Turbinas a gás e usinas de ciclo combinado. Usinas de turbinas a gás de usinas elétricas
Usina de turbina a gásé um dispositivo modular universal que combina: um gerador elétrico, uma caixa de engrenagens, uma turbina a gás e uma unidade de controle. Também existe equipamento opcional, tais como: compressor, dispositivo de partida, trocador de calor.
Uma usina de turbina a gás é capaz de operar não apenas no modo de geração de eletricidade, mas também na produção conjunta de energia elétrica com energia térmica.
A depender do desejo do cliente, a produção de turbinas a gás pode ser realizada com sistema universal, quando os gases de exaustão são utilizados para produzir vapor ou água quente.
Diagrama de uma usina de turbina a gás
Este equipamento possui dois blocos principais: uma turbina do tipo power e um gerador. Eles são colocados em um bloco.
O esquema de uma usina de turbina a gás é muito simples: o gás formado após a queima do combustível começa a contribuir para a rotação das pás da própria turbina.
Assim, um torque é gerado. Isso leva à geração de energia elétrica. Os gases de saída convertem a água em vapor na caldeira de calor residual. O gás, neste caso, funciona com um benefício duplo.
Ciclos de usinas de turbinas a gás
Este equipamento pode ser feito com diferentes ciclos de trabalho.
Usina de turbina a gás de ciclo fechado implica o seguinte: o gás é fornecido através do compressor para o aquecedor (trocador de calor), onde o calor é fornecido por fontes externas. Em seguida, é alimentado em uma turbina a gás onde é expandido. Isso resulta em menos pressão de gás.
Depois disso, os gases entram na câmara de refrigeração. O calor é removido de lá para ambiente externo. O gás é então enviado para o compressor. O ciclo então recomeça. Hoje, equipamentos semelhantes quase nunca são usados no setor de energia.
A produção de usinas de turbinas a gás desse tipo é realizada em grande escala. Também há perdas baixo valor Eficiência, que depende diretamente dos indicadores de temperatura do próprio gás antes da turbina.
Usina de turbina a gás de circuito aberto são usados com muito mais frequência. Neste equipamento, o compressor fornece ar de ambiente, que em alta pressão entra em uma câmara de combustão especialmente projetada. É aqui que o combustível é queimado.
A temperatura do combustível orgânico chega a 2.000 graus. Isso pode danificar o metal da própria câmera. Para evitar isso, é fornecido muito ar do que ele precisa (cerca de 5 vezes). Isso reduz significativamente a temperatura do próprio gás e protege o metal.
Esquema de uma usina de turbina a gás com um ciclo aberto
O esquema de uma usina de turbina a gás com ciclo aberto é o seguinte: o combustível é fornecido a um queimador de gás (bicos) localizado dentro de um tubo resistente ao calor. Ali também é injetado ar, após o que é realizado o processo de combustão do combustível.
Existem vários desses tubos e eles são dispostos concentricamente. O ar entra nas lacunas entre eles, criando uma barreira protetora e evitando o desgaste.
Graças aos tubos e fluxo de ar, a câmara está em proteção confiável contra superaquecimento. Ao mesmo tempo, a temperatura dos gases na saída é menor que a do próprio combustível.
O metal pode suportar 1000 - 1300°C. São esses indicadores de temperatura do gás da câmara que estão presentes nos modernos aparelhos de turbina a gás.
Diferenças entre usinas de turbinas a gás de tipo fechado e aberto
A principal diferença entre as usinas de turbina a gás do tipo fechado e do tipo aberto é que no primeiro caso não há câmara de combustão, mas é utilizado um aquecedor. Aqui o ar é aquecido, embora não participe do próprio processo de geração de calor.
Tal equipamento é executado exclusivamente com combustão, a um valor de pressão constante. Combustível orgânico ou nuclear é usado aqui.
Nas unidades nucleares, não é usado ar, mas hélio, dióxido de carbono ou nitrogênio. As vantagens de tais equipamentos incluem a capacidade de usar o calor do decaimento atômico, que é liberado em reatores nucleares.
Devido à alta concentração do “fluido de trabalho”, tornou-se possível obter altas leituras do coeficiente de transferência de calor dentro do próprio regenerador. Isso também contribui para um aumento no nível de regeneração em tamanhos pequenos. No entanto, tais equipamentos ampla aplicação ainda não recebido.
Instalações de turbinas a gás
As usinas de turbina a gás também são chamadas de "mini usinas de turbina a gás". Eles são usados como fontes de abastecimento permanentes, de emergência ou de backup para cidades e áreas de difícil acesso.
As usinas de turbinas a gás são usadas em muitas indústrias:
- Refinaria de oléo;
- produção de gás;
- metalurgia;
- silvicultura e marcenaria;
- metalúrgico;
- Agricultura;
- eliminação de resíduos, etc.
Que tipos de combustíveis são usados em turbinas a gás?
Este equipamento é capaz de operar com diferentes tipos de combustível.
As turbinas a gás usam os seguintes tipos de combustível:
- gás natural;
- querosene;
- biogás;
- combustível diesel;
- gás de petróleo do tipo associado;
- coque, madeira, gás de mina e outros tipos.
