Generador de turbina de gas. Turbinas de gas y unidades de turbinas de gas de baja potencia en el mercado ruso. Diseño de turbinas de gas

"Turbo", "turborreactor", "turbohélice": estos términos han entrado firmemente en el léxico de los ingenieros del siglo XX involucrados en el diseño y mantenimiento de vehículos e instalaciones eléctricas estacionarias. Se utilizan incluso en áreas afines y publicitarias, cuando se quiere dar al nombre del producto algún toque de especial potencia y eficacia. En aviación, cohetes, barcos y centrales eléctricas, la turbina de gas se usa con mayor frecuencia. ¿Cómo está organizado? ¿Funciona con gas natural (como sugiere el nombre), y cómo son? ¿En qué se diferencia una turbina de otros tipos de motores de combustión interna? ¿Cuáles son sus ventajas y desventajas? En este artículo se intenta responder a estas preguntas de la manera más completa posible.

UEC, líder ruso en la construcción de maquinaria

Rusia, a diferencia de muchos otros estados independientes formados después del colapso de la URSS, logró preservar en gran medida la industria de construcción de maquinaria. En particular, la empresa Saturn se dedica a la producción de centrales eléctricas para fines especiales. Las turbinas de gas de esta empresa se utilizan en la construcción naval, la industria de materias primas y la energía. Los productos son de alta tecnología, requieren un enfoque especial durante la instalación, depuración y operación, así como conocimientos especiales y equipos costosos para el mantenimiento programado. Todos estos servicios están disponibles para los clientes de UEC - Turbinas de Gas, como se le llama hoy. No hay tantas empresas de este tipo en el mundo, aunque el principio de organizar los productos principales es simple a primera vista. La experiencia acumulada es de gran importancia, lo que permite tener en cuenta muchas sutilezas tecnológicas, sin las cuales es imposible lograr un funcionamiento duradero y confiable de la unidad. Esta es solo una parte de la gama de productos de UEC: turbinas de gas, centrales eléctricas, unidades de bombeo de gas. Entre los clientes se encuentran "Rosatom", "Gazprom" y otras "ballenas" de la industria química y energética.

La fabricación de máquinas tan complejas requiere un enfoque individual en cada caso. Actualmente, el cálculo de una turbina de gas está completamente automatizado, pero los materiales y las características de los diagramas de cableado son importantes en cada caso individual.

Y todo empezó tan fácil...

Búsquedas y parejas

Los primeros experimentos de conversión de la energía de traslación del flujo en fuerza de rotación fueron realizados por la humanidad en la antigüedad, utilizando una rueda hidráulica común. Todo es extremadamente simple, el líquido fluye de arriba hacia abajo, las cuchillas se colocan en su flujo. La rueda, equipada con ellos en todo el perímetro, está girando. El molino de viento funciona de la misma manera. Luego vino la era del vapor, y la rueda giró más rápido. Por cierto, el llamado "eolipil", inventado por el antiguo griego Heron unos 130 años antes del nacimiento de Cristo, era una máquina de vapor que funciona exactamente según este principio. En esencia, esta fue la primera turbina de gas conocida por la ciencia histórica (después de todo, el vapor es un estado gaseoso de agregación de agua). Hoy, sin embargo, es costumbre separar estos dos conceptos. El invento de Heron fue tratado entonces en Alejandría sin mucho entusiasmo, aunque con curiosidad. Los equipos industriales de tipo turbina aparecieron solo a fines del siglo XIX, después de la creación de la primera unidad de potencia activa del mundo equipada con una boquilla por parte del sueco Gustaf Laval. Aproximadamente en la misma dirección trabajaba el ingeniero Parsons, dotando a su máquina de varios pasos conectados funcionalmente.

El nacimiento de las turbinas de gas

Un siglo antes, un tal John Barber tuvo una idea brillante. ¿Por qué es necesario calentar primero el vapor? ¿No es más fácil utilizar directamente los gases de escape generados durante la combustión del combustible y, por lo tanto, eliminar la mediación innecesaria en el proceso de conversión de energía? Así surgió la primera turbina de gas real. La patente de 1791 establece la idea básica de ser utilizada en un carruaje sin caballos, pero sus elementos se utilizan hoy en día en motores modernos de cohetes, aviones, tanques y automóviles. El inicio del proceso de construcción de motores a reacción lo dio en 1930 Frank Whittle. Se le ocurrió la idea de usar una turbina para propulsar un avión. Posteriormente, encontró desarrollo en numerosos proyectos de turbohélices y turborreactores.

