Quién describió por primera vez el principio de funcionamiento de una turbina de gas. El principio de funcionamiento de GTU. ¿Cuál puede ser el recurso de la instalación antes de la revisión?

El desarrollo de nuevos tipos de turbinas de gas, la creciente demanda de gas en comparación con otros tipos de combustible, los planes a gran escala de los consumidores industriales para crear sus propias capacidades provocan un interés creciente en la construcción de turbinas de gas.

R El mercado de la pequeña generación tiene grandes perspectivas de desarrollo. Los expertos predicen un aumento en la demanda de energía distribuida del 8% (actualmente) al 20% (para 2020). Esta tendencia se explica por la tarifa de electricidad relativamente baja (2-3 veces más baja que la tarifa de electricidad de la red centralizada). Además, según Maxim Zagornov, miembro del consejo general de Delovaya Rossiya, presidente de la Asociación de generación de energía a pequeña escala de los Urales, director del grupo de empresas MKS, la pequeña generación es más confiable que la red: en en caso de accidente en la red externa, el suministro de electricidad no se detiene. Una ventaja adicional de la energía descentralizada es la velocidad de puesta en marcha: 8-10 meses, frente a 2-3 años para la creación y conexión de líneas de red.

Denis Cherepanov, copresidente del comité de energía Delovaya Rossiya, afirma que el futuro pertenece a su propia generación. Según Sergei Yesyakov, primer vicepresidente del Comité de Energía de la Duma Estatal, en el caso de la energía distribuida en la cadena de consumo de energía, es el consumidor, no el sector energético, el eslabón decisivo. Con su propia generación de electricidad, el consumidor declara las capacidades necesarias, configuraciones e incluso el tipo de combustible, ahorrando, al mismo tiempo, en el precio del kilovatio de energía recibida. Entre otras cosas, los expertos creen que se pueden obtener ahorros adicionales si la central eléctrica opera en modo de cogeneración: la energía térmica utilizada se utilizará para calefacción. Entonces, el período de recuperación de la planta generadora de energía se reducirá significativamente.

El área de desarrollo más activo de la energía distribuida es la construcción de centrales eléctricas de turbinas de gas de baja capacidad. Las centrales eléctricas de turbinas de gas están diseñadas para operar en cualquier condición climática como fuente principal o de respaldo de electricidad y calor para instalaciones industriales y domésticas. El uso de tales plantas de energía en áreas remotas le permite obtener ahorros significativos al eliminar los costos de construcción y operación de líneas eléctricas largas, y en áreas centrales, para aumentar la confiabilidad del suministro eléctrico y térmico tanto para empresas individuales como para organizaciones y territorios. como un todo. Considere algunas turbinas de gas y unidades de turbinas de gas que ofrecen fabricantes conocidos para la construcción de centrales eléctricas de turbinas de gas en el mercado ruso.

Energia General

Las soluciones de turbinas eólicas de GE son altamente confiables y adecuadas para aplicaciones en una amplia gama de industrias, desde petróleo y gas hasta servicios públicos. En particular, las unidades de turbina de gas GE de la familia LM2500 con una capacidad de 21 a 33 MW y una eficiencia de hasta el 39% se utilizan activamente en la pequeña generación. El LM2500 se utiliza como accionamiento mecánico y accionamiento de generador de energía, funcionan en centrales eléctricas en ciclo simple, combinado, modo cogeneración, plataformas marinas y oleoductos.

Durante los últimos 40 años, las turbinas GE de esta serie han sido las turbinas más vendidas en su clase. En total, se han instalado más de 2.000 turbinas de este modelo en el mundo con un tiempo total de funcionamiento de más de 75 millones de horas.

Características clave de las turbinas LM2500: diseño ligero y compacto para una instalación rápida y fácil mantenimiento; alcanzando la máxima potencia desde el momento del lanzamiento en 10 minutos; alta eficiencia (en un ciclo simple), confiabilidad y disponibilidad en su clase; la posibilidad de utilizar cámaras de combustión de combustible dual para gas destilado y natural; la posibilidad de utilizar como combustible queroseno, propano, gas de coque, etanol y GNL; bajas emisiones de NOx utilizando cámaras de combustión DLE o SAC; factor de confiabilidad: más del 99%; factor de preparación - más del 98%; Emisiones de NOx - 15 ppm (modificación DLE).

Para brindar a los clientes un soporte confiable a lo largo del ciclo de vida de los equipos generadores, GE abrió un Centro de Tecnología Energética especializado en Kaluga. Ofrece a los clientes soluciones de última generación para el mantenimiento, inspección y reparación de turbinas de gas. La empresa ha implantado un sistema de gestión de la calidad conforme a la norma ISO 9001.

industrias pesadas kawasaki

La empresa japonesa Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (KHI) es una empresa de ingeniería diversificada. Un lugar importante en su programa de producción lo ocupan las turbinas de gas.

En 1943, Kawasaki creó el primer motor de turbina de gas en Japón y ahora es uno de los líderes mundiales reconocidos en la producción de turbinas de gas de pequeña y mediana potencia, habiendo acumulado referencias de más de 11.000 instalaciones.

Con el respeto al medio ambiente y la eficiencia como prioridad, la empresa ha logrado un gran éxito en el desarrollo de tecnologías de turbinas de gas y está buscando activamente desarrollos prometedores, incluso en el campo de nuevas fuentes de energía como alternativa a los combustibles fósiles.

Con una buena experiencia en tecnologías criogénicas, tecnologías de producción, almacenamiento y transporte de gases licuados, Kawasaki realiza un trabajo activo de investigación y desarrollo en el campo del hidrógeno como combustible.

En particular, la empresa ya cuenta con prototipos de turbinas que utilizan hidrógeno como aditivo al combustible de metano. En el futuro se esperan turbinas en las que el hidrógeno, mucho más eficiente energéticamente y absolutamente respetuoso con el medio ambiente, sustituya a los hidrocarburos.

GTU Kawasaki serie GPB están diseñados para operación de carga base, incluyendo esquemas de interacción de red aislados y paralelos, mientras que el rango de potencia se basa en máquinas de 1,7 a 30 MW.

En la gama de modelos hay turbinas que utilizan inyección de vapor para suprimir las emisiones nocivas y utilizan tecnología DLE modificada por los ingenieros de la empresa.

Eficiencia eléctrica, en función del ciclo de generación y potencia, respectivamente, del 26,9% para GPB17 y GPB17D (turbinas M1A-17 y M1A-17D) al 40,1% para GPB300D (turbina L30A). Energía eléctrica - de 1700 a 30 120 kW; energía térmica: de 13,400 a 8970 kJ / kWh; temperatura de los gases de escape - de 521 a 470°C; consumo de gases de escape - de 29,1 a 319,4 mil m3/h; NOx (al 15% O2) - 9/15 ppm para turbinas de gas M1A-17D, M7A-03D, 25 ppm para turbina M7A-02D y 15 ppm para turbinas L20A y L30A.

En términos de eficiencia, las turbinas de gas Kawasaki, cada una en su clase, son el líder mundial o uno de los líderes. La eficiencia térmica general de las unidades de potencia en configuraciones de cogeneración alcanza el 86-87%. La empresa produce una serie de GTU en versiones de combustible dual (gas natural y combustible líquido) con conmutación automática. En este momento, los tres modelos de turbinas de gas tienen mayor demanda entre los consumidores rusos: GPB17D, GPB80D y GPB180D.