Muitas dessas turbinas são capazes de operar com combustíveis de baixa caloria, que não contêm um grande número de metano (cerca de 3 por cento).
Outras características das usinas de turbinas a gás
Características distintivas das usinas de turbinas a gás:
- Pequenos danos ao meio ambiente. Isso é baixo consumo de óleo. A capacidade de trabalhar com os resíduos da própria produção. A emissão de substâncias nocivas para a atmosfera é de 25 ppm.
- Pequenas dimensões e peso. Isso permite localizar esse equipamento em áreas pequenas, o que economiza dinheiro.
- Nível insignificante de ruído e também vibrações. Este indicador está na faixa de 80 - 85 dBA.
- A capacidade do equipamento de turbina a gás de operar com vários combustíveis torna possível usá-lo em praticamente qualquer setor. Ao mesmo tempo, o empreendimento poderá escolher um tipo de combustível economicamente rentável, com base nas especificidades de suas atividades.
- Operação contínua com carga mínima. Isso também se aplica ao modo inativo.
- Por um minuto, este equipamento é capaz de suportar um excesso de corrente nominal de 150 por cento. E dentro de 2 horas - 110%.
- Com um "curto-circuito" simétrico trifásico, o sistema do gerador é capaz de suportar por 10 segundos cerca de 300 por cento da corrente contínua nominal.
- Sem refrigeração a água.
- Alta confiabilidade operacional.
- Longa vida útil (cerca de 200.000 horas).
- Utilização do equipamento em quaisquer condições climatéricas.
- Custo de construção moderado e custos baixos durante a própria obra, reparos e manutenção.
A potência elétrica do equipamento de turbina a gás varia de dezenas de kW a vários MW. A eficiência máxima é alcançada se a usina de turbina a gás operar no modo de produção simultânea de calor e eletricidade (cogeração).
Devido ao recebimento de energia tão barata, torna-se possível pagar rapidamente esse tipo de equipamento. A central elétrica e a caldeira de recuperação de gases residuais contribuem para mais uso eficiente combustível.
Com máquinas de turbina a gás, a tarefa de obter alta potência foi bastante simplificada. E quando todas as características térmicas das turbinas a gás são atendidas, o valor de uma grande eficiência elétrica desaparece em segundo plano. Se levarmos em conta grande importância temperatura dos gases de escape dos equipamentos de turbina a gás, é possível realizar uma combinação do uso de gás e turbina a vapor s.
Dado solução de engenharia ajuda as empresas a aumentar significativamente a produtividade do uso de combustível e aumentar a eficiência elétrica para uma marca de 57 a 59 por cento. Este método é muito bom, mas leva a custos financeiros e complexidade do projeto do equipamento. Portanto, muitas vezes é usado apenas por grandes indústrias.
A relação entre energia elétrica produzida e energia térmica em uma usina de turbina a gás é de 1 para 2. Assim, por exemplo, se uma usina de turbina a gás tem capacidade de 10 megawatts, ela é capaz de gerar 20 MW de energia térmica. Para converter Megawatts em gigacalorias, você deve usar um coeficiente especial, que é igual a 1,163.
Dependendo do que exatamente o cliente precisa, o equipamento de turbina a gás pode ser equipado adicionalmente com aquecimento de água e caldeiras a vapor. Isso permite obter vapor com diferentes pressões, que serão usadas para resolver vários problemas de produção. Além disso, permite obter água quente, que terá uma temperatura padrão.
Durante a operação combinada de dois tipos de energia, é possível obter um aumento no fator de utilização de combustível (FUFR) de uma usina termelétrica a turbina a gás de até 90%.
Ao usar usinas de turbina a gás na forma de equipamentos do tipo energia para usinas termelétricas poderosas, bem como mini-CHPs, você obterá uma solução econômica justificada. Isso se deve ao fato de que hoje quase todas as usinas operam a gás. Eles têm um custo unitário muito baixo para o consumidor em termos de construção e baixos custos durante o uso posterior.
Supérfluo, e até gratuito, energia térmica permite configurar a ventilação (ar condicionado) sem custos de eletricidade instalações industriais. E isso pode ser feito em qualquer época do ano. O refrigerante resfriado dessa maneira pode ser usado para várias necessidades industriais. Este tipo de tecnologia é chamado de "trigeração".
Plantas de turbina a gás na exposição
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Tal modernização da produção não pode ser ignorada pelos consumidores de seus serviços e bens. Tais equipamentos podem reduzir significativamente o custo e os custos de energia elétrica.
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Sobre o artigo, no qual o ciclo CCGT-450 é descrito em detalhes e em palavras simples. O artigo é realmente muito fácil de digerir. Eu quero falar sobre teoria. Curto, mas direto ao ponto.
Material que peguei emprestado guia de estudo "Introdução à engenharia de energia térmica". Os autores deste guia são I. Z. Poleshchuk, N. M. Tsirelman. A bolsa é oferecida aos alunos da USATU (Ufa State Aviation Universidade Técnica) para estudar a disciplina de mesmo nome.
Uma usina de turbina a gás (GTU) é um motor térmico no qual a energia química do combustível é convertida primeiro em calor e depois em energia mecânica em um eixo rotativo.