Turbina de gas Nikola Tesla

El famoso científico-inventor siempre ha abordado los temas en estudio de una manera no estándar. A todos les pareció obvio que las ruedas con paletas o palas "captan" el movimiento del medio mejor que los objetos planos. Tesla, en su forma habitual, demostró que si ensambla un sistema de rotor a partir de discos dispuestos en serie en el eje, luego al recoger las capas límite con un flujo de gas, no girará peor y, en algunos casos, incluso mejor que una hélice multipala. Es cierto que la dirección del medio en movimiento debe ser tangencial, lo que no siempre es posible o deseable en las unidades modernas, pero el diseño se simplifica enormemente: no necesita cuchillas en absoluto. Aún no se está construyendo una turbina de gas según el esquema de Tesla, pero tal vez la idea esté esperando su momento.

diagrama de circuito

Ahora sobre el dispositivo fundamental de la máquina. Es una combinación de un sistema giratorio montado en un eje (rotor) y una parte fija (estator). En el eje hay un disco con cuchillas de trabajo que forman una red concéntrica, se ven afectados por el gas suministrado a presión a través de boquillas especiales. Luego, el gas expandido ingresa al impulsor, también equipado con palas, llamadas trabajadores. Para la entrada de la mezcla de aire y combustible y la salida (escape), se utilizan tuberías especiales. El compresor también está involucrado en el esquema general. Se puede hacer de acuerdo con un principio diferente, dependiendo de la presión de trabajo requerida. Para su funcionamiento se toma una parte de la energía del eje, que se utiliza para comprimir el aire. La turbina de gas funciona mediante el proceso de combustión de la mezcla aire-combustible, acompañada de un importante aumento de volumen. El eje gira, su energía se puede utilizar de manera útil. Tal esquema se llama circuito único, pero si se repite, se considera de varias etapas.

Ventajas de las turbinas de avión.

Desde mediados de los años cincuenta, apareció una nueva generación de aviones, incluidos los de pasajeros (en la URSS son Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124, etc.) ), en diseños en los que los motores de pistón de los aviones fueron suplantados definitiva e irrevocablemente por los de turbina. Esto indica una mayor eficiencia de este tipo de centrales eléctricas. Las características de la turbina de gas son superiores a los parámetros de los motores con carburador en muchos aspectos, en particular, en términos de potencia/peso, que es de suma importancia para la aviación, así como indicadores igualmente importantes de confiabilidad. Menor consumo de combustible, menos piezas móviles, mejor desempeño ambiental, ruido y vibraciones reducidos. Las turbinas son menos críticas para la calidad del combustible (lo que no se puede decir de los sistemas de combustible), son más fáciles de mantener y requieren menos aceite lubricante. En general, a primera vista parece que no se componen de metal, sino de sólidas virtudes. Por desgracia, no lo es.

Hay desventajas de los motores de turbina de gas.

La turbina de gas se calienta durante el funcionamiento y transfiere calor a los elementos estructurales circundantes. Esto es especialmente crítico, de nuevo en la aviación, cuando se usa un esquema de diseño redan que implica lavar la parte inferior de la cola con una corriente en chorro. Y la carcasa del motor en sí requiere un aislamiento térmico especial y el uso de materiales refractarios especiales que puedan soportar altas temperaturas.

Enfriar turbinas de gas es un desafío técnico complejo. No es broma, funcionan como una explosión virtualmente permanente que ocurre en el cuerpo. La eficiencia en algunos modos es menor que la de los motores de carburador, sin embargo, cuando se utiliza un esquema de doble circuito, este inconveniente se elimina, aunque el diseño se vuelve más complicado, como en el caso de incluir compresores "booster" en el esquema. La aceleración de las turbinas y alcanzar el modo de operación requiere algún tiempo. Cuanto más se enciende y se detiene la unidad, más rápido se desgasta.

Aplicación correcta

Bueno, ningún sistema está libre de fallas. Es importante encontrar una aplicación de cada uno de ellos, en la que sus ventajas se manifiesten más claramente. Por ejemplo, tanques como el American Abrams, que funciona con una turbina de gas. Se puede llenar con cualquier cosa que se queme, desde gasolina de alto octanaje hasta whisky, y produce mucha energía. Este puede no ser un muy buen ejemplo, ya que la experiencia en Irak y Afganistán ha demostrado la vulnerabilidad de las paletas del compresor a la arena. La reparación de las turbinas de gas debe realizarse en los EE. UU., en la planta de fabricación. Llévate el tanque de ida, luego de vuelta, y el costo del mantenimiento en sí, más los accesorios...

Los helicópteros, rusos, estadounidenses y de otros países, así como las potentes lanchas rápidas, se ven menos afectados por la obstrucción. En cohetes líquidos, son indispensables.

Los barcos de guerra modernos y los barcos civiles también tienen motores de turbina de gas. Y también energía.