Las turbinas de gas Kawasaki se distinguen por: alta confiabilidad y larga vida útil; diseño compacto, que resulta especialmente atractivo a la hora de sustituir equipos de instalaciones generadoras existentes; facilidad de mantenimiento debido al diseño dividido del cuerpo, quemadores extraíbles, orificios de inspección óptimamente ubicados, etc., lo que simplifica la inspección y el mantenimiento, incluso por parte del personal del usuario;

Respeto al medio ambiente y economía. Las cámaras de combustión de las turbinas Kawasaki están diseñadas utilizando las técnicas más avanzadas para optimizar el proceso de combustión y lograr la mejor eficiencia de la turbina, así como reducir el NOx y otras sustancias nocivas en el escape. El desempeño ambiental también se mejora mediante el uso de tecnología avanzada de supresión de emisiones secas (DLE);

Capacidad para utilizar una amplia gama de combustibles. Se puede utilizar gas natural, queroseno, combustible diesel, aceites combustibles ligeros tipo A, así como gas de petróleo asociado;

Servicio postventa confiable. Alto nivel de servicio, que incluye un sistema de monitoreo en línea gratuito (TechnoNet) con informes y pronósticos, soporte técnico por parte de personal altamente calificado, así como el intercambio de reemplazo de un motor de turbina de gas durante una revisión general (el tiempo de inactividad de GTU se reduce a 2- 3 semanas), etc. .d.

En septiembre de 2011, Kawasaki introdujo un sistema de cámara de combustión de última generación que reduce las emisiones de NOx a menos de 10 ppm para el motor de turbina de gas M7A-03, incluso por debajo de lo que exige la normativa actual. Uno de los enfoques de diseño de la empresa es crear nuevos equipos que cumplan no solo con los requisitos de desempeño ambiental modernos, sino también con los más estrictos del futuro.

La turbina de gas GPB50D de 5 MW altamente eficiente con una turbina Kawasaki M5A-01D utiliza las últimas tecnologías probadas. La alta eficiencia de la planta la hace óptima para electricidad y cogeneración. Además, el diseño compacto del GPB50D es particularmente ventajoso cuando se actualizan plantas existentes. La eficiencia eléctrica nominal del 31,9% es la mejor del mundo entre las plantas de 5 MW.

La turbina M1A-17D, mediante el uso de un diseño original de cámara de combustión con supresión de emisiones en seco (DLE), tiene un excelente desempeño ambiental (NOx< 15 ppm) и эффективности.

El peso ultrabajo de la turbina (1470 kg), el más bajo de su clase, se debe al uso generalizado de materiales compuestos y cerámicas, a partir de los cuales, por ejemplo, se fabrican las palas del impulsor. Las cerámicas son más resistentes a la operación a temperaturas elevadas, menos propensas a la contaminación que los metales. La turbina de gas tiene una eficiencia eléctrica cercana al 27%.

En Rusia, por ahora, Kawasaki Heavy Industries, Ltd. implementó una serie de proyectos exitosos en cooperación con empresas rusas:

Mini-TPP "Central" en Vladivostok

Por orden de JSC Far Eastern Energy Management Company (JSC DVEUK), se entregaron 5 GTU GPB70D (M7A-02D) a TPP Tsentralnaya. La estación proporciona electricidad y calor a los consumidores en la parte central del desarrollo de Russky Island y el campus de la Universidad Federal del Lejano Oriente. TPP Tsentralnaya es la primera instalación eléctrica en Rusia con turbinas Kawasaki.

Mini-CHP "Oceanarium" en Vladivostok

Este proyecto también fue realizado por JSC "DVEUK" para el suministro de energía del complejo científico y educativo "Primorsky Oceanarium" ubicado en la isla. Se entregaron dos turbinas de gas GPB70D.

GTU fabricado por Kawasaki en Gazprom PJSC

El socio ruso de Kawasaki, MPP Energotekhnika LLC, basado en la turbina de gas M1A-17D, produce la central eléctrica de contenedores Korvette 1.7K para su instalación en áreas abiertas con un rango de temperatura ambiente de -60 a + 40 °С.

En el marco del acuerdo de cooperación, se desarrollaron y ensamblaron cinco EGTEPS KORVET-1.7K en las instalaciones de producción de MPP Energotechnika. Las áreas de responsabilidad de las empresas en este proyecto se distribuyeron de la siguiente manera: Kawasaki suministra el motor de turbina de gas M1A-17D y los sistemas de control de la turbina, Siemens AG suministra el generador de alto voltaje. MPP Energotekhnika LLC fabrica un contenedor de bloques, un dispositivo de escape y admisión de aire, un sistema de control de la unidad de potencia (incluido el sistema de excitación SHUVGM), equipos eléctricos - principal y auxiliar, completa todos los sistemas, ensambla y suministra una planta de energía completa, y también vende APCS.

EGTES Korvet-1.7K ha superado las pruebas interdepartamentales y se recomienda su uso en las instalaciones de Gazprom PJSC. La unidad de energía de turbina de gas fue desarrollada por MPP Energotechnika LLC de acuerdo con los términos de referencia de PJSC Gazprom en el marco del Programa de Cooperación Científica y Técnica de PJSC Gazprom y la Agencia de Energía y Recursos Naturales de Japón.

Turbina para CCGT 10 MW en NRU MPEI

Kawasaki Heavy Industries Ltd. ha fabricado y entregado una planta completa de turbinas de gas GPB80D con una potencia nominal de 7,8 MW para la Universidad Nacional de Investigación “MPEI” ubicada en Moscú. CHP MPEI es una formación práctica y, al generar electricidad y calor a escala industrial, los proporciona el propio Instituto de Ingeniería de Energía de Moscú y los suministra a las redes de servicios públicos de Moscú.

Ampliación de la geografía de proyectos

Kawasaki, llamando la atención sobre las ventajas de desarrollar la energía local en la dirección de la generación distribuida, propuso comenzar a implementar proyectos utilizando turbinas de gas de capacidad mínima.

Sistemas de energía Mitsubishi Hitachi

La gama de modelos de turbinas H-25 se presenta en el rango de potencia de 28-41 MW. MHPS (Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd.) lleva a cabo el paquete completo de producción de turbinas, incluida la I+D y el centro de control remoto, en la planta de Hitachi, Japón. Su formación cae en febrero de 2014 debido a la fusión de los sectores generadores de los reconocidos líderes en ingeniería mecánica Mitsubishi Heavy Industries Ltd. y Hitachi Ltd.

Los modelos H-25 se utilizan ampliamente en todo el mundo tanto para la operación de ciclo simple debido a su alta eficiencia (34-37 %) como para el ciclo combinado en configuración 1x1 y 2x1 con una eficiencia del 51-53 %. Con indicadores de alta temperatura de los gases de escape, la GTU también ha demostrado con éxito que opera en modo de cogeneración con una eficiencia total de la planta de más del 80%.

Muchos años de experiencia en la producción de turbinas de gas para una amplia gama de capacidades y un diseño bien pensado de una turbina industrial de un solo eje distinguen a la N-25 con una alta confiabilidad con un factor de disponibilidad del equipo de más del 99%. El tiempo total de operación del modelo superó los 6,3 millones de horas en el segundo semestre de 2016. La moderna turbina de gas está fabricada con un split axial horizontal, lo que asegura su facilidad de mantenimiento, así como la posibilidad de reemplazar partes del camino caliente en el lugar de operación.

La cámara de combustión tubular-anular a contracorriente proporciona una combustión estable en varios tipos de combustible, como gas natural, combustible diesel, gas licuado de petróleo, gases de combustión, gas de horno de coque, etc. Premezcla de la mezcla gas-aire (DLN). El motor de turbina de gas H-25 es un compresor axial de 17 etapas acoplado a una turbina activa de tres etapas.

