Turbine cu Gaz

ACADEMIA NAVALA MIRCEA CEL BATRANREFERATTURBINE CU GAZE studentul BACIU ALEXANDRU1. Consideraii generale

Instalaia de turbin cu gaze (ITG) este o main termic care realizeaz conversia energiei chimice a combustibilului n energie mecanic, utiliznd ca agent termic un gaz. Gazele utilizate n acest scop pot fi: aer, gaze de ardere, dioxid de carbon, heliu, etc.

Ciclul termodinamic dup care evolueaz instalaiile moderne de turbine cu gaze este ciclul Brayton, ntlnit n literatura de specialitate i sub denumirea de Joule. n figura 1 este prezentat n coordonate temperatur-entropie (T-s) forma ciclului Brayton teoretic, pentru care se disting urmtoarele transformri termodinamice:

1 - 2 compresie izentrop

2 - 3 nclzire izobar

3 - 4 destindere izentrop

4 - 1 rcire izobar

Fig. 1. Ciclul Brayton teoretic

Din punct de vedere al modului de interaciune ntre agentul termic i produsele de ardere corespunztoare sursei calde a ciclului, se disting:

ITG n circuit deschisAgentul de lucru se amestec cu produsele de ardere la sursa cald i apoi se destind mpreun n turbin, pentru a fi ulterior eapate n atmosfer. Din punct de vedere termodinamic nu se poate vorbi n acest caz despre un ciclu propriu-zis. nchiderea acestuia se realizeaz prin intermediul atmosferei, care reprezint n acelai timp i sursa rece a ciclului. n mod exclusiv, la ITG n circuit deschis se utilizeaz ca agent termic aerul. ITG n circuit nchisSpre deosebire de cazul anterior, att sursa cald, ct i sursa rece a ciclului se caracterizeaz prin prezena unor suprafee de schimb de cldur. Agentul termic nu intr n contact direct nici cu produsele de ardere, nici cu fluidul de rcire. Masa de agent termic se conserv n interiorul ciclului, deci se pot utiliza n acest scop gaze mai scumpe, dar cu proprieti termodinamice mai bune dect ale aerului: CO2, He.

ntr-o proporie covritoare, n centralele termoelectrice se utilizeaz ITG n circuit deschis. ITG n circuit nchis au o rspndire limitat, putnd fi ntlnite n cadrul unor filiere de centrale nuclearo-electrice. n prezenta lucrare se abordeaz ITG din prima categorie.

n figura 2 sunt prezentate schema de principiu pentru o ITG n circuit deschis i procesul real n coordonate T-s.

a) b)

Fig. 2 ITG n circuit deschisa) Schema de principiu; b) Reprezentarea procesului n coordonate T-s

K- compresor; CA - camer de ardere; TG - turbin cu gaze; FA - filtru de aer;

AZ - amortizor de zgomot; G - generator electricPe scurt, modul de funcionare al unei ITG n circuit deschis poate fi descris astfel: Aerul este aspirat de compresor prin intermediul unui filtru FA. Acesta are rolul de a opri eventualele impuriti mecanice care ar conduce la degradarea paletajului compresorului.

Dup compresie, aerul ptrunde n camera de ardere unde se amestec cu combustibilul. Energia necesar compresiei este furnizat de turbina cu gaze (compresorul i turbina cu gaze sunt dispuse pe aceeai linie de arbori).

Produsele de ardere ies din CA i se destind n turbina cu gaze producnd lucru mecanic. O parte din lucrul mecanic produs este utilizat pentru antrenarea compresorului, iar cealalt parte este transmis ctre generatorul electric.

Gazele de ardere sunt eapate n atmosfer prin intermediul unui amortizor de zgomot care are rolul de a reduce poluarea fonic.

2. Parametrii caracteristici de proiect ai ciclului ITG

Principalii parametrii care caracterizeaz ciclul termodinamic ce st la baza funcionrii ITG sunt:

Temperatura nainte de turbina cu gaze (conform figurii 1)

Raportul de compresie:

.

(1)

Aceti doi parametri sunt utilizai de furnizorii de ITG n cataloagele de prezentare a produselor proprii.