Centrales trigeneradoras

Los problemas que enfrentan los fabricantes de aeronaves no son tan preocupantes para quienes fabrican equipos industriales para generar electricidad. El peso en este caso ya no es tan importante, y puedes centrarte en parámetros como la eficiencia y la eficiencia general. Las unidades generadoras de turbinas de gas tienen un marco macizo, un marco confiable y palas más gruesas. Es muy posible aprovechar el calor generado, utilizándolo para una variedad de necesidades, desde el reciclaje secundario en el propio sistema, hasta la calefacción de locales domésticos y el suministro térmico de unidades de refrigeración de tipo absorción. Este enfoque se llama trigenerador, y la eficiencia en este modo se acerca al 90%.

Plantas de energía nuclear

Para una turbina de gas, no hace ninguna diferencia fundamental cuál es la fuente del medio calentado que da su energía a sus álabes. Puede ser una mezcla de aire y combustible quemado, o simplemente vapor sobrecalentado (no necesariamente agua), lo principal es que asegura su suministro de energía ininterrumpido. En esencia, las plantas de energía de todas las plantas de energía nuclear, submarinos, portaaviones, rompehielos y algunos barcos militares de superficie (el crucero de misiles Pedro el Grande, por ejemplo) se basan en una turbina de gas (GTU) rotada por vapor. Los problemas ambientales y de seguridad dictan un circuito primario cerrado. Esto significa que el agente de calor primario (en las primeras muestras este papel lo desempeñaba el plomo, ahora ha sido reemplazado por parafina) no abandona la zona cercana al reactor, fluyendo alrededor de los elementos combustibles en un círculo. El calentamiento de la sustancia de trabajo se lleva a cabo en circuitos posteriores, y el dióxido de carbono, el helio o el nitrógeno evaporados hacen girar la rueda de la turbina.

Aplicación amplia

Las instalaciones complejas y grandes son casi siempre únicas, su producción se realiza en pequeños lotes o, en general, se realizan copias individuales. Muy a menudo, las unidades producidas en grandes cantidades se utilizan en sectores pacíficos de la economía, por ejemplo, para bombear materias primas de hidrocarburos a través de tuberías. Son estos los que produce la empresa UEC bajo la marca Saturn. Las turbinas de gas de las estaciones de bombeo son totalmente consistentes con su nombre. Realmente bombean gas natural, usando su propia energía para su trabajo.

Una turbina de gas se conoce comúnmente como un motor de funcionamiento continuo. A continuación, hablaremos sobre cómo se organiza una turbina de gas, cuál es el principio de funcionamiento de la unidad. Una característica de dicho motor es que, en su interior, la energía se produce mediante gas comprimido o calentado, cuyo resultado es el trabajo mecánico en el eje.

Historia de la turbina de gas

Curiosamente, los ingenieros han desarrollado mecanismos de turbina durante mucho tiempo. La primera turbina de vapor primitiva se creó en el siglo I a. mi.! Por supuesto, es esencial
Este mecanismo ha alcanzado su apogeo solo ahora. Las turbinas comenzaron a desarrollarse activamente a fines del siglo XIX, simultáneamente con el desarrollo y la mejora de la termodinámica, la ingeniería mecánica y la metalurgia.

Los principios de los mecanismos, materiales, aleaciones han cambiado, todo se ha mejorado, y ahora, hoy, la humanidad conoce la más perfecta de todas las formas existentes de una turbina de gas, que se divide en varios tipos. Hay una turbina de gas de aviación y otra industrial.

Es costumbre llamar a una turbina de gas una especie de motor térmico, sus partes de trabajo están predeterminadas con una sola tarea: girar debido a la acción de un chorro de gas.

Está dispuesto de tal manera que la parte principal de la turbina está representada por una rueda en la que se unen juegos de palas. , actuando sobre las palas de una turbina de gas, las hace mover y hacer girar la rueda. La rueda, a su vez, está rígidamente sujeta al eje. Este tándem tiene un nombre especial: el rotor de la turbina. Como resultado de este movimiento que se produce en el interior del motor de una turbina de gas, se obtiene energía mecánica, que se transmite a un generador eléctrico, a la hélice de un barco, a la hélice de un avión ya otros mecanismos de trabajo de principio de funcionamiento similar.