A turbina a gás mais simples consiste em um compressor no qual comprime ar atmosférico, câmaras de combustão, onde o combustível é queimado no ambiente desse ar, e turbinas, nas quais os produtos da combustão se expandem. Porque temperatura média gases durante a expansão é significativamente maior do que o ar durante a compressão, a potência desenvolvida pela turbina acaba por ser mais poder necessária para girar o compressor. Sua diferença é a potência útil da turbina a gás.
Na fig. 1 mostra o esquema, o ciclo termodinâmico e o balanço térmico de tal instalação. O processo (ciclo) de uma turbina a gás operando dessa maneira é chamado de aberto ou aberto. O fluido de trabalho (ar, produtos de combustão) é constantemente renovado - é retirado da atmosfera e descarregado nela. A eficiência de uma turbina a gás, como a de qualquer motor térmico, é a razão entre a potência líquida N da turbina a gás e o consumo de calor obtido pela queima do combustível:
η GTU = N GTU / Q T.
Segue do balanço de energia que N GTP = Q T - ΣQ P, onde ΣQ P é a quantidade total de calor removido do ciclo GTP, igual à soma das perdas externas.
A parte principal da perda de calor de uma unidade de turbina a gás de um ciclo simples é a perda com gases de escape:
ΔQuh ≈ Quh - Qv; ΔQex — Qv ≈ 65…80%.
A parcela de outras perdas é muito menor:
a) perdas por subcombustão na câmara de combustão ΔQks / Qt ≤ 3%;
b) perdas por vazamento do fluido de trabalho; ΔQut / Qt ≤ 2%;
c) perdas mecânicas (o calor equivalente é retirado do ciclo com óleo resfriando os mancais) ΔNmech / Qt ≤ 1%;
d) perdas no gerador elétrico ΔNeg / Qt ≤ 1…2%;
e) perda de calor por convecção ou radiação para o ambiente ΔQenv / Qt ≤ 3%
O calor que é removido do ciclo GTU com gases de exaustão pode ser parcialmente usado fora do ciclo GTU, em particular, no ciclo de energia a vapor.
Diagramas esquemáticos usinas de ciclo combinado Vários tipos mostrado na fig. 2.
No caso geral, a eficiência CCGT:
Aqui - Qgtu é a quantidade de calor fornecida ao fluido de trabalho da turbina a gás;
Qpsu - a quantidade de calor fornecida ao meio de vapor na caldeira.
Arroz. 1. O princípio de operação da turbina a gás mais simples
a - diagrama esquemático: 1 - compressor; 2 - câmara de combustão; 3 - turbina; 4 - gerador elétrico;
b — Ciclo termodinâmico GTP no diagrama TS;
c - balanço energético.
Na planta de ciclo combinado binário mais simples, de acordo com o esquema mostrado na Fig. 2a, todo o vapor é produzido na caldeira de calor residual: η UPG = 0,6 ... 0,8 (dependendo principalmente da temperatura dos gases de combustão).
Em T G = 1400 ... 1500 K η GTP ≈ 0,35, e então a eficiência de um CCGT binário pode atingir 50-55%.
A temperatura dos gases de exaustão na turbina GTP é alta (400-450 ° C), portanto, as perdas de calor com gases de exaustão são altas e a eficiência das usinas de turbina a gás é de 38%, ou seja, é quase a mesma que a eficiência das modernas usinas de turbinas a vapor.
Usinas de turbinas a gás operam com combustível a gás, que é significativamente mais barato que o óleo combustível. A potência unitária das modernas turbinas a gás chega a 250 MW, o que é próximo à potência das turbinas a vapor. As vantagens das turbinas a gás em comparação com as turbinas a vapor incluem:
- baixa necessidade de água de resfriamento;
- menos peso e menores custos de capital por unidade de potência;
- a capacidade de iniciar rapidamente e aumentar a carga.
Arroz. 2. Diagramas esquemáticos de várias usinas de ciclo combinado:
a - CCGT com gerador de vapor do tipo aproveitamento;
b - CCGT com descarga de gás na fornalha da caldeira (BPG);
c - CCGT em mistura gás-vapor;
1 - ar da atmosfera; 2 - combustível; 3 - gases de escape na turbina; 4 - saída de gases; 5 - água da rede para resfriamento; 6 - saída de água de resfriamento; 7 - vapor fresco; 8 - água de alimentação; 9 - superaquecimento intermediário do vapor; 10 - vapor residual regenerativo; 11 - vapor entrando na câmara de combustão após a turbina.
K - compressor; T - turbina; PT - turbina a vapor;
GV, GN - aquecedores de água a gás de alta e pressão baixa;
LDPE, HDPE - aquecedores regenerativos água de alimentação alta e baixa pressão; NPG, UPG - geradores de vapor de baixa pressão e utilização; CS - câmara de combustão.
Combinando turbinas a vapor e turbinas a gás com um ciclo tecnológico comum, obtém-se uma usina de ciclo combinado (CCGT), cuja eficiência é significativamente maior do que a eficiência de usinas individuais de turbinas a vapor e a gás.
A eficiência de uma usina de ciclo combinado é 17-20% maior do que a de uma usina de turbina a vapor convencional. Na variante da unidade de turbina a gás mais simples com aproveitamento do calor dos gases de escape, o fator de aproveitamento do calor do combustível atinge 82-85%.
