solutions more
rapidly
– ‘Scientists’ with proven track records and practical tech
application offers rapid design at low cost
27. Proven Track Record with Blue Chip Clients
27
Track Record
• > 800 Turbines
• > 20MM Operating Hours
Long Term OEM Agreements
• Siemens
• Caterpillar / Solar
• Rolls-Royce
• Large Global OEMs
Validated Results:
28. Patented Water Wash Technology
28
Patent 5,868,860 Key Claims
– Supply Pressure 50 to 80 bars
– Mean Droplet range 120 to 250 microns
Key Design Features
– Nozzle Selection to:
• Produce Mean Droplet 120 to 250 microns
• Avoid Droplets > 500 microns
– Nozzle Placement Optimizes Wash Coverage
• One position for both Online and Offline
Wash
– Wash Process Minimizes Water Volume
• No Detergent, No Rinse for Online
– Wash Process Minimizes Detergent Need for
Offline
• Reduction of Detergent Need by 80% for
Offline
29. Patented Methods & Wash Nozzle Placement
29
Patent 7,428,906 Key Claims
• System for Wash during Operation
• Method with mean drops less then 150
microns
• Slip ratio of minimum 0.8 at compressor inlet
• One or more Nozzles in acceleration duct
Key Design Features
• Nozzle Selection & Discharge Pressure to:
• Produce Mean Droplet less than 150
microns
• Provide velocity at Nozzle Tip 40%
of final at Compressor Inlet
• Nozzle Placement Optimizes Wash
Coverage
• Injection relatively parrallel to air
stream
• Online Wash Process Claims
• No Online Wetting of Stationary
Components
• Spray velocity 100-200 m/s
30. 30
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Cleaner.
More Output.
More Reliable.
More Available.
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