Un ejemplo de operación confiable de la N-25 GTU en pequeñas instalaciones de generación en Rusia es la operación como parte de una unidad de cogeneración para las necesidades propias de la planta Ammoniy JSC en Mendeleevsk, República de Tatarstán. La unidad de cogeneración proporciona al sitio de producción 24 MW de electricidad y 50 t/h de vapor (390°C / 43 kg/cm3). En noviembre de 2017, se llevó a cabo con éxito en el sitio la primera inspección del sistema de combustión de la turbina, que confirmó el funcionamiento confiable de los componentes y conjuntos de la máquina a altas temperaturas.

En el sector del petróleo y el gas, las GTU N-25 se utilizaron para operar el sitio de la instalación de procesamiento en tierra (OPF) Sakhalin II de Sakhalin Energy Investment Company, Ltd. La OPF se encuentra a 600 km al norte de Yuzhno-Sakhalinsk en la zona de recalada del gasoducto marino y es una de las instalaciones más importantes de la compañía encargada de preparar el gas y el condensado para su posterior transporte por oleoducto a la terminal de exportación de petróleo y planta de GNL . El complejo tecnológico incluye cuatro turbinas de gas N-25, que están en operación comercial desde 2008. La unidad de cogeneración basada en la N-25 GTU se integra al máximo en el sistema de energía integrado OPF, en particular, el calor de los gases de escape de la turbina se utiliza para calentar el petróleo crudo para las necesidades de refinación de petróleo.

Los grupos electrógenos de turbina de gas industrial de Siemens (en lo sucesivo, GTU) ayudarán a hacer frente a las dificultades del mercado de generación distribuida que se desarrolla dinámicamente. Las turbinas de gas con una potencia nominal unitaria de 4 a 66 MW cumplen plenamente con los altos requisitos en el campo de la producción de energía combinada industrial, en términos de eficiencia de la planta (hasta 90%), confiabilidad operativa, flexibilidad de servicio y seguridad ambiental, asegurando una vida útil baja costes de ciclo y alto retorno de la inversión. Siemens cuenta con más de 100 años de experiencia en la construcción de turbinas de gas industriales y centrales térmicas basadas en ellas.

Las GTU de Siemens que van de 4 a 66 MW son utilizadas por pequeñas empresas de servicios públicos, productores de energía independientes (por ejemplo, plantas industriales) y la industria del petróleo y el gas. El uso de tecnologías de generación distribuida de electricidad con generación combinada de energía térmica permite evitar invertir en muchos kilómetros de líneas eléctricas, minimizando la distancia entre la fuente de energía y la instalación que la consume, y conseguir importantes ahorros de costes al cubrir la calefacción de empresas industriales e instalaciones de infraestructura a través de la recuperación de calor. Se puede construir un Mini-TPP estándar basado en un GTU de Siemens en cualquier lugar donde haya acceso a una fuente de combustible o su suministro rápido.

SGT-300 es una turbina de gas industrial con una potencia eléctrica nominal de 7,9 MW (ver Tabla 1), que combina un diseño simple y confiable con la última tecnología.

Tabla 1. Especificaciones de SGT-300 para accionamiento mecánico y generación de energía

1) Eléctrico 2) Montado en eje

Arroz. 1. Estructura del generador de gas SGT-300

Para la generación de energía industrial, se utiliza una versión de eje único de la turbina de gas SGT-300 (ver Fig. 1). Es ideal para la producción combinada de calor y electricidad (CHP). La turbina de gas SGT-300 es una turbina de gas industrial, diseñada originalmente para generación y tiene las siguientes ventajas operativas para las organizaciones operadoras:

Eficiencia eléctrica - 31%, que es en promedio 2-3% más alta que la eficiencia de las turbinas de gas de menor potencia, debido al mayor valor de eficiencia, se logra un efecto económico en el ahorro de gas combustible;

El generador a gas está equipado con una cámara de combustión seca de bajas emisiones con tecnología DLE, que permite alcanzar niveles de emisiones de NOx y CO más de 2,5 veces inferiores a los establecidos por los documentos normativos;

GTP tiene buenas características dinámicas debido al diseño de un solo eje y garantiza un funcionamiento estable del generador en caso de fluctuaciones en la carga de la red externa conectada;

El diseño industrial de la turbina de gas asegura una larga vida útil y es óptimo en términos de organización del trabajo de servicio que se lleva a cabo en el sitio de operación;

Una reducción significativa en la huella del edificio, así como los costos de inversión, incluida la compra de equipos mecánicos y eléctricos en toda la planta, su instalación y puesta en marcha, cuando se utiliza una solución basada en SGT-300 (Fig. 2).

Arroz. 2. Características de peso y tamaño del bloque SGT-300

El tiempo total de operación de la flota instalada de SGT-300 es de más de 6 millones de horas, con el tiempo de operación de la GTU líder de 151 mil horas Relación de disponibilidad/disponibilidad: 97,3 %, relación de confiabilidad: 98,2 %.

OPRA (Países Bajos) es un proveedor líder de sistemas de energía basados ​​en turbinas de gas. OPRA desarrolla, fabrica y comercializa motores de turbina de gas de última generación en torno a los 2 MW. La actividad principal de la empresa es la producción de electricidad para la industria del petróleo y el gas.

El confiable motor OPRA OP16 ofrece un mayor rendimiento a un costo menor y una vida útil más prolongada que cualquier otra turbina de su clase. El motor funciona con varios tipos de combustibles líquidos y gaseosos. Hay una modificación de la cámara de combustión con un contenido reducido de contaminantes en el escape. La planta de energía OPRA OP16 1.5-2.0 MW será un asistente confiable en condiciones de operación difíciles.

Las turbinas de gas OPRA son el equipo perfecto para la generación de energía en sistemas de cogeneración eléctrica y de pequeña escala fuera de la red. El diseño de la turbina ha estado en desarrollo durante más de diez años. El resultado es un motor de turbina de gas simple, confiable y eficiente, que incluye un modelo de bajas emisiones.

Una característica distintiva de la tecnología para convertir energía química en energía eléctrica en OP16 es el sistema de control de preparación y suministro de mezcla de combustible patentado por COFAR, que proporciona modos de combustión con una formación mínima de óxidos de nitrógeno y carbono, así como un mínimo de residuos de combustible sin quemar. La geometría patentada de la turbina radial y el diseño generalmente en voladizo del cartucho reemplazable, incluidos el eje, los cojinetes, el compresor centrífugo y la turbina, también son originales.

Los especialistas de OPRA y MES Engineering desarrollaron el concepto de crear un complejo técnico unificado único para el procesamiento de desechos. De los 55-60 millones de toneladas de todos los RSU generados en Rusia por año, una quinta parte - 11,7 millones de toneladas - cae en la región de la capital (3,8 millones de toneladas - la región de Moscú, 7,9 millones de toneladas - Moscú). Al mismo tiempo, 6,6 millones de toneladas de desechos domésticos se retiran de Moscú fuera de la carretera de circunvalación de Moscú. Así, más de 10 millones de toneladas de basura se asientan en la región de Moscú. Desde 2013, de los 39 vertederos en la Región de Moscú, se han cerrado 22. Deben ser reemplazados por 13 complejos de clasificación de residuos, que se pondrán en servicio en 2018-2019, así como cuatro plantas de incineración de residuos. La misma situación ocurre en la mayoría de las otras regiones. Sin embargo, la construcción de grandes plantas de tratamiento de residuos no siempre es rentable, por lo que el problema del tratamiento de residuos es muy relevante.

El concepto desarrollado de un único complejo técnico combina plantas OPRA totalmente radiales de alta fiabilidad y eficiencia con el sistema de gasificación/pirólisis MES, que permite la conversión eficiente de varios tipos de residuos (incluidos RSU, lodos de aceite, suelos contaminados, biológicos y médicos). residuos, residuos de carpintería, durmientes, etc.) en un excelente combustible para generar calor y electricidad. Como resultado de la cooperación a largo plazo, se ha diseñado y está en ejecución un complejo estandarizado de procesamiento de residuos con una capacidad de 48 toneladas por día. (Fig. 3).

