Generatore a turbina a gas. Turbine a gas e turbine a gas a bassa potenza nel mercato russo. Progettazione di turbine a gas

"Turbo", "turbojet", "turboprop": questi termini sono entrati saldamente nel lessico degli ingegneri del 20° secolo coinvolti nella progettazione e manutenzione di veicoli e installazioni elettriche fisse. Trovano impiego anche in ambiti affini e pubblicitari, quando vogliono dare al nome del prodotto qualche accenno di particolare potenza ed efficienza. Nell'aviazione, nei razzi, nelle navi e nelle centrali elettriche, viene spesso utilizzata la turbina a gas. Come è organizzato? Funziona a gas naturale (come potrebbe suggerire il nome) e come sono? In che modo una turbina è diversa da altri tipi di motore a combustione interna? Quali sono i suoi vantaggi e svantaggi? In questo articolo si tenta di rispondere a queste domande nel modo più completo possibile.

Leader russo nella costruzione di macchine UEC

La Russia, a differenza di molti altri stati indipendenti formatisi dopo il crollo dell'URSS, è riuscita a preservare in gran parte l'industria della costruzione di macchine. In particolare, la società Saturn è impegnata nella produzione di centrali elettriche speciali. Le turbine a gas di questa azienda sono utilizzate nella costruzione navale, nell'industria delle materie prime e nell'energia. I prodotti sono high-tech, richiedono un approccio speciale durante l'installazione, il debug e il funzionamento, nonché conoscenze speciali e apparecchiature costose per la manutenzione programmata. Tutti questi servizi sono a disposizione dei clienti di UEC - Gas Turbines, come viene chiamata oggi. Non ci sono così tante imprese del genere nel mondo, sebbene il principio di organizzare i prodotti principali sia a prima vista semplice. L'esperienza accumulata è di grande importanza, il che consente di tenere conto di molte sottigliezze tecnologiche, senza le quali è impossibile ottenere un funzionamento duraturo e affidabile dell'unità. Ecco solo una parte della gamma di prodotti UEC: turbine a gas, centrali elettriche, unità di pompaggio gas. Tra i clienti ci sono "Rosatom", "Gazprom" e altre "balene" dell'industria chimica ed energetica.

La produzione di macchine così complesse richiede in ogni caso un approccio individuale. Il calcolo di una turbina a gas è attualmente completamente automatizzato, ma i materiali e le caratteristiche degli schemi elettrici contano in ogni singolo caso.

E tutto è iniziato così facile...

Ricerche e coppie

I primi esperimenti di conversione dell'energia di traslazione del flusso in forza di rotazione sono stati effettuati dall'uomo nell'antichità, utilizzando una normale ruota idraulica. Tutto è estremamente semplice, il liquido scorre dall'alto verso il basso, le lame sono poste nel suo flusso. La ruota, munita di esse lungo il perimetro, gira. Il mulino a vento funziona allo stesso modo. Poi venne l'era del vapore e la ruota girava più velocemente. A proposito, il cosiddetto "eolipil", inventato dall'antico greco Heron circa 130 anni prima della nascita di Cristo, era una macchina a vapore che funziona esattamente secondo questo principio. In sostanza, questa è stata la prima turbina a gas conosciuta dalla scienza storica (in fondo il vapore è uno stato gassoso di aggregazione dell'acqua). Oggi, invece, è consuetudine separare questi due concetti. L'invenzione di Airone fu poi trattata ad Alessandria senza molto entusiasmo, sebbene con curiosità. Le apparecchiature industriali a turbina apparvero solo alla fine del XIX secolo, dopo che lo svedese Gustaf Laval creò la prima unità di potenza attiva al mondo dotata di un ugello. Più o meno nella stessa direzione, l'ingegnere Parsons ha lavorato, fornendo la sua macchina con diversi passaggi funzionalmente collegati.