EM últimos anos(aproximadamente a partir da década de 50 do século passado), as turbinas a gás começaram a ser amplamente utilizadas em usinas termelétricas para acionar geradores elétricos.
As unidades de turbina a gás (GTP) podem operar com combustão de combustível a pressão constante (Fig. 6.1) e a volume constante (Fig. 6.2). Os ciclos ideais correspondentes são divididos em ciclos com entrada de calor no processo a pressão constante e volume constante.
Arroz. 6.1. Esquema de GTU com combustão de combustível a pressão constante: 1 - turbocompressor; 2 - turbina a gás; 3 - bomba de combustivel; 4 - a câmara de combustão; 5 - injetor de combustível;
6 - zona ativa da câmara de combustão
Fig.6.2. Esquema de uma GTU com combustão de combustível a volume constante: 5B, 7 - válvulas de combustível, ar e gás, respectivamente; 8 - dispositivo de ignição; 9 - receptor; As demais designações são as mesmas da Fig. 6.1
Na prática, as unidades de turbina a gás com ciclo aberto (aberto) com combustão de combustível (com fornecimento de calor ao fluido de trabalho) a pressão constante com subsequente expansão da mistura de produtos de combustão com ar no caminho do fluxo da turbina (ciclo Brayton) tornaram-se generalizada (ver Fig. 6.6).
Nas turbinas a gás com combustão de combustível a pressão constante, o processo de combustão é contínuo (ver Seção 6.2), e nas turbinas a gás com combustão de combustível a volume constante, o processo de combustão é periódico (pulsante). Comprimido em um compressor 1 ar (ver fig. 6.2) é fornecido ao receptor 9 (recipiente de equalização de pressão de grande capacidade), de onde através da válvula de ar 6 entra na câmara de combustão 4. Também bomba de combustível 3 através da válvula de combustível 5 combustível é fornecido. O processo de combustão é realizado com as válvulas de combustível, ar e gás fechadas 5, 6, 7. A ignição da mistura ar-combustível é realizada por um dispositivo 8 (faísca elétrica). Após a combustão do combustível como resultado do aumento de pressão na câmara 4 a válvula de gás 7 se abre. Os produtos da combustão, passando pelos dispositivos de bico (não mostrados na Fig. 6.2), entram nas pás do rotor e acionam o rotor da turbina a gás 2.
Os produtos gasosos da combustão do combustível orgânico misturado com o ar servem como fluido de trabalho da turbina a gás. O combustível utilizado é o gás natural, gases artificiais altamente purificados e óleo combustível especial para turbinas a gás (motor diesel tratado e óleo solar).
Uma característica da operação da turbina a gás é que apenas uma parte (20-40%) do ar fornecido pelo compressor é introduzida na zona ativa da câmara de combustão e participa do processo de combustão do combustível a uma temperatura de cerca de 1500-1600°C. O restante do ar (60-80%) é projetado para reduzir a temperatura dos gases na frente da turbina para 1000-1300 ° C (para uma turbina a gás estacionária) de acordo com as condições de confiabilidade e durabilidade de seu aparelho de pás, que está associado a um aumento do excesso de ar nos gases a d na frente da turbina e para a GTU. e r diminui com o aumento da temperatura inicial do fluido de trabalho na frente da turbina a gás e em várias instalações é de 2,5-5. A eficiência do GTP é significativamente menor que a eficiência do STP no ciclo a vapor, devido à presença de um compressor de ar, cujo consumo de energia é de 40 a 50% da potência da turbina a gás.
Uma turbina a gás é menor e mais leve que uma turbina a vapor, portanto, quando é iniciada, ela aquece até as temperaturas operacionais muito mais rapidamente, em contraste com uma usina de turbina a vapor equipada com uma caldeira a vapor, que requer aquecimento lento (dezenas de horas). para evitar um acidente devido a alongamentos térmicos desiguais, especialmente um tambor maciço.
Devido à sua grande manobrabilidade (rápida partida e carregamento), as turbinas a gás são utilizadas na indústria de energia, principalmente para cobrir picos de carga e como reserva de emergência para as próprias necessidades de grandes sistemas de potência. A menor eficiência da turbina a gás em comparação com a usina a vapor (SPU) neste caso desempenha um papel insignificante. Tais turbinas a gás são caracterizadas por partidas frequentes (até 1.000 por ano) com um número relativamente pequeno de horas de uso (100-1.500 h/ano).
Uma variedade de turbinas a gás são instalações com um gerador elétrico acionado por um motor combustão interna(usinas a diesel), onde o gás natural ou combustível líquido de alta qualidade é usado como combustível, como em turbinas a gás. No entanto, as usinas a diesel, que se difundiram nos países do Oriente Médio, são inferiores em termos de capacidade unitária às turbinas a gás, embora tenham um fator de eficiência maior.
A eficiência das turbinas a gás de potência mais simples (Fig. 6.3) nos anos 50-60. século 20 foi de 14-18%. Atualmente, para aumentar a eficiência das turbinas a gás, elas são realizadas com vários estágios de fornecimento de calor e resfriamento intermediário do ar comprimido, bem como com aquecimento regenerativo do ar comprimido no compressor por gases expelidos na turbina, aproximando o ciclo real do ciclo de Carnot, e a eficiência das turbinas a gás é de 27 a 37%.
