Installazioni di turbine a gas a energia. Cicli di impianti a turbina a gas

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

Le unità a turbina a gas (GTP) sono un unico complesso di potenza relativamente compatto, in cui una turbina di potenza e un generatore lavorano in coppia. Il sistema si è diffuso nella cosiddetta industria dell'energia su piccola scala. Ottimo per la fornitura di energia e calore di grandi imprese, insediamenti remoti e altri consumatori. Di norma, le turbine a gas funzionano con combustibile liquido o gas.

Al limite del progresso

Nell'aumento della capacità energetica delle centrali elettriche, il ruolo di primo piano viene trasferito alle unità turbogas e alla loro ulteriore evoluzione: gli impianti a ciclo combinato (CCGT). Pertanto, nelle centrali elettriche statunitensi dall'inizio degli anni '90, oltre il 60% delle capacità commissionate e modernizzate erano già costituite da turbine a gas e impianti a ciclo combinato e in alcuni paesi in alcuni anni la loro quota ha raggiunto il 90%.

Anche semplici turbine a gas sono costruite in gran numero. L'impianto a turbina a gas - mobile, economico da utilizzare e facile da riparare - si è rivelato la soluzione ottimale per coprire i picchi di carico. A cavallo del secolo (1999-2000), la capacità totalele unità con turbina a gas hanno raggiunto i 120.000 MW. Per fare un confronto: negli anni '80, la capacità totale di sistemi di questo tipo era di 8.000-10.000 MW. Una parte significativa delle turbine a gas (più del 60%) era destinata a funzionare nell'ambito di grandi impianti binari a ciclo combinato con una potenza media di circa 350 MW.

Sfondo storico

Le basi teoriche per l'uso delle tecnologie del ciclo combinato sono state studiate in modo sufficientemente dettagliato nel nostro Paese all'inizio degli anni '60. Già in quel momento era chiaro che il percorso generale per lo sviluppo dell'ingegneria termoelettrica è legato proprio alle tecnologie del ciclo combinato. Tuttavia, la loro implementazione di successo richiedeva unità a turbina a gas affidabili e altamente efficienti.

Sono stati i significativi progressi nella costruzione di turbine a gas che hanno determinato il moderno s alto di qualità nell'ingegneria termoelettrica. Un certo numero di aziende straniere ha risolto con successo il problema della creazione di efficienti turbine a gas stazionarie in un momento in cui le principali organizzazioni nazionali in un'economia di comando stavano promuovendo le tecnologie per turbine a vapore meno promettenti (STP).

Se negli anni '60 l'efficienza delle installazioni di turbine a gas era al livello del 24-32%, alla fine degli anni '80 le migliori installazioni di turbine a gas stazionarie avevano già un'efficienza (con uso autonomo) di 36-37 %. Ciò ha permesso di creare CCGT sulla loro base, la cui efficienza ha raggiunto il 50%. All'inizio del nuovo secolo, questa cifra era pari al 40% e, in combinazione con gli impianti a ciclo combinato del gas, era addirittura del 60%.

Confronto della turbina a vaporee impianti a ciclo combinato

Negli impianti a ciclo combinato basati su turbine a gas, la prospettiva immediata e reale era quella di ottenere un'efficienza pari o superiore al 65%. Allo stesso tempo, per gli impianti a turbina a vapore (sviluppati in URSS), solo se una serie di complessi problemi scientifici relativi alla generazione e all'uso del vapore supercritico possono essere risolti con successo, si può sperare in un'efficienza non superiore a 46- 49%. Pertanto, in termini di efficienza, i sistemi a turbina a vapore sono irrimediabilmente inferiori ai sistemi a ciclo combinato.

Significativamente inferiore alle centrali a turbina a vapore anche in termini di costi e tempi di costruzione. Nel 2005, nel mercato mondiale dell'energia, il prezzo di 1 kW per un'unità CCGT con una capacità di 200 MW o più era di $ 500-600/kW. Per i CCGT di capacità inferiore, il costo era compreso tra 600 e 900 $/kW. Potenti impianti a turbina a gas corrispondono a valori di 200-250 $/kW. Con una diminuzione della potenza dell'unità, il loro prezzo aumenta, ma di solito non supera $ 500 / kW. Questi valori sono molte volte inferiori al costo di un kilowatt di elettricità nei sistemi di turbine a vapore. Ad esempio, il prezzo di un kilowatt installato nelle centrali a turbina a vapore a condensazione varia da 2000-3000 $/kW.

Schema di un impianto con turbina a gas

L'installazione comprende tre unità di base: una turbina a gas, una camera di combustione e un compressore d'aria. Inoltre, tutte le unità sono ospitate in un unico edificio prefabbricato. I rotori del compressore e della turbina sono rigidamente collegati tra loro, supportati da cuscinetti.

Le camere di combustione (ad esempio, 14 pezzi) sono posizionate attorno al compressore, ciascuna nel proprio alloggiamento separato. Per l'ammissione aIl compressore d'aria funge da tubo di ingresso, l'aria esce dalla turbina a gas attraverso il tubo di scarico. Il corpo della turbina a gas si basa su potenti supporti posti simmetricamente su un unico telaio.