Din punct de vedere al modului n care este definit temperatura nainte de turbina cu gaze, exist trei variante posibile: reprezint temperatura medie a gazelor de ardere pe bordul de fug al ajutajelor primei trepte din turbin (). Firma General Electric i liceniaii ei utilizeaz aceast definiie. O astfel de temperatur indic punctul de la care ncepe extracia de lucru mecanic. este determinat conform normelor International Standards Organisation (ISO) (). Este o temperatur fictiv ce rezult n urma unui bilan termic pe sistemul de combustie. Reprezint temperatura de intrare ntr-o turbin cu gaze echivalent, fr rcire cu aer a paletelor rotorice i statorice, care produce acelai efect ca i turbina real. reprezint temperatura real de intrare n ajutajele primei trepte a turbinei (). Practic, acest mod de definire nu este utilizat de ctre constructorii de ITG.

n ceea ce privete efectul variaiei i asupra performanelor nominale ale ITG se cunosc urmtoarele elemente:

Creterea lui conduce n mod nemijlocit la creterea randamentului i puterii ITG.

Exist o valoare a raportului de compresie () pentru care randamentul ITG devine maxim (n ipoteza = const.).

Exist o valoare a raportului de compresie () pentru care puterea ITG devine maxim (n condiiile n care i debitul de aer aspirat de compresor rmn constante).

ntotdeauna este valabil relaia:

.

(2)

n funcie de valoarea raportului de compresie aleas pentru dimensionare, se disting dou familii de instalaii de turbine cu gaze: ITG de tip industrial ("heavy-duty")

Se caracterizeaz prin faptul c nc de la nceput ele au fost gndite pentru aplicaii industriale (producere de energie electric sau antrenri mecanice). Tehnologia de fabricaie a acestora se bazeaz pe cea corespunztoare turbinelor cu abur. Obiectivul unei astfel de ITG este de a furniza o putere ct mai mare pentru un debit dat de aer aspirat de compresor. In consecin, pentru dimensionare se utilizeaz . ITG de tip aeroderivativ

Proiectarea acestor tipuri de instalaii are la baz concepia de realizare a motoarelor de aviaie. Principala cerin ce trebuie ndeplinit este realizarea unui consum specific de combustibil ct mai redus, pentru a limita cantitatea de carburant care trebuie transportat. Este necesar obinerea unui randament ct mai ridicat, deci pentru dimensionare se utilizeaz .

Valorile lui i cresc odat cu . Deci, pentru a obine un efect maxim asupra randamentului i puterii, creterea valorii de proiect a lui trebuie nsoit de o mrire corespunztoare a raportului de compresie.

3. Componentele ITG3.1 Concepia de ansamblu a ITG

n raport cu o unitate energetic care are la baz un ciclu convenional cu abur, una din principalele caracteristici ale ITG este structura compact. Pentru exemplificare, n figura 7 este prezentat o seciune printr-o ITG de tip MS 7000 EA, de fabricaie General Electric, iar n figura 8 este dat o vedere a unei ITG de provenien Siemens.

Se pot face urmtoarele observaii generale:

Sursa cald a ITG, camera de ardere, are dimensiuni mult mai reduse dect cele ale unui cazan de abur, care ndeplinete aceeai funcie n cadrul centralelor termoelectrice convenionale cu abur.

Cele trei piese principale ale ITG - compresorul de aer, camera de ardere, turbina cu gaze - sunt amplasate una lng alta. Se elimin astfel necesitatea unor canale lungi de legtur ntre aceste componente.

Utilizarea ca surs rece a aerului atmosferic elimin de asemenea condensatorul i celelalte circuite voluminoase de ap de rcire ntlnite uzual la turbinele cu abur.3.2. Dispunerea componentelor ITG pe linia de arbori

Majoritatea ITG de tip "heavy-duty" au adoptat sistemul n care compresorul, turbina cu gaze si generatorul electric sunt situate pe aceeai linie de arbori.

Soluia clasic este aceea prezentat n figura 3, n care turbina cu gaze este ncadrat de compresor i de generatorul electric. Avantajul acestei dispuneri const n faptul c transmisia cuplului mecanic de la turbin se face n condiii bune att spre compresor, ct i spre generatorul electric.