A eficiência das unidades de turbina a gás é limitada pela temperatura inicial do fluido de trabalho (1100-1300 °C e superior para a GTU de 5ª geração) e pela potência da unidade devido ao aumento do consumo de energia para as próprias necessidades, incluindo o acionamento do compressor. A primeira limitação é atualmente difícil de eliminar. A segunda limitação pode ser eliminada se um agente de trabalho de alta entalpia for alimentado na turbina em vez de um agente de baixa entalpia (uma mistura de produtos de combustão com ar) na mesma temperatura inicial. Mais frequentemente, o vapor de água é adicionado aos produtos de combustão. As turbinas a gás que operam com fluidos de trabalho constituídos por misturas de vapores de água e gás ou que utilizam gases e vapor separadamente no circuito térmico são denominadas turbinas a gás. usinas de ciclo combinado(PGU), e seus ciclos - vapor-gás. Os primeiros CCGTs são chamados monarquia, e o segundo - binário .
Durante o desenvolvimento de instalações com corpos de trabalho separados, vários esquemas térmicos foram testados. O mais eficaz foi o esquema em que o ciclo do vapor em relação ao ciclo do gás é totalmente aproveitável. Tais instalações são chamadas reciclando PGU ou PGU-U. Na utilização CCGT, a parte de vapor da usina opera sem consumo adicional de combustível. Devido à alta temperatura inicial do ciclo (mais de 1000-1300 °C), tal CCGT pode ter uma eficiência de mais de 60%, significativamente maior do que a de uma usina de turbina a vapor convencional e um GTP separado. O fator mais importante para aumentar a eficiência do CCGT é o uso de produtos de combustão de combustível como fluido de trabalho em altas temperaturas (em uma turbina a gás) e vapor no Baixas temperaturas(em uma turbina a vapor).
GTU Tipo aberto são inferiores às usinas de turbina a vapor em termos de potência unitária, têm menor eficiência, são menos duráveis em operação e são mais exigentes em graus de combustível. Desenvolvimento adicional O objetivo do GTP é aumentar a potência, eficiência, confiabilidade e durabilidade de suas unidades, o que é determinado principalmente pelo progresso no campo da criação de materiais resistentes ao calor e pelo desenvolvimento maneiras eficazes resfriamento da parte de fluxo de turbinas a gás.
No entanto, especialistas notam a ineficiência do uso do gás em unidades obsoletas, bem como o baixo índice de eficiência das turbinas a vapor tradicionais, que não passa de 38%. O calor é produzido em redes centralizadas em geral em equipamentos de gerações passadas, enquanto o excesso de calor “aquece” o ar.
Utilização de sistemas locais para a produção de energia elétrica e térmica utilizando turbina a gás usinas de energia(GTU) funcionando com gás natural ou propano é um dos soluções possíveis esta tarefa.
Nesse sentido, tem havido uma tendência para a construção de fontes combinadas descentralizadas de fornecimento de eletricidade e calor (as chamadas modo de cogeração), instalado tanto em caldeiras de aquecimento existentes quanto em fontes de calor recém-construídas. A mais urgente é a transição para novas pequenas instalações que utilizam modernas turbinas a gás que fornecem cogeração.
Nos países desenvolvidos, está aumentando a participação de pequenas centrais elétricas com ciclo de cogeração, o que permite otimizar a produção de calor e eletricidade a partir de infraestruturas sociais e industriais, além de garantir uma economia eficiente de energia. Por exemplo, nos EUA e no Reino Unido, a participação da cogeração na geração de energia em pequena escala chega a 80%, na Holanda - 70%, na Alemanha - 50%. No exterior, esse processo é ativamente apoiado pelo Estado, tanto por meio de regulamentação legislativa quanto por meio de financiamento orçamentário.
A base para a eficiência econômica das usinas cogeradoras de turbina a gás é sua alta eficiência elétrica e térmica, alcançada devido ao modo básico de sua operação no consumo de calor (aquecimento, abastecimento de água quente, fornecimento de calor para as necessidades de produção).
As usinas de turbinas a gás já receberam reconhecimento no setor de energia como equipamentos totalmente controlados e confiáveis.
O desempenho operacional das turbinas a gás nas usinas está no mesmo nível do tradicional Equipamento de energia. Eles são caracterizados pela prontidão para operação dentro de 90% do tempo do calendário, ciclo de reparo de 2 a 3 anos, confiabilidade de inicialização de 95 a 97%.
Pequeno Gravidade Específica, compacidade, facilidade de transporte e facilidade de instalação são uma das principais vantagens das usinas de turbinas a gás, as mais atrativas em termos de utilização.
As vantagens das turbinas a gás também incluem períodos curtos de construção, maior confiabilidade do fornecimento de calor e eletricidade aos consumidores, quantidades mínimas de emissões nocivas ao meio ambiente, inércia de controle térmico reduzida e perdas em redes de calor, em comparação com redes conectadas a grandes RTS e CHPPs.
Descrição tecnologia de turbina a gás .