La nascita delle turbine a gas

Un secolo prima, un certo John Barber ebbe un'idea geniale. Perché è necessario riscaldare prima il vapore, non è più facile utilizzare direttamente i gas di scarico generati durante la combustione del combustibile, eliminando così inutili mediazioni nel processo di conversione dell'energia? Nasce così la prima vera turbina a gas. Il brevetto del 1791 espone l'idea di base di essere utilizzato in una carrozza senza cavalli, ma elementi di esso sono usati oggi nei moderni motori di razzi, aerei, carri armati e automobili. L'inizio del processo di costruzione dei motori a reazione fu dato nel 1930 da Frank Whittle. Ha avuto l'idea di utilizzare una turbina per azionare un aeroplano. Successivamente, ha trovato sviluppo in numerosi progetti di turboelica e turbogetto.

Turbina a gas Nikola Tesla

Il famoso scienziato-inventore ha sempre affrontato le questioni in esame in modo non standard. Sembrava ovvio a tutti che le ruote con pale o lame "catturassero" il movimento del mezzo meglio degli oggetti piatti. Tesla, nel suo modo caratteristico, ha dimostrato che se si assembla un sistema di rotore da dischi disposti in serie sull'asse, quindi raccogliendo gli strati limite con un flusso di gas, esso ruoterà non peggio, e in alcuni casi anche meglio, di un'elica multipala. È vero, la direzione del mezzo in movimento dovrebbe essere tangenziale, il che non è sempre possibile o desiderabile nelle unità moderne, ma il design è notevolmente semplificato: non necessita affatto di lame. Una turbina a gas secondo lo schema Tesla non è ancora in costruzione, ma forse l'idea sta solo aspettando il suo momento.

schema elettrico

Ora sul dispositivo fondamentale della macchina. È una combinazione di un sistema rotante montato su un asse (rotore) e una parte fissa (statore). Sull'albero è presente un disco con lame di lavoro che formano un reticolo concentrico, sono interessate dal gas alimentato in pressione tramite appositi ugelli. Quindi il gas espanso entra nella girante, anch'essa munita di pale, dette operaie. Per l'ingresso della miscela aria-carburante e l'uscita (scarico) vengono utilizzati tubi speciali. Anche il compressore è coinvolto nello schema generale. Può essere realizzato secondo un principio diverso, a seconda della pressione di esercizio richiesta. Per il suo funzionamento, una parte dell'energia viene prelevata dall'asse, che viene utilizzata per comprimere l'aria. La turbina a gas funziona mediante il processo di combustione della miscela aria-carburante, accompagnato da un notevole aumento di volume. L'albero ruota, la sua energia può essere utilizzata in modo utile. Tale schema è chiamato circuito singolo, ma se viene ripetuto, è considerato multistadio.

Vantaggi delle turbine aeronautiche

Dalla metà degli anni Cinquanta circa è apparsa una nuova generazione di aerei, compresi quelli passeggeri (in URSS questi sono Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124, ecc. ), nei progetti in cui i motori a pistoni degli aerei furono definitivamente e irrevocabilmente soppiantati da quelli a turbina. Ciò indica una maggiore efficienza di questo tipo di centrali elettriche. Le caratteristiche della turbina a gas sono per molti aspetti superiori ai parametri dei motori a carburatore, in particolare in termini di potenza/peso, che è di fondamentale importanza per l'aviazione, nonché indicatori di affidabilità altrettanto importanti. Minori consumi di carburante, meno parti mobili, migliori prestazioni ambientali, rumorosità e vibrazioni ridotte. Le turbine sono meno critiche per la qualità del carburante (cosa che non si può dire dei sistemi di alimentazione), sono più facili da mantenere, richiedono meno olio lubrificante. In generale, a prima vista sembra che non siano costituiti da metallo, ma da solide virtù. Ahimè, non lo è.

Ci sono degli svantaggi dei motori a turbina a gas

La turbina a gas si riscalda durante il funzionamento e trasferisce il calore agli elementi strutturali circostanti. Ciò è particolarmente critico, sempre in aviazione, quando si utilizza uno schema di layout redan che prevede il lavaggio della parte inferiore dell'unità di coda con un getto d'acqua. E l'alloggiamento del motore stesso richiede uno speciale isolamento termico e l'uso di speciali materiali refrattari in grado di resistere alle alte temperature.