Fig. 3 Dispunerea ITG cu generatorul electric la "partea cald"(eaparea din turbin cu gaze)

Aceast variant are ns un dezavantaj major: plasarea generatorului electric la eaparea din turbin oblig schimbarea direciei gazelor de ardere evacuate din ITG cu 90. Sunt introduse astfel pierderi suplimentare de presiune pe traseul gazelor de ardere, ceea ce diminueaz lucrul mecanic specific i eficiena ITG.

Ca urmare, innd seama i de probleme legate de ncadrarea ITG ntr-un ciclu combinat gaze-abur, a fost revizuit concepia de dispunere a componentelor pe linia de arbori. Astfel, generatorul electric a fost mutat la "captul rece", lng compresor (figura 4). n aceste condiii, gazele de ardere vor eapa din turbin paralel cu linia de arbori, intrnd direct n cazanul recuperator, fr schimbri de direcie, deci cu pierderi minime de presiune.

ITG de tip "aeroderivativ" se caracterizeaz prin dispunerea pe mai multe linii de arbori.

Existena mai multor linii de arbori i a mai multor corpuri de turbin ofer urmtoarele avantaje: La funcionarea la sarcini pariale se poate realiza un bun reglaj al debitului de aer aspirat de compresor, prin variaia turaiei compresorului de joas presiune.

Exist posibilitatea de a injecta abur n turbina cu gaze n scopul creterii puterii ITG.

Pentru a obine gabarite ct mai reduse, multe ITG de mic i medie putere (ndeosebi de tip "heavy-duty") sunt proiecte pentru turaii sensibil mai mari dect cele sincrone. In acest caz este necesar prevederea unui reductor de turaie pentru cuplarea generatorului electric.

Fig. 4 Dispunerea ITG cu generatorul electric la "partea rece"(admisia n compresor)3.3 Compresorul de aer

Dac epoca de pionierat a ITG era caracterizat prin utilizarea compresoarelor centrifugale cu unul sau dou etaje, dup 1950 locul lor a nceput s fie luat de maini axiale. Acestea din urm s-au impus n principal din dou motive: Randament politropic mult mai bun dect cel al compresoarelor centrifugale (90% fa de 80 %);

Realizarea unor rapoarte de compresie convenabile pentru debite mari de agent.

Totui, compresoarele centrifugale pot fi nc interesante datorit construciei mai simple n raport cu cele axiale, precum i datorit funcionrii stabile pe o plaj larg de ncrcri. La ora actual, unele ITG din gama de mic putere sunt nc dotate cu astfel de componente. La alte categorii de compresoare, primele trepte sunt axiale, iar ultima poate fi centrifugal.

n scopul reglrii debitului de aer aspirat, compresoarele axiale moderne sunt prevzute la intrare cu pale statorice cu nclinare variabil. Acestea pot asigura o variaie a sarcinii pn sub 50% din valoarea nominal, meninndu-se n acelai timp un bun randament al ITG.

4.4. Camera de ardere

Din punct de vedere constructiv i al dispunerii se pot distinge urmtoarele categorii de camere de ardere: Camer de ardere unic, plasat pe ax vertical deasupra ITG; Camer de ardere dubl; cele dou piese sunt dispuse pe ax orizontal sau vertical de o parte i de alta a ITG;

Camere de ardere multiple, plasate pe circumferina ITG;

Camer de ardere inelar.Soluiile cu camer unic sau dubl, bazate pe experiena obinut n realizarea cazanelor de abur convenionale, au avantajul obinerii unor randamente ale arderii foarte bune i ale unor pierderi mici de presiune.

Folosirea mai multor camere de ardere mici plasate circular pe circumferin confer avantajul unei mari compactiti i disponibiliti a ITG. Defectarea uneia dintre acestea nu duce la oprirea ntregii instalaii. n plus, aceast soluie ofer o distribuie uniform a cmpurilor de temperatur n seciunea de admisie n turbina cu gaze.Camera de ardere inelar realizeaz o flacr unic dispus pe circumferina turbinei cu gaze. Ea reprezint soluia cea mai bun din punct de vedere al distribuiei de temperaturi la intrarea n prima treapt a turbinei.

Iniial, ITG funciona cu preponderen n zona de vrf a curbei de sarcin, fiind prevzut cu sisteme de ardere doar pentru un singur tip de combustibil. Trecerea n baza curbei de sarcin a impus realizarea unor camere de ardere capabile s funcioneze cu dou tipuri de combustibil (principal, respectiv de rezerv), fiecare cu propriile lui arztoare.