Turbinas activas y de chorro

El impacto del chorro de gas en los álabes de la turbina puede ser doble. Por lo tanto, las turbinas se dividen en clases: la clase de turbinas activas y reactivas. Las turbinas de gas reactivas y activas difieren en el principio del dispositivo.

turbina de impulso

Una turbina activa se caracteriza por el hecho de que hay una alta tasa de flujo de gas a las palas del rotor. Con la ayuda de una hoja curva, el chorro de gas se desvía de su trayectoria. Como resultado de la desviación, se desarrolla una gran fuerza centrífuga. Con la ayuda de esta fuerza, las palas se ponen en movimiento. Durante todo el recorrido descrito del gas, se pierde una parte de su energía. Dicha energía se dirige al movimiento del impulsor y el eje.

turbina de chorro

En una turbina a reacción, las cosas son algo diferentes. Aquí, el flujo de gas a las palas del rotor se realiza a baja velocidad y bajo la influencia de un alto nivel de presión. La forma de las palas también es excelente, por lo que la velocidad del gas aumenta significativamente. Así, el chorro de gas crea una especie de fuerza reactiva.

Del mecanismo descrito anteriormente, se deduce que el dispositivo de una turbina de gas es bastante complicado. Para que una unidad de este tipo funcione sin problemas y genere ganancias y beneficios para su propietario, debe confiar su mantenimiento a profesionales. Las empresas de perfil de servicio prestan servicio de mantenimiento de instalaciones que utilizan turbinas de gas, suministros de componentes, todo tipo de piezas y repuestos. DMEnergy es una de esas empresas () que brinda a su cliente la tranquilidad y la confianza de que no se quedará solo con los problemas que surgen durante la operación de una turbina de gas.

Las centrales eléctricas de capacidad relativamente pequeña pueden incluir motores de turbina de gas (GTE) y motores alternativos (RP). Como resultado, los clientes a menudo preguntan que disco es mejor. Y, aunque definitivamente es imposible responderla, el propósito de este artículo es un intento de entender este tema.

Introducción

La elección del tipo de motor, así como su número para accionar generadores eléctricos en una central eléctrica de cualquier capacidad, es una tarea técnica y económica compleja. Los intentos de comparar los motores de pistón y de turbina de gas como accionamiento se realizan con mayor frecuencia utilizando gas natural como combustible. Sus ventajas y desventajas fundamentales se han analizado en la literatura técnica, en los folletos de los fabricantes de centrales eléctricas con motores de pistón e incluso en Internet.

Por regla general, se da información generalizada sobre la diferencia en el consumo de combustible, en el costo de los motores, sin tener en cuenta su potencia y condiciones de funcionamiento. A menudo se observa que es preferible formar la composición de centrales eléctricas con una capacidad de 10-12 MW sobre la base de motores alternativos y mayor potencia, sobre la base de turbinas de gas. Estas recomendaciones no deben tomarse como un axioma. Una cosa es obvia: cada tipo de motor tiene sus ventajas y desventajas, ya la hora de elegir un propulsor se necesitan algunos criterios cuantitativos, al menos indicativos, para su evaluación.

Actualmente, el mercado energético ruso ofrece una gama bastante amplia de motores alternativos y de turbina de gas. Entre los motores de pistón predominan los importados y entre los motores de turbina de gas los nacionales.

La información sobre las características técnicas de los motores de turbinas de gas y las centrales eléctricas basadas en ellos, propuestas para operar en Rusia, se ha publicado regularmente en el "Catálogo de equipos de turbinas de gas" en los últimos años.

Información similar sobre motores alternativos y centrales eléctricas, de las que forman parte, solo se puede obtener de folletos publicitarios de empresas rusas y extranjeras que suministran este equipo. La información sobre el costo de los motores y las centrales eléctricas a menudo no se publica, y la información publicada a menudo no es cierta.

Comparación directa de motores alternativos y de turbina de gas

El procesamiento de la información disponible permite conformar la siguiente tabla, que contiene una evaluación tanto cuantitativa como cualitativa de las ventajas y desventajas de los motores alternativos y de turbina de gas. Desafortunadamente, algunas de las características se toman de materiales promocionales, cuya precisión completa es extremadamente difícil o casi imposible de verificar. Los datos requeridos para la verificación de los resultados de la operación de motores y centrales eléctricas individuales, con raras excepciones, no se publican.

Naturalmente, las cifras dadas son generalizadas; para motores específicos, serán estrictamente individuales. Además, algunos de ellos se dan de acuerdo con las normas ISO, y las condiciones reales de funcionamiento de los motores difieren significativamente de la norma.

La información presentada brinda solo una característica cualitativa de los motores y no puede usarse en la selección de equipos para una planta de energía en particular. Se pueden dar algunos comentarios para cada posición de la tabla.

El mercado de la energía tiene una selección muy grande de motores con diferencias significativas en las características técnicas. La competencia entre los motores de los tipos considerados solo es posible en el rango de potencia eléctrica unitaria de hasta 16 MW. A potencias más altas, los motores de turbina de gas reemplazan a los motores de pistón casi por completo.