Arroz. 3. Plano general de un complejo estándar de tratamiento de residuos con una capacidad de 48 tn/día.

El complejo incluye una unidad de gasificación MES con sitio de almacenamiento de residuos, dos turbinas de gas OPRA con una potencia eléctrica total de 3,7 MW y una potencia térmica de 9 MW, así como diversos sistemas auxiliares y de protección.

La implementación de dicho complejo hace posible en un área de 2 hectáreas obtener una oportunidad para el suministro autónomo de energía y calor a varias instalaciones industriales y comunales, al tiempo que resuelve el problema del reciclaje de varios tipos de desechos domésticos.

Las diferencias entre el complejo desarrollado y las tecnologías existentes se derivan de la combinación única de las tecnologías propuestas. Los volúmenes pequeños (2 t / h) de desechos consumidos, junto con un área pequeña requerida del sitio, hacen posible colocar este complejo directamente cerca de pequeños asentamientos, empresas industriales, etc., ahorrando dinero significativamente en el constante transporte de residuos a sus sitios de disposición final. La autonomía completa del complejo le permite implementarlo en casi cualquier lugar. El uso del proyecto estándar desarrollado, las estructuras modulares y el grado máximo de preparación de fábrica del equipo permite minimizar el tiempo de construcción a 1-1,5 años. El uso de nuevas tecnologías asegura el mayor respeto por el medio ambiente del complejo. La unidad de gasificación MES produce simultáneamente fracciones gaseosas y líquidas de combustible y, debido a la naturaleza de combustible dual de OPRA GTU, se utilizan simultáneamente, lo que aumenta la flexibilidad del combustible y la confiabilidad del suministro de energía. Las bajas exigencias de la OPRA GTU sobre la calidad del combustible aumentan la confiabilidad de todo el sistema. La unidad MES permite el uso de residuos con un contenido de humedad de hasta el 85%, por lo tanto, no se requiere el secado de residuos, lo que aumenta la eficiencia de todo el complejo. La alta temperatura de los gases de escape del OPRA GTU permite proporcionar un suministro de calor confiable con agua caliente o vapor (hasta 11 toneladas de vapor por hora a 12 bar). El proyecto es estándar y escalable, lo que permite la eliminación de cualquier cantidad de residuos.

Los cálculos muestran que el coste de generación de electricidad será de 0,01 a 0,03 euros por 1 kWh, lo que demuestra la alta eficiencia económica del proyecto. Así, la empresa OPRA confirmó una vez más su enfoque en ampliar la gama de combustibles utilizados y aumentar la flexibilidad de los combustibles, además de enfocarse en el máximo uso de tecnologías "verdes" en su desarrollo.

Una turbina es cualquier dispositivo giratorio que utiliza la energía de un fluido de trabajo en movimiento (fluido) para producir trabajo. Los fluidos de turbina típicos son: viento, agua, vapor y helio. Los molinos de viento y las centrales hidroeléctricas han utilizado turbinas durante décadas para hacer funcionar los generadores eléctricos y producir energía para la industria y la vivienda. Las turbinas simples se conocen desde hace mucho más tiempo, la primera de ellas apareció en la antigua Grecia.

En la historia de la generación de energía, sin embargo, las propias turbinas de gas aparecieron no hace mucho tiempo. La primera turbina de gas práctica comenzó a generar electricidad en Neuchatel, Suiza, en 1939. Fue desarrollado por Brown Boveri Company. La primera turbina de gas que propulsó un avión también funcionó en 1939 en Alemania, utilizando una turbina de gas diseñada por Hans P. von Ohain. En Inglaterra, en la década de 1930, la invención y el diseño de la turbina de gas por parte de Frank Whittle condujo al primer vuelo propulsado por turbina en 1941.

Figura 1. Esquema de una turbina de avión (a) y una turbina de gas para uso terrestre (b)

El término "turbina de gas" es fácilmente engañoso porque para muchos significa un motor de turbina que usa gas como combustible. De hecho, una turbina de gas (que se muestra esquemáticamente en la Figura 1) tiene un compresor que suministra y comprime gas (generalmente aire); la cámara de combustión, donde la combustión del combustible calienta el gas comprimido y la propia turbina, que extrae energía del flujo de gases comprimidos calientes. Esta energía es suficiente para alimentar el compresor y permanece para aplicaciones útiles. Una turbina de gas es un motor de combustión interna (ICE) que utiliza la combustión continua de combustible para producir trabajo útil. En esto, la turbina se diferencia de los motores de combustión interna de carburador o diesel, donde el proceso de combustión es intermitente.

Dado que el uso de turbinas de gas comenzó en 1939 al mismo tiempo en la industria energética y en la aviación, se utilizan diferentes nombres para las turbinas de gas terrestres y de aviación. Las turbinas de gas de aviación se denominan turborreactores o motores a reacción, y otras turbinas de gas se denominan motores de turbina de gas. En inglés, hay incluso más nombres para estos, en general, motores del mismo tipo.

uso de turbinas de gas

En un turborreactor de avión, la energía de la turbina impulsa un compresor que aspira aire hacia el motor. El gas caliente que sale de la turbina se expulsa a la atmósfera a través de la tobera de escape, lo que genera empuje. En la fig. 1a muestra un esquema de un motor turborreactor.

Figura 2. Representación esquemática de un motor turborreactor de avión.

Un motor turborreactor típico se muestra en la fig. 2. Dichos motores crean un empuje de 45 kgf a 45 000 kgf con un peso muerto de 13 kg a 9 000 kg. Los motores más pequeños impulsan misiles de crucero, los más grandes, aviones enormes. La turbina de gas de la fig. 2 es un motor turboventilador con un compresor de gran diámetro. El empuje lo crea tanto el aire que aspira el compresor como el aire que pasa a través de la propia turbina. El motor es grande y capaz de generar un gran empuje a bajas velocidades de despegue, lo que lo convierte en el más adecuado para aviones comerciales. El motor turborreactor no tiene ventilador y crea empuje con aire que pasa completamente por el camino del gas. Los turborreactores tienen dimensiones frontales pequeñas y producen el mayor empuje a altas velocidades, lo que los hace más adecuados para su uso en aviones de combate.

En las turbinas de gas no aeronáuticas, parte de la energía de la turbina se utiliza para accionar el compresor. La energía restante, "energía útil", se extrae del eje de la turbina en un dispositivo de utilización de energía, como un generador eléctrico o la hélice de un barco.

Una turbina de gas terrestre típica se muestra en la fig. 3. Tales instalaciones pueden generar energía desde 0,05 MW hasta 240 MW. La configuración que se muestra en la fig. 3 es una turbina de gas derivada del avión, pero más ligera. Las unidades más pesadas están diseñadas específicamente para uso terrestre y se denominan turbinas industriales. Si bien las turbinas derivadas de aeronaves se utilizan cada vez más como generadores de energía primaria, todavía se usan más comúnmente como compresores para bombear gas natural, propulsar barcos y como generadores de energía suplementarios durante los períodos de máxima demanda. Los generadores de turbinas de gas pueden encenderse rápidamente y suministrar energía cuando más se necesita.

Figura 3. La turbina de gas terrestre de una sola etapa más simple. Por ejemplo, en energía. 1 - compresor, 2 - cámara de combustión, 3 - turbina.