Il raffreddamento delle turbine a gas è una sfida tecnica complessa. Non è uno scherzo, funzionano come un'esplosione praticamente permanente che si verifica nel corpo. L'efficienza in alcune modalità è inferiore a quella dei motori a carburatore, tuttavia, quando si utilizza uno schema a due circuiti, questo svantaggio viene eliminato, sebbene il design diventi più complicato, come nel caso dell'inclusione di compressori "booster" nello schema. L'accelerazione delle turbine e il raggiungimento della modalità di funzionamento richiedono del tempo. Più spesso l'unità si avvia e si ferma, più velocemente si consuma.

Applicazione corretta

Ebbene, nessun sistema è privo di difetti. È importante trovare una tale applicazione per ciascuno di essi, in cui i suoi vantaggi si manifesteranno più chiaramente. Ad esempio, carri armati come l'American Abrams, che è alimentato da una turbina a gas. Può essere riempito con tutto ciò che brucia, dalla benzina ad alto numero di ottani al whisky, e sprigiona molta energia. Questo potrebbe non essere un ottimo esempio, poiché l'esperienza in Iraq e in Afghanistan ha dimostrato la vulnerabilità delle pale dei compressori alla sabbia. La riparazione delle turbine a gas deve essere eseguita negli Stati Uniti, presso lo stabilimento di produzione. Porta lì il serbatoio, poi torna indietro, e il costo della manutenzione stessa, più accessori ...

Elicotteri, russi, americani e di altri paesi, nonché potenti motoscafi, sono meno colpiti dall'intasamento. Nei razzi liquidi sono indispensabili.

Anche le moderne navi da guerra e civili hanno motori a turbina a gas. E anche energia.

Centrali a trigeneratore

I problemi affrontati dai produttori di aeromobili non sono così preoccupanti per coloro che realizzano apparecchiature industriali per la generazione di elettricità. Il peso in questo caso non è più così importante e puoi concentrarti su parametri come l'efficienza e l'efficienza complessiva. Le unità del generatore a turbina a gas hanno un telaio massiccio, un telaio affidabile e pale più spesse. E' possibile sfruttare il calore generato, impiegandolo per svariate esigenze, dal riciclo secondario nell'impianto stesso, al riscaldamento dei locali domestici e all'alimentazione termica dei gruppi frigoriferi ad assorbimento. Questo approccio è chiamato trigeneratore e l'efficienza in questa modalità si avvicina al 90%.

Centrali nucleari

Per una turbina a gas, non fa alcuna differenza fondamentale quale sia la fonte del mezzo riscaldato che dà energia alle sue pale. Può essere una miscela aria-carburante bruciata o semplicemente vapore surriscaldato (non necessariamente acqua), l'importante è che fornisca la sua alimentazione ininterrotta. Al centro, le centrali di tutte le centrali nucleari, sottomarini, portaerei, rompighiaccio e alcune navi militari di superficie (l'incrociatore missilistico Pietro il Grande, per esempio) sono basate su una turbina a gas (GTU) ruotata dal vapore. I temi della sicurezza e dell'ecologia dettano il ciclo chiuso del circuito primario. Ciò significa che l'agente termico primario (nei primi campioni questo ruolo era svolto dal piombo, ora è stato sostituito dalla paraffina) non lascia la zona del vicino reattore, scorrendo attorno agli elementi combustibili in un cerchio. Il riscaldamento della sostanza di lavoro viene effettuato in circuiti successivi e l'anidride carbonica, l'elio o l'azoto evaporati fa ruotare la ruota della turbina.