Integrarea gazeificrii crbunelui n cadrul ciclurilor combinate gaze-abur implic utilizarea unei noi generaii de camere de ardere. Acestea trebuie s satisfac dou condiii specifice utilizrii unor combustibili cu putere calorific redus: arderea unor debite mari de combustibil, respectiv stabilitate a arderii.

n Tabelul 1 sunt prezentate tipurile de combustibil posibil a fi utilizate n ITG.

Gazul natural reprezint cel mai comod combustibil, att din punct de vedere al manipulrii, ct i al caracteristicilor de ardere.

n absen gazului natural, combustibilul lichid uor constituie un bun nlocuitor. El pune ns o serie de probleme n ceea ce privete asigurarea unui bun randament al arderii.Tabelul 1 Combustibili posibil a fi utilizai n ITGCombustibili tradiionali gaz natural

combustibil lichid uor (motorin)

Combustibili lichizi speciali metanol

pcur grea

kerosene

Combustibili gazoi speciali gaz de sintez gaz de furnal

gaz de gazogen

Combustibilii lichizi, cu precdere pcura grea, se caracterizeaz printr-un grad mare de contaminare cu agenii de coroziune (NaCl, V, Pb). n aceste condiii se impune o tratare a combustibilului nainte de a fi introdus n camera de ardere, pentru a prentmpina fenomene nedorite i degradarea turbinei cu gaze. O soluie poate fi reprezentat chiar de gazeificarea fraciunilor grele rezultate din rafinarea petrolului.Gazul de furnal este unul din cele mai importante produse secundare ale unui combinat siderurgic. El este deja folosit drept combustibil n cadrul unor centrale convenionale cu abur. Puterea sa calorific relativ redus (situat n jurul valorii de 3700 kJ/m3N) l face ns impropriu de a fi introdus ca atare n camera de ardere a ITG. Este necesar o nnobilare a acestui combustibil printr-un aport de gaz natural.

Din punct de vedere al resurselor i rezervelor dovedite pe plan mondial, crbunele ocup de departe primul loc n cadrul combustibililor fosili. O utilizare direct a acestuia n camera de ardere a ITG pune probleme deosebite din punct de vedere al coroziunii i, ndeosebi, al eroziunii care apare la paletajul turbinei cu gaze. n schimb, gazeificarea reprezint o soluie tentant de utilizare a acestui tip de combustibil pentru alimentarea unei ITG.

3.5. Turbina cu gaze

Din punct de vedere constructiv, turbinele cu gaze se aseamn cu cele cu abur. Dup modul de realizare al destinderii gazelor de ardere pot fi ntlnite turbine att cu aciune (reaciune redus), ct i cu reaciune.

Utilizarea paletelor cu aciune prezint o serie de avantaje din punct de vedere al evoluiei temperaturii gazelor de ardere n turbin. Treapta cu aciune genereaz o cdere de entalpie sensibil mai mare dect una cu reaciune. Turbina de acest tip va necesita n consecin un numr mai mic de trepte (pentru aceeai putere, turaie i parametrii de intrare). Deci temperatura gazelor de ardere va scdea mai repede n lungul turbinei.

Utiliznd turbine cu aciune, scade solicitarea termic a treptelor din zona final a turbinei i n acelai timp se reduce debitul necesar de aer de rcire.3.6 Filtrul de aer

Filtrul de aer are rolul de a mpiedica antrenarea de impuriti mecanice n interiorul compresorului. O filtrare corespunztoare a aerului poate prentmpina fenomene nedorite cum ar fi:

erodarea paletelor compresorului (accentuat de vitezele mari de curgere);

coroziunea (datorat prezenei n impuriti a compuilor de sodiu i potasiu care n reacie cu vaporii de ap formeaz substane agresive din punct de vedere chimic);

nfundarea canalelor de curgere prin compresor.

Una din principalele condiii pe care trebuie s le ndeplineasc un filtru de aer este introducerea unor pierderi de presiuni ct mai reduse. Aceste pierderi pot influena sensibil performanele ITG.

O soluie modern este utilizarea filtrelor cu autocurare.