Debe tenerse en cuenta que cada motor tiene características individuales, y solo estas deben usarse al elegir un tipo de accionamiento. Esto permite formar la composición del equipo principal de una planta de energía de una capacidad dada en varias versiones, variando, en primer lugar, la potencia eléctrica y el número de motores requeridos. La versatilidad hace que sea difícil elegir el tipo de motor preferido.

Sobre la eficiencia de los motores de pistón y de turbina de gas

La característica más importante de cualquier motor en las centrales eléctricas es la eficiencia de generación de energía (KPIe), que determina el volumen principal, pero no el volumen total de consumo de gas. El procesamiento de datos estadísticos sobre los valores de eficiencia permite mostrar claramente las áreas de aplicación en las que, según este indicador, un tipo de motor tiene ventajas sobre otro.

La disposición mutua y la configuración de los tres seleccionados en la Fig. 1 zonas, dentro de las cuales hay imágenes de puntos de los valores de la eficiencia eléctrica de varios motores, nos permite sacar algunas conclusiones:

• incluso dentro del mismo tipo de motores de la misma potencia, existe una dispersión importante en los valores de eficiencia para la generación de electricidad;
• con una potencia unitaria superior a 16 MW, los motores de turbina de gas en ciclo combinado aportan un valor de eficiencia superior al 48% y acaparan el mercado;
• la eficiencia eléctrica de los motores de turbina de gas de hasta 16 MW, que funcionan tanto en ciclos simples como combinados, es menor (a veces de manera muy significativa) que la de los motores de pistón;
• los motores de turbina de gas con una capacidad unitaria de hasta 1 MW, que han aparecido recientemente en el mercado, son superiores en términos de eficiencia a los motores con una capacidad de 2-8 MW, que se utilizan con mayor frecuencia en las centrales eléctricas;
• la naturaleza del cambio en la eficiencia de los motores de turbina de gas tiene tres zonas: dos con un valor relativamente constante, 27 y 36%, respectivamente, y una variable, de 27 a 36%; dentro de dos zonas, el coeficiente de eficiencia depende débilmente de la potencia eléctrica;
• el valor de la eficiencia para la generación de electricidad de los motores alternativos está en constante dependencia de su potencia eléctrica.

Sin embargo, estos factores no son motivo para dar prioridad a los motores de pistón. Incluso si la planta de energía producirá solo energía eléctrica, al comparar opciones de equipos con diferentes tipos de motores, será necesario realizar cálculos económicos. Es necesario demostrar que el costo del gas ahorrado pagará la diferencia en el costo de los motores alternativos y de turbina de gas, así como el equipo adicional para ellos. No se puede determinar la cantidad de gas ahorrado si se desconoce el modo de funcionamiento de la estación para el suministro de electricidad en invierno y verano. Idealmente, si se conocen las cargas eléctricas necesarias: máxima (día laboral de invierno) y mínima (día libre de verano).

Uso de energía eléctrica y térmica.

Si la central eléctrica debe producir no solo energía eléctrica, sino también térmica, entonces será necesario determinar de qué fuentes es posible cubrir el consumo de calor. Como regla general, hay dos fuentes de este tipo: el calor utilizado de los motores y/o la sala de calderas.

Para los motores de pistón, se utiliza el calor del aceite de refrigeración, el aire comprimido y los gases de escape, para los motores de turbina de gas solo se utiliza el calor de los gases de escape. La mayor parte del calor se recupera de los gases de escape con la ayuda de intercambiadores de calor residuales (UHE).

La cantidad de calor recuperado depende en gran medida del modo de funcionamiento del motor para generar electricidad y de las condiciones climáticas. Una evaluación incorrecta de los modos de funcionamiento del motor en invierno conducirá a errores en la determinación de la cantidad de calor utilizado y una elección incorrecta de la capacidad instalada de la sala de calderas.

Los gráficos de la Fig. 2 muestran la posibilidad de recuperar el suministro de calor de las turbinas de gas y los motores de pistón para fines de suministro de calor. Los puntos de las curvas corresponden a los datos del fabricante sobre las capacidades de los equipos disponibles para la recuperación de calor. En el motor de la misma energía eléctrica, los fabricantes instalan varios UTO, según tareas específicas.

Las ventajas de los motores de turbina de gas en términos de generación de calor son innegables. Esto es especialmente cierto para motores con una potencia eléctrica de 2-10 MW, lo que se explica por el valor relativamente bajo de su eficiencia eléctrica. A medida que aumenta la eficiencia de los motores de turbina de gas, la cantidad de calor utilizado inevitablemente debe disminuir.