Ampia applicazione

Gli impianti complessi e di grandi dimensioni sono quasi sempre unici, la loro produzione viene effettuata in piccoli lotti o in genere si realizzano copie singole. Molto spesso, le unità prodotte in grandi quantità vengono utilizzate in settori pacifici dell'economia, ad esempio per il pompaggio di materie prime di idrocarburi attraverso condutture. Sono questi che sono prodotti dalla società UEC con il marchio Saturn. Le turbine a gas delle stazioni di pompaggio sono pienamente coerenti con il loro nome. Pompano davvero gas naturale, usando la propria energia per il loro lavoro.

Una turbina a gas è comunemente indicata come un motore a funzionamento continuo. Successivamente, parleremo di come è organizzata una turbina a gas, qual è il principio di funzionamento dell'unità. Una caratteristica di un tale motore è che al suo interno viene prodotta energia da gas compresso o riscaldato, la cui trasformazione è un lavoro meccanico sull'albero.

Storia della turbina a gas

È interessante notare che i meccanismi delle turbine sono stati sviluppati dagli ingegneri per molto tempo. La prima turbina a vapore primitiva fu creata nel I secolo a.C. e.! Certo, è essenziale
Questo meccanismo ha raggiunto il suo apice solo ora. Le turbine iniziarono a svilupparsi attivamente alla fine del XIX secolo, contemporaneamente allo sviluppo e al miglioramento della termodinamica, dell'ingegneria meccanica e della metallurgia.

I principi di meccanismi, materiali, leghe sono cambiati, tutto è stato migliorato e ora, oggi, l'umanità conosce la più perfetta di tutte le forme precedentemente esistenti di una turbina a gas, che è divisa in vari tipi. C'è una turbina a gas per l'aviazione e ce n'è una industriale.

È consuetudine chiamare una turbina a gas una specie di motore termico, le sue parti di lavoro sono predeterminate con un solo compito: ruotare a causa dell'azione di un getto di gas.

È disposto in modo tale che la parte principale della turbina sia rappresentata da una ruota su cui sono fissate serie di pale. , agendo sulle pale di una turbina a gas, le fa muovere e far ruotare la ruota. La ruota, a sua volta, è fissata rigidamente all'albero. Questo tandem ha un nome speciale: il rotore della turbina. Come risultato di questo movimento, che avviene all'interno del turbomotore a gas, si ottiene energia meccanica, che viene trasmessa ad un generatore elettrico, all'elica di una nave, all'elica di un aeromobile e ad altri meccanismi di funzionamento di analogo principio di funzionamento.

Turbine attive e a getto

L'impatto del getto di gas sulle pale della turbina può essere duplice. Pertanto, le turbine sono divise in classi: la classe delle turbine attive e reattive. Le turbine a gas reattive e attive differiscono nel principio del dispositivo.

Turbina a impulsi

Una turbina attiva è caratterizzata dal fatto che c'è un'elevata portata di gas alle pale del rotore. Con l'aiuto di una lama curva, il getto di gas devia dalla sua traiettoria. Come risultato della deflessione, si sviluppa una grande forza centrifuga. Con l'aiuto di questa forza, le lame si mettono in moto. Durante l'intero percorso descritto del gas, una parte della sua energia viene persa. Tale energia è diretta al movimento della girante e dell'albero.

turbina a getto

In una turbina a reazione, le cose sono alquanto diverse. Qui, il flusso di gas alle pale del rotore viene effettuato a bassa velocità e sotto l'influenza di un alto livello di pressione. Anche la forma delle lame è eccellente, grazie alla quale la velocità del gas è notevolmente aumentata. Pertanto, il getto di gas crea una sorta di forza reattiva.

Dal meccanismo sopra descritto, ne consegue che il dispositivo di una turbina a gas è piuttosto complicato. Affinché tale unità funzioni senza intoppi e porti profitto e benefici al suo proprietario, è necessario affidarne la manutenzione a professionisti. Società specializzate nell'assistenza forniscono servizi di manutenzione di impianti che utilizzano turbine a gas, forniture di componenti, tutti i tipi di parti e parti. DMEnergy è una di queste società () che offre ai suoi clienti la tranquillità e la fiducia che non sarà lasciato solo con i problemi che sorgono durante il funzionamento di una turbina a gas.