Las ventajas más importantes de una turbina de gas son:

1. Es capaz de generar mucha energía con un tamaño y peso relativamente pequeños.
2. La turbina de gas opera en un modo de rotación constante, a diferencia de los motores alternativos que operan con cargas en constante cambio. Por lo tanto, las turbinas duran mucho tiempo y requieren relativamente poco mantenimiento.
3. Aunque la turbina de gas se pone en marcha utilizando equipos auxiliares como motores eléctricos u otra turbina de gas, el arranque tarda unos minutos. A modo de comparación, el tiempo de arranque de una turbina de vapor se mide en horas.
4. Una turbina de gas puede utilizar una variedad de combustibles. Las grandes turbinas terrestres suelen utilizar gas natural, mientras que las turbinas de aviación tienden a utilizar destilados ligeros (queroseno). También se puede utilizar combustible diésel o fuel oil especialmente tratado. También es posible utilizar gases combustibles provenientes del proceso de pirólisis, gasificación y refinación de petróleo, así como biogás.
5. Por lo general, las turbinas de gas utilizan aire atmosférico como fluido de trabajo. Al generar electricidad, una turbina de gas no necesita un refrigerante (como el agua).

En el pasado, una de las principales desventajas de las turbinas de gas era su baja eficiencia en comparación con otros motores de combustión interna o turbinas de vapor en centrales eléctricas. Sin embargo, durante los últimos 50 años, las mejoras en su diseño han aumentado la eficiencia térmica del 18 % en 1939 en una turbina de gas de Neuchatel a la eficiencia actual del 40 % en operación de ciclo simple y alrededor del 55 % en ciclo combinado (más sobre esto a continuación) . En el futuro, la eficiencia de las turbinas de gas aumentará aún más, y se espera que la eficiencia aumente hasta el 45-47% en el ciclo simple y hasta el 60% en el ciclo combinado. Estas eficiencias esperadas son sustancialmente más altas que las de otros motores comunes, como las turbinas de vapor.

Ciclos de turbinas de gas

El diagrama de secuencia muestra lo que sucede cuando entra aire, pasa por la ruta del gas y sale de la turbina de gas. Normalmente, un ciclograma muestra la relación entre el volumen de aire y la presión del sistema. En la fig. 4a muestra el ciclo Brayton, que muestra el cambio en las propiedades de un volumen fijo de aire que pasa a través de una turbina de gas durante su operación. Las áreas clave de este ciclograma también se muestran en la representación esquemática de la turbina de gas en la fig. 4b.

Figura 4a. Diagrama del ciclo de Brayton en coordenadas P-V para el fluido de trabajo, que muestra los flujos de trabajo (W) y calor (Q).

Figura 4b. Ilustración esquemática de una turbina de gas que muestra puntos del diagrama del ciclo Brayton.

El aire se comprime del punto 1 al punto 2. La presión del gas aumenta mientras que el volumen del gas disminuye. Luego, el aire se calienta a presión constante desde el punto 2 hasta el punto 3. Este calor se produce cuando el combustible se introduce en la cámara de combustión y se quema continuamente.

El aire comprimido caliente del punto 3 comienza a expandirse entre los puntos 3 y 4. La presión y la temperatura en este intervalo caen y el volumen de gas aumenta. En el motor de la Fig. 4b, esto está representado por el flujo de gas desde el punto 3 a través de la turbina hasta el punto 4. Esto produce energía que luego se puede utilizar. En la Fig. 1a, el flujo se dirige desde el punto 3" al punto 4 a través de la boquilla de salida y produce empuje. El "trabajo útil" en la Fig. 4a se muestra mediante la curva 3'-4. Esta es la energía capaz de impulsar el eje de transmisión de un turbina de tierra o la creación de empuje para un motor de avión El ciclo de Brighton termina en la Fig. 4 con un proceso en el que el volumen y la temperatura del aire disminuyen a medida que se libera calor a la atmósfera.

Figura 5. Sistema de circuito cerrado.

La mayoría de las turbinas de gas operan en un modo de ciclo abierto. En un circuito abierto, el aire se toma de la atmósfera (punto 1 en las Figs. 4a y 4b) y se expulsa de nuevo a la atmósfera en el punto 4, de modo que el gas caliente se enfría en la atmósfera después de salir del motor. En una turbina de gas que opera en un ciclo cerrado, el fluido de trabajo (líquido o gas) se usa constantemente para enfriar los gases de escape (en el punto 4) en el intercambiador de calor (que se muestra esquemáticamente en la Fig. 5) y se envía a la entrada del compresor. . Dado que se utiliza un volumen cerrado con una cantidad limitada de gas, una turbina de ciclo cerrado no es un motor de combustión interna. En un sistema de ciclo cerrado, la combustión no puede sostenerse y la cámara de combustión convencional se reemplaza por un intercambiador de calor secundario que calienta el aire comprimido antes de que ingrese a la turbina. El calor lo proporciona una fuente externa, como un reactor nuclear, un horno de lecho fluidizado alimentado con carbón u otra fuente de calor. Se propuso utilizar turbinas de gas de ciclo cerrado en vuelos a Marte y otros vuelos espaciales de larga duración.

Una turbina de gas diseñada y operada de acuerdo con el ciclo Bryson (Figura 4) se denomina turbina de gas de ciclo simple. La mayoría de las turbinas de gas de las aeronaves funcionan en un ciclo simple para mantener el peso y la dimensión frontal del motor lo más pequeños posible. Sin embargo, para uso terrestre o marítimo, es posible agregar equipos adicionales a la turbina de ciclo simple para aumentar la eficiencia y/o la potencia del motor. Se utilizan tres tipos de modificaciones: regeneración, enfriamiento intermedio y doble calentamiento.

Regeneración prevé la instalación de un intercambiador de calor (recuperador) en el camino de los gases de escape (punto 4 en la Fig. 4b). El aire comprimido del punto 2 de la fig. 4b se precalienta en el intercambiador de calor por los gases de escape antes de entrar en la cámara de combustión (Fig. 6a).

Si la regeneración está bien implementada, es decir, la eficiencia del intercambiador de calor es alta y la caída de presión en el mismo es pequeña, la eficiencia será mayor que con un ciclo de turbina simple. Sin embargo, también se debe tener en cuenta el costo del regenerador. Los regeneradores se utilizaron en motores de turbina de gas en los tanques Abrams M1, el tanque de batalla principal de la Operación Tormenta del Desierto, y en motores de vehículos de turbina de gas experimentales. Las turbinas de gas con regeneración aumentan la eficiencia en un 5-6% y su eficiencia es aún mayor cuando funcionan con carga parcial.

Intercooling también implica el uso de intercambiadores de calor. Un intercooler (intercooler) enfría el gas durante su compresión. Por ejemplo, si el compresor consta de dos módulos, alta y baja presión, se debe instalar un intercooler entre ellos para enfriar el flujo de gas y reducir la cantidad de trabajo requerido para comprimir en el compresor de alta presión (Fig. 6b). El agente refrigerante puede ser aire atmosférico (los llamados enfriadores de aire) o agua (por ejemplo, agua de mar en la turbina de un barco). Es fácil demostrar que se incrementa la potencia de una turbina de gas con un intercooler bien diseñado.

calefacción doble se utiliza en turbinas y es una forma de aumentar la potencia de salida de una turbina sin cambiar el funcionamiento del compresor ni aumentar la temperatura de funcionamiento de la turbina. Si la turbina de gas tiene dos módulos, alta y baja presión, entonces se usa un sobrecalentador (generalmente otra cámara de combustión) para recalentar el flujo de gas entre las turbinas de alta y baja presión (Fig. 6c). Puede aumentar la potencia de salida en un 1-3%. El calentamiento dual en las turbinas de los aviones se realiza agregando un dispositivo de poscombustión en la boquilla de la turbina. Esto aumenta la tracción, pero aumenta significativamente el consumo de combustible.