Al elegir un motor de pistón para el suministro de energía y calor de una instalación en particular, la necesidad de utilizar una sala de calderas como parte de una planta de energía está casi fuera de toda duda. El funcionamiento de la sala de calderas requiere un aumento del consumo de gas superior al necesario para generar electricidad. Surge la pregunta de cómo difieren los costos de gas para el suministro de energía de la instalación si en un caso solo se usan motores de turbina de gas con recuperación de calor de escape, y en el otro caso se usan motores de pistón con recuperación de calor y una sala de calderas. Solo después de un estudio exhaustivo de las características del consumo de electricidad y calor del objeto se puede responder a esta pregunta.

Si asumimos que el consumo de calor estimado de un objeto puede cubrirse completamente con el calor utilizado del motor de turbina de gas, y la falta de calor cuando se usa un motor de pistón se compensa con la sala de calderas, entonces es posible identificar la naturaleza del cambio en el consumo total de gas para el suministro de energía del objeto.

Utilizando los datos de la Fig. 1 y 2, es posible que los puntos característicos de las zonas marcadas en las Figs. 1, obtenga información sobre ahorros de gas o excesos al usar varios tipos de actuadores. Se presentan en la tabla:

Los valores absolutos de ahorro de gas son válidos solo para un objeto específico, cuyas características se incluyeron en el cálculo, pero la naturaleza general de la dependencia se refleja correctamente, a saber:
con valores relativamente cercanos de eficiencia eléctrica (diferencia de hasta el 10%), el uso de motores de pistón y una sala de calderas conduce a un consumo excesivo de combustible;

• con valores relativamente cercanos de eficiencia eléctrica (diferencia de hasta el 10%), el uso de motores de pistón y una sala de calderas conduce a un consumo excesivo de combustible;
• con una diferencia en los valores de eficiencia de más del 10%, el funcionamiento de los motores alternativos y la sala de calderas requerirá menos gas que los motores de turbina de gas;
• hay un cierto punto con el máximo ahorro de gas cuando se usan motores alternativos y una sala de calderas, donde la diferencia entre los valores de eficiencia de los motores es del 13-14%;
• cuanto mayor sea la eficiencia de un motor de pistón y menor sea la eficiencia de una turbina de gas, mayor será el ahorro de gas.

como suplemento

Como regla general, la tarea no se limita a la elección del tipo de accionamiento, se requiere determinar la composición del equipo principal de la central eléctrica: el tipo de unidades, su número, equipo auxiliar.

La elección de los motores para producir la cantidad adecuada de electricidad determina las posibilidades de generar calor recuperado. En este caso, es necesario tener en cuenta todas las características de los cambios en las características técnicas del motor asociadas con las condiciones climáticas, con la naturaleza de la carga eléctrica, y determinar el efecto de estos cambios en la liberación de calor utilizado.

También debe recordarse que la planta de energía incluye no solo motores. En su sitio, generalmente hay más de una docena de estructuras auxiliares, cuyo funcionamiento también afecta el desempeño técnico y económico de la central.

Como ya se mencionó, desde un punto de vista técnico, la composición del equipo de la central eléctrica se puede formar de varias maneras, por lo que su elección final solo se puede justificar desde un punto de vista económico.

Al mismo tiempo, el conocimiento de las características de motores específicos y su impacto en el desempeño económico de una futura central eléctrica es extremadamente importante. Al realizar los cálculos económicos, es inevitable tener en cuenta el recurso motor, la mantenibilidad, el tiempo y el costo de las reparaciones mayores. Estos indicadores también son individuales para cada motor específico, independientemente de su tipo.

No se puede descartar la influencia de factores ambientales en la elección del tipo de motores para la central eléctrica. El estado de la atmósfera en el área donde se operará la central eléctrica puede ser un factor importante para determinar el tipo de motor (independientemente de las consideraciones económicas).

Como ya se señaló, los datos sobre el costo de los motores y las centrales eléctricas basados ​​​​en ellos no se publican. Los fabricantes o proveedores de equipos se refieren a la posible diferencia de configuración, condiciones de entrega y otras razones. Los precios se presentarán solo después de completar el cuestionario corporativo. Por lo tanto, la información de la primera tabla de que el costo de los motores alternativos de hasta 3,5 MW de potencia es inferior al costo de los motores de turbina de gas de la misma potencia puede resultar incorrecta.

Conclusión

Por lo tanto, en la clase de potencia unitaria de hasta 16 MW, no se puede dar preferencia inequívoca ni a las turbinas de gas ni a los motores de pistón. Solo un análisis exhaustivo de los modos de operación esperados de una planta de energía en particular para la generación de electricidad y calor (teniendo en cuenta las características de los motores específicos y numerosos factores económicos) justificará completamente la elección del tipo de motor. Una empresa especializada puede determinar la composición del equipo a nivel profesional.

Referencias

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Este artículo, con cambios menores, está tomado de la revista "Turbines and Diesels", No. 1 (2) de 2006.
Autor - V.P. Vershinsky, LLC "Gazpromenergoservis".