A base de uma turbina a gás é um gerador de gás que serve como fonte de produtos de combustão quentes comprimidos para acionar uma turbina de potência.
O gerador de gás consiste em um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina de acionamento do compressor. O compressor comprime o ar atmosférico, que entra na câmara de combustão, onde o combustível (geralmente gás) é fornecido a ele por meio de bicos, a seguir o combustível é queimado na corrente de ar. Os produtos da combustão são fornecidos à turbina do compressor e à turbina de potência (na versão de eixo único, o compressor e a turbina de potência são combinados). A potência desenvolvida pela turbina de potência excede significativamente a potência consumida pelo compressor para comprimir o ar, bem como superando o atrito nos rolamentos e a energia gasta para acionar as unidades auxiliares. A diferença entre esses valores é a potência útil da turbina a gás.
Um gerador de turbina (gerador elétrico) está localizado no eixo da turbina.
Os gases expelidos na turbina a gás passam pelo exaustor e o silenciador vai para a chaminé. É possível recuperar o calor dos gases de exaustão quando os gases de exaustão entram na caldeira de calor residual, na qual a energia térmica é gerada na forma de vapor e/ou água quente. Vapor ou água quente da caldeira de calor residual podem ser transferidos diretamente para o consumidor de calor.
A eficiência elétrica das modernas usinas de turbinas a gás é de 33 a 39%. No entanto, levando em consideração a alta temperatura dos gases de exaustão em usinas de turbinas a gás potentes, é possível combinar o uso de turbinas a gás e a vapor. Essa abordagem de engenharia permite aumentar significativamente a eficiência do uso de combustível e aumentar a eficiência elétrica das unidades em até 57–59%.
As vantagens das usinas de turbinas a gás são baixo peso específico, compacidade, facilidade de transporte e facilidade de instalação. É permitido instalar uma unidade de turbina a gás no piso técnico de um edifício ou um arranjo de telhado de unidades de turbina a gás de baixa potência. Esse propriedade útil O GTP é um fator importante no desenvolvimento urbano.
Durante a operação de usinas de turbinas a gás, o conteúdo de emissões nocivas de NOx e CO nos gases de exaustão é mínimo. Essas excelentes qualidades ambientais tornam possível colocar usinas de turbinas a gás nas imediações das casas das pessoas sem problemas.
Além disso, as turbinas a gás de pequena capacidade são geralmente fornecidas como uma ou mais unidades pré-fabricadas, exigindo pouco trabalho de instalação, e seu tamanho relativamente pequeno permite que sejam instaladas em condições apertadas. plano principal. Daí o baixo custo relativo do trabalho de construção e instalação.
As instalações de turbinas a gás apresentam vibrações e ruídos leves na faixa de 65 a 75 dB (que corresponde ao som de um aspirador a uma distância de 1 metro na escala de nível de ruído). Como regra, não é necessário isolamento acústico especial para esses equipamentos geradores de alta tecnologia.
As modernas usinas de turbinas a gás são altamente confiáveis. Há evidências de operação contínua de algumas unidades por vários anos. Muitos fornecedores de turbinas a gás realizam revisões no local, substituindo componentes individuais sem transportá-los para a fábrica, o que reduz significativamente o custo de manutenção da unidade.
A maioria das usinas de turbinas a gás tem a capacidade de sobrecarga, ou seja, aumento de potência acima do nominal. Isto é conseguido aumentando a temperatura do fluido de trabalho.
No entanto, os fabricantes impõem severas restrições à duração de tais regimes, permitindo a operação com um excesso de temperatura inicial de não mais do que algumas centenas de horas. A violação dessas restrições reduz significativamente a vida útil da instalação.
Uma colher de alcatrão.
No entanto, existem dificuldades com a introdução de usinas de turbinas a gás. Trata-se, antes de mais nada, da necessidade de pré-compressão do gás combustível, o que aumenta sensivelmente o custo da produção de energia, principalmente para pequenas turbinas a gás, e em alguns casos é um obstáculo significativo à sua introdução no setor energético. Para turbinas a gás modernas com altas taxas de compressão de ar, a pressão de gás combustível necessária pode exceder 25-30 kg/cm 2 .
Outra desvantagem significativa das turbinas a gás é uma queda acentuada na eficiência com uma diminuição na carga.
A vida útil de uma turbina a gás é muito menor do que a de outras usinas e geralmente varia de 45 a 125 mil horas.
Historicamente, os pioneiros no desenvolvimento da tecnologia de turbinas a gás foram os criadores de motores para navios e aeronaves. Portanto, atualmente, eles acumularam mais experiência neste campo e são os especialistas mais qualificados.
Na Rússia, as posições de liderança na fabricação de usinas de turbinas a gás são ocupadas por empresas que desenvolvem e fabricam turbinas a gás para aeronaves e usinas de turbinas a gás projetadas especificamente para uso de energia:
- JSC Lyulka-Saturno(cidade de Moscou),
- OJSC "Motores Rybinsk"(Ribínsk),
ambos estão incluídos em NPO Saturno,
- NPP eles. V.Ya. Klimov(São Petersburgo),
- FSUE MMPP Salyut(cidade de Moscou),
e outros
Em 2004-2006 em Moscou com a participação OAO Saturn - Turbinas a Gás foi realizada a construção e operação de unidades experimentais de turbina a gás (GTP) na RTS "Kuryanovo" e RTS "Penyagino". A principal tarefa do uso de usinas de turbinas a gás é garantir um fornecimento independente de eletricidade e calor para habitações e serviços comunitários. Ambos os RTSs foram equipados com duas unidades de turbina a gás cada. GTA-6RM com uma capacidade unitária de 6 MW. GTA-6RM é um dos principais tipos de produtos de solo do NPO Saturn.