La planta de energía de turbina de gas de ciclo combinado a menudo se abrevia como CCGT. Ciclo combinado significa una planta de energía en la que una turbina de gas y una turbina de vapor se usan juntas para lograr una mayor eficiencia que cuando se usan por separado. La turbina de gas impulsa un generador eléctrico. Los gases de escape de la turbina se utilizan para producir vapor en un intercambiador de calor, este vapor impulsa una turbina de vapor que también produce electricidad. Si se utiliza vapor para calentar, la planta se denomina central eléctrica de cogeneración. En otras palabras, en Rusia se usa comúnmente la abreviatura CHP (Heat and Power Plant). Pero en las plantas CHP, por regla general, no funcionan las turbinas de gas, sino las turbinas de vapor ordinarias. Y el vapor usado se usa para calefacción, por lo que CHP y CHP no son sinónimos. En la fig. 7 es un diagrama simplificado de una central eléctrica de cogeneración, que muestra dos motores térmicos instalados en serie. El motor superior es una turbina de gas. Transfiere energía al motor inferior: la turbina de vapor. La turbina de vapor luego transfiere el calor al condensador.

Figura 7. Esquema de una central de ciclo combinado.

La eficiencia del ciclo combinado \(\nu_(cc) \) se puede representar mediante una expresión bastante simple: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) En otras palabras, es la suma de la eficiencia de cada una de las etapas menos su trabajo. Esta ecuación muestra por qué la cogeneración es tan eficiente. Suponga que \(\nu_B = 40%\) es un límite superior razonable para la eficiencia de una turbina de gas de ciclo Brayton. Una estimación razonable de la eficiencia de una turbina de vapor que opera en el ciclo Rankine en la segunda etapa de cogeneración es \(\nu_R = 30% \). Sustituyendo estos valores en la ecuación, obtenemos: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58\). Es decir, la eficiencia de dicho sistema será del 58%.

Este es el límite superior de la eficiencia de una central eléctrica de cogeneración. La eficiencia práctica será menor debido a la inevitable pérdida de energía entre etapas. Prácticamente en los sistemas de cogeneración puestos en marcha en los últimos años se ha conseguido una eficiencia del 52-58%.

Componentes de turbinas de gas

La operación de una turbina de gas se divide mejor en tres subsistemas: compresor, cámara de combustión y turbina, como se muestra en la Fig. 1. A continuación, revisaremos brevemente cada uno de estos subsistemas.

Compresores y turbinas

El compresor está conectado a la turbina por un eje común para que la turbina pueda hacer girar al compresor. Una turbina de gas de un solo eje tiene un solo eje que conecta la turbina y el compresor. Una turbina de gas de dos ejes (Fig. 6b y 6c) tiene dos ejes cónicos. El más largo está conectado a un compresor de baja presión ya una turbina de baja presión. Gira dentro de un eje hueco más corto que conecta el compresor de alta presión con la turbina de alta presión. El eje que conecta la turbina y el compresor de alta presión gira más rápido que el eje de la turbina y el compresor de baja presión. Una turbina de gas de tres ejes tiene un tercer eje que conecta la turbina y el compresor de media presión.

Las turbinas de gas pueden ser centrífugas o axiales, o una combinación. El compresor centrífugo, en el que el aire comprimido sale por el perímetro exterior de la máquina, es fiable, suele costar menos, pero está limitado a una relación de compresión de 6-7 a 1. Fueron muy utilizados en el pasado y aún se utilizan en la actualidad. en pequeñas turbinas de gas.

En compresores axiales más eficientes y productivos, el aire comprimido sale a lo largo del eje del mecanismo. Este es el tipo más común de compresor de gas (ver figuras 2 y 3). Los compresores centrífugos constan de un gran número de secciones idénticas. Cada sección contiene una rueda giratoria con álabes de turbina y una rueda con álabes fijos (estatores). Las secciones están dispuestas de tal manera que el aire comprimido pasa secuencialmente a través de cada sección, entregando parte de su energía a cada una de ellas.

Las turbinas tienen un diseño más simple que un compresor, ya que es más difícil comprimir el flujo de gas que hacer que se expanda hacia atrás. Las turbinas axiales como las que se muestran en la fig. 2 y 3 tienen menos secciones que un compresor centrífugo. Hay pequeñas turbinas de gas que utilizan turbinas centrífugas (con inyección radial de gas), pero las turbinas axiales son las más comunes.

El diseño y fabricación de una turbina es difícil porque se requiere aumentar la vida útil de los componentes en la corriente de gas caliente. El problema de la confiabilidad del diseño es más crítico en la primera etapa de la turbina, donde las temperaturas son más altas. Se utilizan materiales especiales y un sofisticado sistema de enfriamiento para fabricar álabes de turbina que se derriten a una temperatura de 980 a 1040 grados centígrados en una corriente de gas cuya temperatura alcanza los 1650 grados centígrados.

la cámara de combustión

Un diseño exitoso de cámara de combustión debe satisfacer muchos requisitos, y su diseño adecuado ha sido un desafío desde los días de las turbinas de Whittle y von Ohin. La importancia relativa de cada uno de los requisitos para la cámara de combustión depende de la aplicación de la turbina y, por supuesto, algunos requisitos entran en conflicto entre sí. Al diseñar una cámara de combustión, los compromisos son inevitables. La mayoría de los requisitos de diseño están relacionados con el precio, la eficiencia y el respeto al medio ambiente del motor. Aquí hay una lista de requisitos básicos para una cámara de combustión:

1. Alta eficiencia de combustión de combustible en todas las condiciones de funcionamiento.
2. Bajo consumo de combustible y emisiones de monóxido de carbono (monóxido de carbono), bajas emisiones de óxido de nitrógeno bajo carga pesada y sin emisiones de humo visibles (minimización de la contaminación ambiental).
3. Pequeña caída de presión cuando el gas pasa a través de la cámara de combustión. Una pérdida de presión del 3-4% es una caída de presión típica.
4. La combustión debe ser estable en todos los modos de operación.
5. La combustión debe ser estable a muy bajas temperaturas y baja presión a gran altura (para motores de aviones).
6. La quema debe ser uniforme, sin pulsaciones ni interrupciones.
7. La temperatura debe ser estable.
8. Larga vida útil (miles de horas), especial para turbinas industriales.
9. Posibilidad de utilizar diferentes tipos de combustible. Las turbinas terrestres suelen utilizar gas natural o combustible diésel. Para turbinas de queroseno de aviación.
10. La longitud y el diámetro de la cámara de combustión deben coincidir con el tamaño del conjunto del motor.
11. El costo total de propiedad de una cámara de combustión debe mantenerse al mínimo (esto incluye el costo inicial, los costos de operación y mantenimiento).
12. La cámara de combustión para motores de aeronaves debe tener un peso mínimo.

La cámara de combustión consta de al menos tres partes principales: carcasa, tubo de llama y sistema de inyección de combustible. La coraza debe soportar la presión de operación y puede ser parte del diseño de la turbina de gas. La coraza cierra un tubo de llama de paredes relativamente delgadas en el que tiene lugar la combustión y el sistema de inyección de combustible.