Le centrali elettriche di capacità relativamente piccola possono includere sia motori a turbina a gas (GTE) che motori alternativi (RP). Di conseguenza, i clienti spesso chiedono quale guida è migliore. E, sebbene sia inequivocabilmente impossibile rispondere, lo scopo di questo articolo è un tentativo di comprendere questo problema.

introduzione

La scelta del tipo di motore, nonché il loro numero per l'azionamento di generatori elettrici in una centrale elettrica di qualsiasi capacità, è un compito tecnico ed economico complesso. I tentativi di confrontare motori a pistoni e motori a turbina a gas come azionamento sono spesso effettuati utilizzando gas naturale come carburante. I loro vantaggi e svantaggi fondamentali sono stati analizzati nella letteratura tecnica, negli opuscoli dei produttori di centrali elettriche con motori a pistoni e persino su Internet.

Di norma, vengono fornite informazioni generalizzate sulla differenza nel consumo di carburante, nel costo dei motori, senza tener conto della loro potenza e delle condizioni di funzionamento. Si nota spesso che è preferibile formare la composizione di centrali elettriche con una capacità di 10-12 MW sulla base di motori alternativi e una potenza maggiore - sulla base di turbine a gas. Queste raccomandazioni non devono essere prese come assiomi. Una cosa è ovvia: ogni tipo di motore ha i suoi vantaggi e svantaggi, e nella scelta di una trasmissione sono necessari alcuni criteri quantitativi, almeno indicativi, per la loro valutazione.

Attualmente, il mercato energetico russo offre una gamma abbastanza ampia di motori alternativi e a turbina a gas. Tra i motori a pistoni prevalgono i motori importati e tra i motori a turbina a gas quelli domestici.

Le informazioni sulle caratteristiche tecniche dei motori a turbina a gas e delle centrali elettriche basate su di esse, proposte per il funzionamento in Russia, sono state regolarmente pubblicate negli ultimi anni nel "Catalogo delle apparecchiature per turbine a gas".

Informazioni simili sui motori alternativi e sulle centrali elettriche, di cui fanno parte, possono essere raccolte solo dagli opuscoli di società russe e straniere che forniscono questa attrezzatura. Le informazioni sul costo dei motori e delle centrali elettriche molto spesso non vengono pubblicate e le informazioni pubblicate spesso non sono vere.

Confronto testa a testa di motori alternativi e a turbina a gas

L'elaborazione delle informazioni disponibili consente di formare la tabella seguente, che contiene una valutazione sia quantitativa che qualitativa dei vantaggi e degli svantaggi dei motori alternativi e dei turbomotori a gas. Purtroppo, alcune caratteristiche sono tratte da materiale promozionale, la cui completa accuratezza è estremamente difficile o quasi impossibile da verificare. I dati necessari per la verifica sui risultati del funzionamento dei singoli motori e centrali elettriche, salvo rare eccezioni, non sono pubblicati.

Naturalmente le cifre riportate sono generalizzate, per motori specifici saranno strettamente individuali. Inoltre, alcuni di essi sono forniti in conformità con gli standard ISO e le condizioni operative effettive dei motori differiscono in modo significativo dallo standard.

Le informazioni presentate forniscono solo una caratteristica qualitativa dei motori e non possono essere utilizzate nella selezione dell'attrezzatura per una particolare centrale elettrica. Alcuni commenti possono essere forniti per ogni posizione della tabella.

Il mercato dell'energia ha una selezione molto ampia di motori con differenze significative nelle caratteristiche tecniche. La concorrenza tra i motori dei tipi considerati è possibile solo nella gamma di potenza elettrica dell'unità fino a 16 MW. A potenze superiori, i motori a turbina a gas sostituiscono quasi completamente i motori a pistoni.

È necessario tenere conto del fatto che ogni motore ha caratteristiche individuali e solo queste dovrebbero essere utilizzate quando si sceglie un tipo di azionamento. Ciò consente di formare la composizione dell'equipaggiamento principale di una centrale elettrica di una determinata cilindrata in più versioni, variando, in primis, la potenza elettrica ed il numero di motori richiesti. La versatilità rende difficile la scelta del tipo di motore preferito.