Principio di funzionamento

La maggior parte delle unità con turbina a gas utilizza il principio della combustione continua, o ciclo aperto:

• In primo luogo, il fluido di lavoro (aria) viene pompato a pressione atmosferica dal compressore appropriato.
• Inoltre, l'aria viene compressa a una pressione maggiore e inviata alla camera di combustione.
• È alimentato con combustibile, che brucia a pressione costante, fornendo una fornitura costante di calore. A causa della combustione del carburante, la temperatura del fluido di lavoro aumenta.
• Successivamente, il fluido di lavoro (ora è già un gas, che è una miscela di aria e prodotti della combustione) entra nella turbina a gas, dove, espandendosi a pressione atmosferica, svolge un lavoro utile (fa girare la turbina che genera elettricità).
• Dopo la turbina, i gas vengono scaricati nell'atmosfera, attraverso la quale si chiude il ciclo di lavoro.
• La differenza tra il funzionamento della turbina e del compressore è percepita da un generatore elettrico posizionato su un albero comune con la turbina e il compressore.

Impianti a combustione intermittente

A differenza del progetto precedente, la combustione intermittente utilizza due valvole invece di una.

• Il compressore forza l'aria nella camera di combustione attraverso la prima valvola mentre la seconda è chiusa.
• Quando la pressione nella camera di combustione aumenta, la prima valvola si chiude. Di conseguenza, il volume della camera è chiuso.
• Quando le valvole sono chiuse, il carburante viene bruciato nella camera, naturalmente la sua combustione avviene a volume costante. Di conseguenza, la pressione del fluido di lavoro aumenta ulteriormente.
• Successivamente, la seconda valvola viene aperta e il fluido di lavoro entra nella turbina a gas. In questo caso, la pressione davanti alla turbina diminuirà gradualmente. Quando si avvicina all'atmosfera, la seconda valvola dovrebbe essere chiusa e la prima dovrebbe essere aperta e ripetere la sequenza di azioni.

Cicli turbina a gas

Per quanto riguarda l'attuazione pratica dell'uno o dell' altro ciclo termodinamico, i progettisti devono affrontare molti ostacoli tecnici insormontabili. L'esempio più caratteristico: quando l'umidità del vapore è superiore all'8-12%, le perdite nel percorso del flusso della turbina a vapore aumentano notevolmente, i carichi dinamici aumentano e si verifica l'erosione. Questo alla fine porta alla distruzione del percorso del flusso della turbina.

Come risultato di queste restrizioni nel settore energetico (per ottenere un lavoro), finora sono ampiamente utilizzati solo due cicli termodinamici di base: il ciclo di Rankine e il ciclo di Brayton. La maggior parte delle centrali elettriche si basa su una combinazione di elementi di questi cicli.

Il ciclo Rankine viene utilizzato per fluidi di lavoro che effettuano una transizione di fase durante l'attuazione del ciclo; le centrali a vapore funzionano secondo questo ciclo. Per i fluidi di lavoro che non possono essere condensati in condizioni reali e che chiamiamo gas, viene utilizzato il ciclo di Brayton. Attraverso questo cicloimpianti a turbina a gas e motori a combustione interna sono in funzione.

Carburante utilizzato

La stragrande maggioranza delle turbine a gas è progettata per funzionare a gas naturale. A volte i combustibili liquidi vengono utilizzati nei sistemi a bassa potenza (meno spesso - media, molto raramente - alta potenza). Una nuova tendenza è il passaggio dei sistemi compatti di turbine a gas all'uso di materiali combustibili solidi (carbone, meno spesso torba e legno). Queste tendenze sono dovute al fatto che il gas è una preziosa materia prima tecnologica per l'industria chimica, dove il suo utilizzo è spesso più redditizio rispetto al settore energetico. La produzione di impianti a turbina a gas in grado di funzionare in modo efficiente con combustibili solidi sta guadagnando slancio.

Differenza tra ICE e GTU

La differenza fondamentale tra motori a combustione interna e complessi di turbine a gas è la seguente. In un motore a combustione interna, i processi di compressione dell'aria, combustione del carburante ed espansione dei prodotti della combustione avvengono all'interno di un elemento strutturale, chiamato cilindro del motore. Nelle turbine a gas, questi processi sono separati in unità strutturali separate:

• la compressione viene eseguita nel compressore;
• combustione del combustibile, rispettivamente, in una camera speciale;
• l'espansione dei prodotti della combustione avviene in una turbina a gas.

Di conseguenza, strutturalmente, le turbine a gas ei motori a combustione interna hanno poche somiglianze, sebbene funzionino secondo cicli termodinamici simili.

Conclusione

Con lo sviluppo della produzione di energia su piccola scala, aumentandone l'efficienza, i sistemi GTP e STP occupano una quota crescente del totalesistema energetico mondiale. Di conseguenza, la promettente professione di operatore di impianti di turbine a gas è sempre più richiesta. Seguendo i partner occidentali, un certo numero di produttori russi ha imparato la produzione di turbine a gas convenienti. Severo-Zapadnaya CHPP a San Pietroburgo è diventata la prima centrale a ciclo combinato di nuova generazione in Russia.