En comparación con otros tipos de motores, como los diésel y los motores alternativos de automóviles, las turbinas de gas producen la menor cantidad de contaminantes del aire por unidad de potencia. Entre las emisiones de las turbinas de gas, las más preocupantes son el combustible no quemado, el monóxido de carbono (monóxido de carbono), los óxidos de nitrógeno (NOx) y el humo. Aunque la contribución de las turbinas de los aviones a las emisiones contaminantes totales es inferior al 1 %, las emisiones directas a la troposfera se duplicaron entre los 40 y los 60 grados de latitud norte, lo que provocó un aumento del 20 % en las concentraciones de ozono. En la estratosfera donde vuelan los aviones supersónicos, las emisiones de NOx provocan el agotamiento del ozono. Ambos efectos dañan el medio ambiente, por lo que lo que debe suceder en el siglo XXI es reducir los óxidos de nitrógeno (NOx) en las emisiones de los motores de los aviones.

Este es un artículo bastante breve que trata de cubrir todos los aspectos de las aplicaciones de turbinas, desde la aviación hasta la energía, sin depender de fórmulas. Para familiarizarse mejor con el tema, puedo recomendar el libro "Turbina de gas en el transporte ferroviario" http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html. Si omite los capítulos relacionados con los detalles del uso de turbinas en el ferrocarril, el libro sigue siendo muy comprensible, pero mucho más detallado.

Una turbina es un motor en el que la energía potencial de un fluido comprimible se convierte en energía cinética en el aparato de palas, y esta última en los impulsores en trabajo mecánico transmitido a un eje en rotación continua.

Las turbinas de vapor por su diseño representan un motor térmico que está constantemente en funcionamiento. Durante la operación, el vapor de agua sobrecalentado o saturado ingresa a la trayectoria del flujo y, debido a su expansión, obliga al rotor a girar. La rotación se produce como resultado del flujo de vapor que actúa sobre el aparato de paletas.

La turbina de vapor es parte del diseño de la turbina de vapor, que está diseñada para generar energía. También hay instalaciones que, además de electricidad, pueden generar energía térmica: el vapor que ha pasado por las palas de vapor entra en los calentadores de agua de la red. Este tipo de turbina se denomina turbinas de cogeneración industrial o tipo de cogeneración. En el primer caso, se prevé la extracción de vapor para fines industriales en la turbina. Completa con un generador, una turbina de vapor es una unidad de turbina.

Tipos de turbinas de vapor

Las turbinas se dividen, según la dirección en la que se mueve el vapor, en turbinas radiales y axiales. El flujo de vapor en las turbinas radiales se dirige perpendicularmente al eje. Las turbinas de vapor pueden ser de una, dos y tres carcasas. La turbina de vapor está equipada con una variedad de dispositivos técnicos que evitan la entrada de aire ambiental en la carcasa. Estos son una variedad de sellos, que se suministran con vapor de agua en una pequeña cantidad.

Un regulador de seguridad está ubicado en la sección frontal del eje, diseñado para cerrar el suministro de vapor cuando aumenta la velocidad de la turbina.

Características de los principales parámetros de los valores nominales.

· Potencia nominal de la turbina- la potencia máxima que debe desarrollar la turbina por un tiempo prolongado en las terminales del generador eléctrico, con valores normales de los principales parámetros o cuando éstos varían dentro de los límites especificados por las normas industriales y estatales. Una turbina de extracción de vapor controlada puede desarrollar una potencia superior a su potencia nominal si ésta está de acuerdo con las condiciones de resistencia de sus partes.

· Potencia económica de la turbina- la potencia a la que la turbina opera con la mayor eficiencia. Dependiendo de los parámetros de vapor vivo y el propósito de la turbina, la potencia nominal puede ser igual a la potencia económica o más en un 10-25%.

· Temperatura nominal del calentamiento del agua de alimentación regenerativa- la temperatura del agua de alimentación aguas abajo del último calentador en la dirección del agua.

· Temperatura nominal del agua de refrigeración- la temperatura del agua de refrigeración a la entrada del condensador.

turbina de gas(fr. turbina del lat. turbo remolino, rotación) es un motor térmico continuo, en cuyo aparato de álabes la energía del gas comprimido y calentado se convierte en trabajo mecánico sobre el eje. Consta de un rotor (palas fijadas en discos) y un estator (paletas guía fijadas en la carcasa).

El gas que tiene una temperatura y una presión altas entra a través del aparato de la tobera de la turbina en el área de baja presión detrás de la parte de la tobera, expandiéndose y acelerándose simultáneamente. Además, el flujo de gas entra en los álabes de la turbina, otorgándoles parte de su energía cinética e impartiendo par a los álabes. Las palas del rotor transmiten el par a través de los discos de la turbina al eje. Propiedades útiles de una turbina de gas: una turbina de gas, por ejemplo, acciona un generador situado en el mismo eje que ella, que es el trabajo útil de una turbina de gas.

Las turbinas de gas se utilizan como parte de motores de turbinas de gas (utilizadas para el transporte) y unidades de turbinas de gas (utilizadas en centrales térmicas como parte de GTU estacionarias, CCGT). Las turbinas de gas se describen mediante el ciclo termodinámico de Brayton, en el que el aire primero se comprime adiabáticamente, luego se quema a presión constante y luego se expande adiabáticamente de nuevo a la presión inicial.

Tipos de turbinas de gas

- Aeronaves y motores a reacción

- Unidad de potencia auxiliar

- Turbinas de gas industriales para la generación de electricidad

- Motores turboeje

- Turbinas de gas radiales

- Microturbinas

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 (ver imagen arriba), sin incluir el sistema de combustible.

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.

El artículo describe cómo se calcula la eficiencia de la turbina de gas más simple, se dan tablas de diferentes turbinas de gas y plantas de ciclo combinado para comparar su eficiencia y otras características.

En el campo del uso industrial de las tecnologías de turbinas de gas y vapor-gas, Rusia se ha quedado muy atrás de los países avanzados del mundo.

Líderes mundiales en la producción de centrales eléctricas de ciclo combinado y de gas de alta capacidad: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - alcanzaron valores de potencia unitaria de centrales de turbinas de gas de 280-320 MW y una eficiencia superior al 40%, con una utilizando una superestructura de energía de vapor en un ciclo de vapor-gas (también llamado binario) - capacidades de 430-480 MW con una eficiencia de hasta el 60%. Si tiene preguntas sobre la confiabilidad de CCGT, lea el artículo.

Estas impresionantes cifras sirven como puntos de referencia para determinar las vías de desarrollo de la industria de la ingeniería energética en Rusia.

¿Cómo se determina la eficiencia de una turbina de gas?

Aquí hay un par de fórmulas simples para mostrar cuál es la eficiencia de una planta de turbina de gas:

Energía interna de la turbina:

• Nt = Gex * Lt, donde Lt es el funcionamiento de la turbina, Gex es el caudal de gases de escape;

Potencia interna GTU:

• Ni gtu \u003d Nt - Nk, donde Nk es la potencia interna del compresor de aire;

Potencia efectiva GTU:

• Nef \u003d Ni gtu * Mech de eficiencia, mech de eficiencia: la eficiencia asociada con las pérdidas mecánicas en los rodamientos, se puede tomar 0.99

Energia electrica:

• Nel \u003d Ne * eficiencia, por ejemplo, donde la eficiencia, por ejemplo, es la eficiencia asociada con las pérdidas en el generador eléctrico, podemos tomar 0.985

Calor disponible del combustible:

• Qsp = Gtop * Qrn, donde Gref - consumo de combustible, Qrn - el poder calorífico de trabajo más bajo del combustible

Eficiencia eléctrica absoluta de una planta de turbina de gas:

• Eficiencia \u003d Nel / Q dist

La eficiencia CCGT es mayor que la eficiencia GTU ya que la central de ciclo combinado aprovecha el calor de los gases de escape de la turbina de gas. Se instala una caldera de calor residual detrás de la turbina de gas, en la que el calor de los gases de escape de la turbina de gas se transfiere al fluido de trabajo (agua de alimentación), el vapor generado se envía a la turbina de vapor para generar electricidad y calor.