Sull'efficienza dei motori a pistoni e turbogas

La caratteristica più importante di qualsiasi motore nelle centrali elettriche è l'efficienza di generazione di energia (KPIe), che determina il volume principale, ma non l'intero, del consumo di gas. L'elaborazione di dati statistici sui valori di efficienza permette di mostrare chiaramente gli ambiti di applicazione in cui, secondo questo indicatore, un tipo di motore presenta vantaggi rispetto ad un altro.

La disposizione e la configurazione reciproca dei tre selezionati in Fig. 1 zone, all'interno delle quali sono presenti immagini puntiformi dei valori del rendimento elettrico dei vari motori, permette di trarre alcune conclusioni:

• anche all'interno della stessa tipologia di motori di pari potenza si riscontra una significativa dispersione dei valori di efficienza per la generazione di energia elettrica;
• con una potenza unitaria superiore a 16 MW, i turbomotori a gas nel ciclo combinato forniscono un valore di efficienza superiore al 48% e monopolizzano il mercato;
• il rendimento elettrico dei motori a turbina a gas fino a 16 MW, operanti sia in ciclo semplice che combinato, è inferiore (a volte molto significativo) a quello dei motori a pistoni;
• i motori a turbina a gas con una potenza unitaria fino a 1 MW, recentemente apparsi sul mercato, sono superiori in termini di efficienza ai motori con una potenza di 2-8 MW, che sono oggi più spesso utilizzati nelle centrali elettriche;
• la natura della variazione dell'efficienza dei motori a turbina a gas ha tre zone: due con un valore relativamente costante - 27 e 36%, rispettivamente, e una con una variabile - dal 27 al 36%; all'interno di due zone, il coefficiente di efficienza dipende debolmente dalla potenza elettrica;
• il valore del rendimento per la generazione di elettricità dei motori alternativi è in costante dipendenza dalla loro potenza elettrica.

Tuttavia, questi fattori non sono un motivo per dare priorità ai motori a pistoni. Anche se la centrale produrrà solo energia elettrica, quando si confrontano le opzioni di equipaggiamento con diversi tipi di motori, sarà necessario eseguire calcoli economici. È necessario dimostrare che il costo del gas risparmiato pagherà la differenza nel costo dei motori alternativi e dei motori a turbina a gas, nonché delle apparecchiature aggiuntive per essi. Non è possibile determinare la quantità di gas risparmiata se non si conosce la modalità di funzionamento della stazione per la fornitura di energia elettrica in inverno e in estate. Idealmente, se sono noti i carichi elettrici necessari - massimo (giorno lavorativo invernale) e minimo (giorno di riposo estivo).

Utilizzo sia di energia elettrica che termica

Se la centrale deve produrre non solo energia elettrica, ma anche termica, allora sarà necessario determinare da quali fonti è possibile coprire il consumo di calore. Di norma, ci sono due di queste fonti: il calore utilizzato dai motori e/o il locale caldaia.

Per i motori a pistoni viene utilizzato il calore dell'olio di raffreddamento, dell'aria compressa e dei gas di scarico, per i motori a turbina a gas viene utilizzato solo il calore dei gas di scarico. La maggior parte del calore viene recuperata dai gas di scarico con l'ausilio di scambiatori di calore di scarto (UHE).

La quantità di calore recuperato dipende in gran parte dalla modalità di funzionamento del motore per generare elettricità e dalle condizioni climatiche. Una valutazione errata delle modalità di funzionamento del motore in inverno comporterà errori nella determinazione della quantità di calore utilizzato e una scelta errata della capacità installata del locale caldaia.

I grafici in Fig. 2 mostrano la possibilità di fornitura di calore recuperato da motori a turbina a gas e motori a pistoni per scopi di fornitura di calore. I punti sulle curve corrispondono ai dati del produttore sulle capacità delle apparecchiature disponibili per il recupero del calore. Sul motore della stessa potenza elettrica, i produttori installano vari UTO, in base a compiti specifici.