Una turbina de gas es un motor en el que, en el proceso de funcionamiento continuo, el órgano principal del dispositivo (el rotor) convierte (en otros casos, vapor o agua) en trabajo mecánico. En este caso, el chorro de la sustancia de trabajo actúa sobre las palas fijadas alrededor de la circunferencia del rotor, poniéndolas en movimiento. En la dirección del flujo de gas, las turbinas se dividen en axiales (el gas se mueve paralelo al eje de la turbina) o radiales (movimiento perpendicular con respecto al mismo eje). Hay mecanismos de una y varias etapas.

Una turbina de gas puede actuar sobre los álabes de dos formas. En primer lugar, es un proceso activo, cuando se suministra gas al área de trabajo a altas velocidades. En este caso, el flujo de gas tiende a moverse en línea recta, y la parte curva del álabe que se interpone en su camino lo desvía, girándose. En segundo lugar, es un proceso de tipo reactivo, cuando la tasa de suministro de gas es baja, pero se utilizan presiones altas. tipo en su forma pura casi nunca se encuentra, porque en sus turbinas está presente que actúa sobre las palas junto con la fuerza de reacción.

¿Dónde se usa la turbina de gas hoy en día? El principio de funcionamiento del dispositivo permite su uso para accionamientos de generadores de corriente eléctrica, compresores, etc. Las turbinas de este tipo se utilizan ampliamente en el transporte (instalaciones de turbinas de gas de barcos). En comparación con sus contrapartes de vapor, tienen un peso y dimensiones relativamente pequeños, no requieren la disposición de una sala de calderas, una unidad de condensación.

La turbina de gas está lista para funcionar con bastante rapidez después de la puesta en marcha, desarrolla su máxima potencia en unos 10 minutos, es fácil de mantener y requiere poca agua para su refrigeración. A diferencia de los motores de combustión interna, no tiene efectos de inercia del mecanismo de manivela. una vez y media más cortos que los motores diésel y más del doble de ligeros. Los dispositivos tienen la capacidad de funcionar con combustible de baja calidad. Las cualidades anteriores hacen posible considerar motores de este tipo de particular interés para barcos e hidroalas.

La turbina de gas como componente principal del motor tiene una serie de desventajas significativas. Entre ellos, notan un alto nivel de ruido, menos que los motores diesel, eficiencia, corta vida a altas temperaturas (si el medio gaseoso utilizado tiene una temperatura de aproximadamente 1100 ° C, entonces la turbina puede usarse en promedio hasta 750 horas).

La eficiencia de una turbina de gas depende del sistema en el que se utilice. Por ejemplo, los dispositivos utilizados en la industria energética con una temperatura inicial de los gases superior a 1300 grados centígrados, del aire en el compresor no más de 23 y no menos de 17, tienen un coeficiente de alrededor del 38,5 % durante las operaciones autónomas. Este tipo de turbinas no está muy extendida y se utiliza principalmente para cubrir picos de carga en sistemas eléctricos. Hoy, alrededor de 15 turbinas de gas con una capacidad de hasta 30 MW operan en varias centrales térmicas en Rusia. En plantas de etapas múltiples, se logra un índice de eficiencia mucho más alto (alrededor de 0,93) debido a la alta eficiencia de los elementos estructurales.

El principio de funcionamiento de las plantas de turbinas de gas.

Figura 1. Esquema de una unidad de turbina de gas con un motor de turbina de gas de un solo eje de un ciclo simple

Se suministra aire limpio al compresor (1) de la unidad de potencia de la turbina de gas. A alta presión, el aire del compresor se envía a la cámara de combustión (2), donde también se suministra el combustible principal, el gas. La mezcla se enciende. Cuando se quema una mezcla de gas y aire, se genera energía en forma de una corriente de gases calientes. Este flujo se precipita a gran velocidad hacia la rueda de la turbina (3) y la hace girar. La energía cinética rotacional a través del eje de la turbina impulsa el compresor y el generador eléctrico (4). Desde los terminales del generador de energía, la electricidad generada, generalmente a través de un transformador, se envía a la red eléctrica, a los consumidores de energía.

Las turbinas de gas se describen mediante el ciclo termodinámico de Brayton. El ciclo Brayton/Joule es un ciclo termodinámico que describe los procesos de trabajo de los motores de combustión interna de turbinas de gas, turborreactores y estatorreactores, así como de los motores de combustión externa de turbinas de gas con circuito cerrado de un gas fluido de trabajo (monofásico).

El ciclo lleva el nombre del ingeniero estadounidense George Brighton, quien inventó el motor alternativo de combustión interna que operaba en este ciclo.

A veces, este ciclo también se denomina ciclo de Joule, en honor al físico inglés James Joule, quien estableció el equivalente mecánico del calor.