Lea también: Cómo elegir una planta de turbina de gas para una planta CCGT

La eficiencia CCGT generalmente se representa mediante la relación:

• Eficiencia de PGU \u003d eficiencia de GTU * B + (eficiencia de 1-GTU * B) * eficiencia de PSU

B es el grado de binaridad del ciclo.

Eficiencia PSU - Eficiencia de una planta de energía de vapor

• B = Qks/(Qks+Qku)

Qks es el calor del combustible quemado en la cámara de combustión de una turbina de gas

Qku - calor del combustible adicional quemado en la caldera de calor residual

Al mismo tiempo, se observa que si Qku = 0, entonces B = 1, es decir, la instalación es completamente binaria.

Influencia del grado de binaridad en la eficiencia CCGT

Presentemos secuencialmente tablas con las características de la eficiencia de las turbinas de gas y después de ellas los indicadores de CCGT con estos motores de gas, y comparemos la eficiencia de una turbina de gas individual y la eficiencia de CCGT.

Características de las modernas y potentes turbinas de gas.

turbinas de gas ABB

Centrales de ciclo combinado con turbinas de gas ABB

turbinas de gas ge

Lea también: ¿Por qué construir Centrales Térmicas de Ciclo Combinado? Cuáles son las ventajas de las centrales de ciclo combinado.

Centrales de ciclo combinado con turbinas de gas GE

turbinas de gas siemens

Centrales de ciclo combinado con turbinas de gas Siemens

Turbinas de gas Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

Turbina térmica de acción constante, en la que la energía térmica del gas comprimido y calentado (generalmente productos de la combustión de combustibles) se convierte en trabajo mecánico de rotación sobre un eje; es un elemento estructural de un motor de turbina de gas.

El calentamiento del gas comprimido, por regla general, se produce en la cámara de combustión. También es posible realizar calentamiento en un reactor nuclear, etc. Las turbinas de gas aparecieron por primera vez a fines del siglo XIX. como motor de turbina de gas y en términos de diseño, se acercaron a una turbina de vapor. Estructuralmente, una turbina de gas es una serie de bordes de álabes fijos dispuestos ordenadamente del aparato de boquilla y bordes giratorios del impulsor, que como resultado forman una parte de flujo. La etapa de turbina es un aparato de tobera combinado con un impulsor. La etapa consta de un estator, que incluye partes estacionarias (carcasa, álabes de boquilla, anillos protectores) y un rotor, que es un conjunto de partes giratorias (como álabes de rotor, discos, eje).

La clasificación de una turbina de gas se lleva a cabo de acuerdo con muchas características de diseño: en la dirección del flujo de gas, el número de etapas, el método de uso de la diferencia de calor y el método de suministro de gas al impulsor. En la dirección del flujo de gas, las turbinas de gas se pueden distinguir axiales (las más comunes) y radiales, así como diagonales y tangenciales. En las turbinas de gas axiales, el flujo en la sección meridional se transporta principalmente a lo largo de todo el eje de la turbina; en turbinas radiales, por el contrario, es perpendicular al eje. Las turbinas radiales se dividen en centrípetas y centrífugas. En una turbina diagonal, el gas fluye en cierto ángulo con respecto al eje de rotación de la turbina. El impulsor de una turbina tangencial no tiene álabes; tales turbinas se utilizan con caudales de gas muy bajos, generalmente en instrumentos de medición. Las turbinas de gas son de una, dos y varias etapas.

El número de etapas está determinado por muchos factores: el propósito de la turbina, su esquema de diseño, la potencia total y desarrollada por una etapa, así como la caída de presión accionada. Según el método de aprovechamiento de la diferencia de calor disponible, se distinguen turbinas con etapas de velocidad, en las que gira únicamente el flujo en el impulsor, sin cambio de presión (turbinas activas), y turbinas con etapas de presión, en las que la presión disminuye tanto en el aparato de toberas y en las palas del rotor (turbinas de chorro). En las turbinas de gas parciales, el gas se suministra al impulsor a lo largo de una parte de la circunferencia del aparato de tobera oa lo largo de toda su circunferencia.

En una turbina multietapa, el proceso de conversión de energía consta de una serie de procesos sucesivos en etapas individuales. Se suministra gas comprimido y calentado a los canales entre álabes del aparato de toberas a una velocidad inicial, donde, en el proceso de expansión, una parte de la caída de calor disponible se convierte en la energía cinética del chorro de salida. En los canales entre álabes del impulsor se produce una mayor expansión del gas y la conversión de la caída de calor en trabajo útil. El flujo de gas, actuando sobre las palas del rotor, crea un par en el eje principal de la turbina. En este caso, la velocidad absoluta del gas disminuye. Cuanto menor sea esta velocidad, la mayor parte de la energía del gas se convierte en trabajo mecánico en el eje de la turbina.

La eficiencia caracteriza la eficiencia de las turbinas de gas, que es la relación entre el trabajo extraído del eje y la energía de gas disponible frente a la turbina. La eficiencia efectiva de las modernas turbinas de etapas múltiples es bastante alta y alcanza el 92-94%.

El principio de funcionamiento de una turbina de gas es el siguiente: un compresor inyecta gas en la cámara de combustión, se mezcla con aire, forma una mezcla de combustible y se enciende. Los productos de combustión resultantes a alta temperatura (900-1200 °C) pasan a través de varias filas de álabes montados en el eje de la turbina y hacen que la turbina gire. La energía mecánica resultante del eje se transmite a través de una caja de cambios a un generador que genera electricidad.

Energía térmica los gases que salen de la turbina entran en el intercambiador de calor. Además, en lugar de producir electricidad, la energía mecánica de la turbina puede utilizarse para hacer funcionar diversas bombas, compresores, etc. El combustible más utilizado para las turbinas de gas es el gas natural, aunque esto no excluye la posibilidad de utilizar otro tipo de combustibles gaseosos. . Pero al mismo tiempo, las turbinas de gas son muy caprichosas y exigen mucho la calidad de su preparación (son necesarias ciertas inclusiones mecánicas, humedad).

La temperatura de los gases que salen de la turbina es de 450-550 °С. La relación cuantitativa de energía térmica a energía eléctrica en las turbinas de gas oscila entre 1,5:1 y 2,5:1, lo que permite construir sistemas de cogeneración que se diferencian por el tipo de refrigerante:

1) uso directo (directo) de gases calientes de escape;
2) producción de vapor de baja o media presión (8-18 kg/cm2) en una caldera externa;
3) producción de agua caliente (mejor cuando la temperatura requerida supera los 140 °C);
4) producción de vapor a alta presión.

Los científicos soviéticos B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov y otros hicieron una gran contribución al desarrollo de las turbinas de gas. La creación de turbinas de gas para plantas de turbinas de gas estacionarias y móviles se logró por extranjeros empresas (la suiza Brown-Boveri, en la que trabajó el famoso científico eslovaco A. Stodola, y Sulzer, la estadounidense General Electric, etc.).

En el futuro, el desarrollo de las turbinas de gas depende de la posibilidad de aumentar la temperatura del gas frente a la turbina. Esto se debe a la creación de nuevos materiales resistentes al calor y sistemas de refrigeración fiables para las palas del rotor con una mejora significativa en la trayectoria del flujo, etc.

Gracias a la transición generalizada en la década de 1990. gas natural como principal combustible para la generación de energía, las turbinas de gas han ocupado un segmento importante del mercado. A pesar de que la máxima eficiencia del equipo se logra con capacidades de 5 MW y superiores (hasta 300 MW), algunos fabricantes producen modelos en el rango de 1 a 5 MW.

Las turbinas de gas se utilizan en aviación y centrales eléctricas.

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