Dispozitivul este format din mai multe cartue filtrante dispuse n paralel, realizate pe baz de hrtie special tratat. Cnd pierderea de presiune pe unul din cartue depete o valoare impus (datorit prafului colectat), se introduce n contracurent un flux de aer de nalt presiune prelevat de obicei din refularea compresorului. Se realizeaz n felul acesta o ndeprtare a particulelor solide colectate de filtru, particule ce sunt evacuate pe la partea inferioar a instalaiei.

Autocurarea se realizeaz concomitent doar pentru un numr mic de cartue din totalul existent n filtru, astfel nct funcionarea ITG nu este perturbat.

Filtrele cu autocurare sunt recomandate n mod deosebit pentru zone uscate, cu coninut ridicat de impuriti mecanice n atmosfer, n condiiile n care ITG lucreaz la baza curbei de sarcin.

Alte tipuri de filtre, bazate pe dou sau trei elemente filtrante nseriate, au dezavantajul de a necesita o nlocuire periodic a elementelor componente la intervale relativ scurte.

Eficiena filtrelor nu depete 99%, astfel nct o cantitate nsemnat de impuriti ptrunde n compresor. n acest sens, una dintre msurile luate mpotriva coroziunii i eroziunii este aplicarea unui strat de protecie pe suprafeele metalice ale compresorului.

3.7 Amortizorul de zgomotLegislaia privind protecia mediului impune restricii severe n ceea ce privete poluarea fonic. Din acest punct de vedere, instalaia de turbin cu gaze reprezint o important surs de zgomot.

Aproximativ 50% din poluarea fonic generat de ITG este datorat punctelor de admisie al aerului n compresor, respectiv de eapare al gazelor de ardere din turbin. n consecin, aceste puncte trebuiesc prevzute cu dispozitive care s atenueze zgomotul. n acest scop se pot utiliza materiale absorbante, dispuse paralel cu direcia de curgere a agentului termic (figura 5).

Fig. 16 Dispunerea materialelor absorbante de zgomotAmortizoarele de zgomot sunt necesare att n aspiraia compresorului, ct i n refularea turbinei cu gaze. Dezavantajul major care rezult din aceast amplasare este introducerea unor pierderi suplimentare de presiune.3.8. Instalaia de pornire a ITGLansarea ITG necesit admisia concomitent n camera de ardere, pe de-o parte a aerului refulat de compresor, iar pe de alt parte a combustibilului. ns compresorul nu poate asigura aceast condiie atta timp ct turbina cu gaze nu produce lucru mecanic (se reamintete c antrenarea compresorului este asigurat de ctre turbina cu gaze). Devine necesar existena unor surse externe care s permit pornirea compresorului, independent de turbina cu gaze.Dintre instalaiile folosite pentru pornirea ITG se menioneaz:

motoare electrice de curent alternativ sau continuu;

motoare Diesel;

turbine cu gaze sau cu abur (cnd exist o surs secundar disponibil de gaze de ardere sau de abur sub presiune); turbine cu aer (alimentarea se face cu aer comprimat stocat n rezervoare special destinate n acest scop).

Instalaiile de pornire sunt legate de arborele ITG prin intermediul unui ambreiaj care permite decuplarea lor dup lansare.

n cazul ITG de mare putere, generatorul electric poate fi utilizat pentru pornire, el lucrnd n regim de motor sincron.

BIBLIOGRAFIE

1 Adkins R.C., .a., A combustor diffuser of annular configuration suitable for industrial gas turbine, publicaie ASME 92-GT-41, 19922 Beltran A.M., Foster A. D., Pepe J. J., Schilke P. W., Advanced gas turbine materials and coatings,GE Marketing Communications, GER-3569D, 19933 Brandt D. E., Wesorick R. R., Gas turbine design philosophy,GE Marketing Communications, GER-3434C, 19934 Deblon B., Preventive maintenance reduces operating costs of gas turbines, Publicaie Siemens Power Generation, august 19915Emsperger W., Karg J., Voigtlander P., IGCC holds promise for burning oil residues,Modern Power Systems, aprilie 19956 ***, Notite de curss

T

3

4

1

2

p1

p2

0

1

2

3

4

5

T

s

p2

p0

_230994996.unknown

_238885816.unknown