Figura 2. Diagrama de ciclo P,V Brayton

El ciclo ideal de Brayton consta de los procesos:

• 1-2 Compresión isentrópica.
• 2-3 Entrada de calor isobárica.
• 3-4 Expansión isentrópica.
• 4-1 Eliminación de calor isobárico.

Teniendo en cuenta las diferencias entre los procesos adiabáticos reales de expansión y contracción de los isoentrópicos, se construye un ciclo Brayton real (1-2p-3-4p-1 en el diagrama T-S) (Fig. 3)

Fig. 3. Diagrama del ciclo T-S Brayton
ideales (1-2-3-4-1)
reales (1-2p-3-4p-1)

La eficiencia térmica de un ciclo Brayton ideal generalmente se expresa mediante la fórmula:

• donde P = p2 / p1 - el grado de aumento de presión en el proceso de compresión isoentrópica (1-2);
• k - índice adiabático (para aire igual a 1.4)

Cabe señalar especialmente que esta forma generalmente aceptada de calcular la eficiencia del ciclo oscurece la esencia del proceso en curso. La eficiencia límite del ciclo termodinámico se calcula a través de la relación de temperatura utilizando la fórmula de Carnot:

• donde T1 es la temperatura del refrigerador;
• T2 - temperatura del calentador.

Exactamente la misma relación de temperatura se puede expresar en términos de las relaciones de presión utilizadas en el ciclo y el índice adiabático:

Así, la eficiencia del ciclo Brayton depende de las temperaturas inicial y final del ciclo exactamente de la misma manera que la eficiencia del ciclo de Carnot. Con un calentamiento infinitesimal del fluido de trabajo a lo largo de la línea (2-3), el proceso puede considerarse isotérmico y completamente equivalente al ciclo de Carnot. La cantidad de calentamiento del fluido de trabajo T3 en el proceso isobárico determina la cantidad de trabajo relacionado con la cantidad de fluido de trabajo usado en el ciclo, pero de ninguna manera afecta la eficiencia térmica del ciclo. Sin embargo, en la implementación práctica del ciclo, el calentamiento suele realizarse a los valores más altos posibles limitados por la resistencia al calor de los materiales utilizados para minimizar el tamaño de los mecanismos que comprimen y expanden el fluido de trabajo.

En la práctica, la fricción y la turbulencia provocan:

• Compresión no adiabática: para una relación de presión total dada, la temperatura de descarga del compresor es superior a la ideal.
• Expansión no adiabática: aunque la temperatura de la turbina desciende hasta el nivel necesario para su funcionamiento, el compresor no se ve afectado, la relación de presiones es mayor, por lo que la expansión no es suficiente para proporcionar trabajo útil.
• Pérdidas de presión en la entrada de aire, cámara de combustión y salida: como resultado, la expansión no es suficiente para proporcionar un trabajo útil.

Al igual que con todos los motores térmicos cíclicos, cuanto mayor sea la temperatura de combustión, mayor será la eficiencia. El factor limitante es la capacidad del acero, el níquel, la cerámica u otros materiales que componen el motor para resistir el calor y la presión. Gran parte del trabajo de ingeniería se centra en eliminar el calor de las partes de la turbina. La mayoría de las turbinas también intentan recuperar el calor de los gases de escape que, de otro modo, se desperdiciarían.

Los recuperadores son intercambiadores de calor que transfieren el calor de los gases de escape al aire comprimido antes de la combustión. En un ciclo combinado, el calor se transfiere a los sistemas de turbinas de vapor. Y en la combinación de calor y electricidad (CHP), el calor residual se utiliza para producir agua caliente.

Mecánicamente, las turbinas de gas pueden ser considerablemente más simples que los motores alternativos de combustión interna. Las turbinas simples pueden tener una parte móvil: conjunto de eje/compresor/turbina/rotor alternativo (vea la imagen a continuación), sin incluir el sistema de combustible.

Figura 4. Esta máquina tiene un compresor radial de una sola etapa,
turbina, recuperador y cojinetes de aire.

Las turbinas más complejas (las que se utilizan en los motores a reacción modernos) pueden tener múltiples ejes (bobinas), cientos de álabes de turbina, álabes de estator móviles y un extenso sistema de tuberías complejas, cámaras de combustión e intercambiadores de calor.

Como regla general, cuanto más pequeño es el motor, mayor es la velocidad de los ejes necesaria para mantener la máxima velocidad lineal de las palas.

La velocidad máxima de los álabes de la turbina determina la presión máxima que se puede alcanzar, lo que da como resultado la máxima potencia, independientemente del tamaño del motor. El motor a reacción gira a unas 10.000 rpm y la microturbina a unas 100.000 rpm.