As unidades de turbina a gás GTA-6RM são montadas com base em série, relativamente baratas, motores de aeronaves D-30KU/KP, que provaram ser o motor mais confiável da Rússia, operado em aeronaves IL-62M, TU-154M e IL-76 produzidas em massa. O tempo total de operação desses motores ultrapassou 36 milhões de horas.
As unidades são produzidas em versões bloco-modular e oficina (estação) e podem ser operadas em operação única, ou em combinação, com geradores de turbina de diferentes séries com características de desempenho idênticas, água quente ou caldeiras de vapor de calor residual.
Em 2005, o GTA-6RM estava entre os 100 os melhores produtos Rússia, ele recebeu oficialmente o status de "Orgulho da Pátria".
O experimento mostrou que a utilização de turbinas a gás no sistema RTS permite aumentar a confiabilidade no fornecimento de calor para a economia urbana e o setor residencial da capital por meio da duplicação e redundância dos sistemas de suporte à vida existentes, bem como aumentar o segurança energética da economia urbana.
E devo dizer, o governo de Moscou apostou seriamente em uso em massa GTU em complexo energético cidades Capitais.
Aqui estão trechos da resolução de 29 de dezembro de 2009 N 1508-PP "No Esquema de Fornecimento de Calor para a cidade de Moscou para o período até 2020."
A direção prioritária para o desenvolvimento do fornecimento de calor na cidade de Moscou até 2020 é a implementação da tecnologia de geração combinada de calor e energia com o envolvimento adicional de um recurso de aquecimento e cobrindo o calor e as cargas elétricas dos consumidores em a cidade com novos usinas de turbinas a gás.
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O desenvolvimento adicional do sistema de fornecimento de calor deve ser baseado em:
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- instalação em usinas de fontes de geração autônoma ( usinas de turbinas a gás) para iniciar a usina em caso de perda de comunicação com o sistema de energia e alimentação autônoma de caldeiras de pico de água quente em modos de emergência.
PLANTAS DE TURBINA A GÁS (GTU)
Fluxo de trabalho da GTU. Nas turbinas a gás modernas, um ciclo de combustão é usado em p = const (Fig. 6.5).
A turbina a gás geralmente consiste em uma câmara de combustão, uma turbina a gás, compressor de ar, trocadores de calor para diversos fins (resfriadores de ar, resfriadores de óleo do sistema de lubrificação, trocadores de calor regenerativos) e dispositivos auxiliares (bombas de óleo, elementos de abastecimento de água, etc.).
O corpo de trabalho da turbina a gás são os produtos da combustão do combustível, que é usado como gás natural, gases artificiais bem purificados (alto-forno, coqueria, gerador) e combustível líquido especial para turbina a gás (motor diesel processado e óleo solar) .
A mistura de trabalho é preparada na câmara de combustão. O volume de fogo da câmara (Fig. 20.9) é dividido em uma zona de combustão, onde o combustível é queimado a uma temperatura de cerca de 2.000 ° C, e uma zona de mistura, onde o ar é misturado aos produtos da combustão para reduzir sua temperatura para 750 -1090 ° C em turbinas estacionárias e até 1400 °С - em turbinas de aviação.
O princípio de operação das turbinas a gás e a vapor é o mesmo, mas o projeto do caminho do fluxo das turbinas a gás é muito mais simples. Eles operam com uma queda de calor disponível relativamente pequena e, portanto, têm um pequeno número de etapas.
Devido à alta temperatura dos produtos de combustão, os detalhes do caminho do fluxo das turbinas (bicos, pás do rotor, discos, eixos) são feitos de ligas de aço de alta qualidade. Para uma operação confiável, a maioria das turbinas fornece resfriamento intensivo das partes mais carregadas da carcaça e do rotor.
Em condições reais, todos os processos no GTP são de não equilíbrio, o que está associado a perdas de trabalho na turbina e no compressor, bem como ao arrasto aerodinâmico no duto do GTP. Na fig. 20.10, o processo de compressão real no compressor é mostrado pela linha 1-2, e o processo de expansão na turbina é mostrado pela linha 3-4. Os pontos 2a e 4a marcam o estado do fluido de trabalho, respectivamente, no final do equilíbrio de compressão adiabática e expansão, ponto O - parâmetros ambientais. Devido às perdas de pressão no caminho de sucção do compressor (linha 01), o processo de compressão inicia no ponto 1.