I vantaggi dei motori a turbina a gas in termini di generazione di calore sono innegabili. Ciò è particolarmente vero per i motori con una potenza elettrica di 2-10 MW, che si spiega con il valore relativamente basso della loro efficienza elettrica. All'aumentare dell'efficienza dei motori a turbina a gas, la quantità di calore utilizzato deve inevitabilmente diminuire.

Quando si sceglie un motore a pistoni per la fornitura di energia e calore di una particolare struttura, la necessità di utilizzare un locale caldaia come parte di una centrale elettrica è quasi fuori dubbio. Il funzionamento del locale caldaia richiede un aumento del consumo di gas superiore a quanto necessario per generare elettricità. Sorge la domanda su come differiscano i costi del gas per l'approvvigionamento energetico dell'impianto se in un caso vengono utilizzati solo motori a turbina a gas con recupero del calore di scarico e nell'altro caso vengono utilizzati motori a pistoni con recupero di calore e un locale caldaia. Solo dopo uno studio approfondito delle caratteristiche del consumo di elettricità e calore dell'oggetto è possibile rispondere a questa domanda.

Se assumiamo che il consumo di calore stimato di un oggetto può essere completamente coperto dal calore utilizzato dal motore a turbina a gas e la mancanza di calore quando si utilizza un motore a pistoni è compensata dal locale caldaia, allora è possibile identificare la natura della variazione del consumo totale di gas per l'approvvigionamento energetico dell'oggetto.

Utilizzando i dati in Fig. 1 e 2, è possibile per i punti caratteristici delle zone indicate nelle Figg. 1, ottenere informazioni sui risparmi di gas o sui superamenti quando si utilizzano vari tipi di attuatori. Sono presentati nella tabella:

I valori assoluti del risparmio di gas sono validi solo per un oggetto specifico, le cui caratteristiche sono state incluse nel calcolo, ma la natura generale della dipendenza si riflette correttamente, ovvero:
con valori di efficienza elettrica relativamente vicini (differenza fino al 10%), l'uso di motori a pistoni e un locale caldaia porta a un consumo eccessivo di carburante;

• con valori di efficienza elettrica relativamente vicini (differenza fino al 10%), l'uso di motori a pistoni e un locale caldaia porta a un consumo eccessivo di carburante;
• con una differenza nei valori di efficienza superiore al 10%, il funzionamento dei motori alternativi e del locale caldaia richiederà meno gas rispetto ai motori a turbina a gas;
• c'è un certo punto con il massimo risparmio di gas quando si utilizzano motori alternativi e un locale caldaia, dove la differenza tra i valori di efficienza dei motori è del 13-14%;
• maggiore è l'efficienza di un motore a pistoni e minore è l'efficienza di una turbina a gas, maggiore è il risparmio di gas.

Come supplemento

Di norma, il compito non si limita alla scelta del tipo di azionamento, è necessario determinare la composizione dell'attrezzatura principale della centrale: il tipo di unità, il loro numero, le apparecchiature ausiliarie.

La scelta dei motori per produrre la giusta quantità di energia elettrica determina le possibilità di generazione del calore recuperato. In questo caso è necessario tenere conto di tutte le caratteristiche delle variazioni delle caratteristiche tecniche del motore legate alle condizioni climatiche, alla natura del carico elettrico, e determinare l'effetto di tali variazioni sulla fornitura di calore utilizzato.

Va inoltre ricordato che la centrale elettrica non include solo motori. Sul suo sito sono solitamente presenti più di una dozzina di strutture ausiliarie, il cui funzionamento influisce anche sulle prestazioni tecniche ed economiche della centrale.

Come già accennato, da un punto di vista tecnico, la composizione dell'equipaggiamento della centrale può essere formata in diversi modi, quindi la sua scelta finale può essere giustificata solo dal punto di vista economico.