Assim, muito trabalho é gasto na compressão do ar em um ciclo real e, ao expandir o gás em uma turbina, menos trabalho é obtido em comparação com um ciclo ideal. A eficiência do ciclo é menor. Quanto maior o grau de aumento de pressão π (ou seja, quanto maior p 2), maior a soma dessas perdas em comparação com o trabalho útil. A um determinado valor de π (quanto maior, maior a Tg e a eficiência interna relativa da turbina e do compressor, ou seja, menor a perda neles), a operação da turbina pode se tornar igual ao trabalho gasto na o acionamento do compressor e trabalho útil- zero.
Portanto, a maior eficiência do ciclo real, em contraste com o ideal, é alcançada em um certo grau (ótimo) de aumento de pressão, e cada valor de Tz tem seu próprio π opt (Fig. 20.11). A eficiência das turbinas a gás mais simples não excede 14-18% e, para aumentá-la, as turbinas a gás são realizadas com vários estágios de fornecimento de calor e resfriamento intermediário de ar comprimido, bem como com aquecimento regenerativo de ar comprimido por exaustão gases após a turbina, aproximando assim o ciclo real do ciclo de Carnot.
GTP com recuperação de calor residual. O calor dos gases que saem da turbina a gás pode ser usado para produzir vapor e água quente em trocadores de calor convencionais. Assim, as unidades GT-25-700 LMZ são equipadas com aquecedores que aquecem a água no sistema de aquecimento até 150-160 °C.
Ao mesmo tempo, um nível relativamente alto do fator de excesso de ar na turbina a gás permite queimar uma quantidade suficientemente grande de combustível adicional no ambiente dos produtos de combustão. Como resultado, gases com temperatura suficientemente alta saem da câmara de combustão adicional após a turbina a gás, adequada para obter parâmetros de vapor de energia em um gerador de vapor especialmente instalado para esse fim. No Karmanovskaya GRES, uma caldeira para uma unidade com potência elétrica de 500 MW está sendo construída de acordo com este esquema.
Aplicação da GTU. Nos últimos anos, as turbinas a gás têm sido amplamente utilizadas em diversos campos: nos transportes, no setor de energia, para acionamento de instalações estacionárias, etc.
Turbinas a gás de energia. Uma turbina a gás é menor e mais leve do que uma turbina a vapor, por isso aquece até as temperaturas operacionais muito mais rapidamente durante a partida. A câmara de combustão é colocada em operação quase instantaneamente, ao contrário de uma caldeira a vapor, que requer um aquecimento lento e prolongado (muitas horas e até dezenas de horas) para evitar um acidente devido a alongamentos térmicos desiguais, especialmente um tambor maciço. a 1,5 m de diâmetro, até 15 m de comprimento, m, com espessura de parede superior a 100 mm.
Portanto, as turbinas a gás são utilizadas principalmente para cobrir cargas de pico e como reserva de emergência para as necessidades próprias de grandes sistemas de energia, quando é necessário colocar a unidade em operação muito rapidamente. A menor eficiência da turbina a gás em relação à PSU não influencia nesse caso, pois as unidades operam por curtos períodos de tempo. Essas turbinas a gás são caracterizadas por partidas frequentes (até 1.000 por ano) com um número relativamente pequeno de horas de uso (de 100 a 1.500 horas por ano). A gama de capacidades unitárias de tais turbinas a gás é de 1 a 100 MW.
As turbinas a gás também são usadas para acionar um gerador elétrico e gerar eletricidade em instalações móveis (por exemplo, em navios). Essas turbinas a gás geralmente operam na faixa de carga de 30 a 110% da carga nominal, com partidas e paradas frequentes. A potência unitária dessas turbinas a gás varia de dezenas de quilowatts a 10 MW. O rápido desenvolvimento de usinas nucleares com reatores resfriados, por exemplo, por hélio, abre a perspectiva de uso de GTUs de circuito único operando em ciclo fechado (o fluido de trabalho não sai da usina).
Um grupo específico de turbinas a gás de potência é constituído por instalações que operam nos esquemas tecnológicos de plantas químicas, de refino de petróleo, metalúrgicas e outras (tecnologia energética). Eles operam no modo de carga de base e na maioria das vezes são projetados para acionar um compressor que fornece ao processo ar ou gás comprimido devido à energia de expansão dos gases gerados como resultado do próprio processo.
As turbinas a gás acionadas são amplamente utilizadas para acionar compressores centrífugos gás natural em estações de compressão oleodutos principais, bem como bombas para transporte de petróleo e derivados e sopradores em usinas de ciclo combinado. A potência útil dessas turbinas a gás varia de 2 a 30 MW.
As turbinas a gás de transporte são amplamente utilizadas como motores principais e pós-combustores de aeronaves (turbojato e turboélice) e navios da marinha. Isso se deve à possibilidade de obter números recordes em termos de potência específica e dimensões gerais em comparação com outros tipos de motores, apesar do consumo de combustível um tanto superestimado. As turbinas a gás são muito promissoras como motores de locomotivas, onde seu pequeno tamanho e falta de requisitos de água são especialmente valiosos. As turbinas a gás de transporte operam em uma ampla gama de cargas e são adequadas para forçamento de curto prazo.
A potência unitária da turbina a gás ainda não ultrapassa 100 MW e a eficiência da usina é de 27 a 37%. Com um aumento na temperatura inicial do gás para 1200 °C, a capacidade da turbina a gás será aumentada para 200 MW e a eficiência da planta será de 38-40%.