Allo stesso tempo, è estremamente importante la conoscenza delle caratteristiche di specifici motori e del loro impatto sulle prestazioni economiche di una futura centrale elettrica. Quando si eseguono calcoli economici, è inevitabile tenere conto delle risorse del motore, della manutenibilità, dei tempi e del costo delle riparazioni importanti. Questi indicatori sono anche individuali per ogni motore specifico, indipendentemente dal tipo.

Non si può escludere l'influenza di fattori ambientali sulla scelta del tipo di motori per la centrale. Lo stato dell'atmosfera nell'area in cui la centrale deve funzionare può essere un fattore importante nella determinazione del tipo di motore (indipendentemente da eventuali considerazioni economiche).

Come già notato, i dati sul costo dei motori e delle centrali elettriche basati su di essi non vengono pubblicati. I produttori o fornitori di apparecchiature fanno riferimento alla possibile differenza di configurazione, condizioni di consegna e altri motivi. I prezzi verranno presentati solo dopo la compilazione del questionario aziendale. Pertanto, l'informazione nella prima tabella secondo cui il costo dei motori alternativi con una potenza fino a 3,5 MW è inferiore al costo dei motori a turbina a gas della stessa potenza potrebbe rivelarsi errata.

Conclusione

Pertanto, nella classe di potenza dell'unità fino a 16 MW, né i motori a turbina a gas né quelli a pistoni possono avere una preferenza inequivocabile. Solo un'analisi approfondita delle modalità di funzionamento previste di una particolare centrale elettrica per la generazione di elettricità e calore (tenendo conto delle caratteristiche di motori specifici e di numerosi fattori economici) giustificherà pienamente la scelta del tipo di motore. Un'azienda specializzata può determinare la composizione dell'attrezzatura a livello professionale.

Riferimenti

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Questo articolo, con lievi modifiche, è tratto dalla rivista "Turbines and Diesels", n. 1 (2) per il 2006.
Autore - V.P. Vershinsky, OOO "Gazpromenenergoservis".

Una turbina a gas è un motore in cui, nel processo di funzionamento continuo, l'organo principale del dispositivo (il rotore) converte (in altri casi, vapore o acqua) in lavoro meccanico. In questo caso, il getto della sostanza in lavorazione agisce sulle pale fissate attorno alla circonferenza del rotore, mettendole in moto. Nella direzione del flusso di gas, le turbine sono divise in assiali (il gas si muove parallelamente all'asse della turbina) o radiali (movimento perpendicolare rispetto allo stesso asse). Esistono meccanismi sia a uno o più stadi.

Una turbina a gas può agire sulle pale in due modi. In primo luogo, è un processo attivo, quando il gas viene fornito all'area di lavoro ad alta velocità. In questo caso, il flusso di gas tende a muoversi in linea retta, e la parte curva della lama che si trova sulla sua strada lo devia, girandosi. In secondo luogo, è un processo di tipo reattivo, quando la velocità di alimentazione del gas è bassa, ma vengono utilizzate pressioni elevate. il tipo nella sua forma pura non si trova quasi mai, perché nelle loro turbine è presente che agisce sulle pale insieme alla forza di reazione.

Dove viene utilizzata oggi la turbina a gas? Il principio di funzionamento del dispositivo ne consente l'utilizzo per azionamenti di generatori di corrente elettrica, compressori, ecc. Le turbine di questo tipo sono ampiamente utilizzate nei trasporti (impianti di turbine a gas per navi). Rispetto agli analoghi del vapore, hanno un peso e dimensioni relativamente ridotte, non richiedono la disposizione di un locale caldaia, un'unità di condensazione.

La turbina a gas è pronta per il funzionamento abbastanza rapidamente dopo l'avvio, sviluppa la piena potenza in circa 10 minuti, è di facile manutenzione, richiede una piccola quantità di acqua per il raffreddamento. A differenza dei motori a combustione interna, non ha effetti inerziali dal meccanismo a manovella. una volta e mezzo più corto dei motori diesel e più del doppio più leggero. I dispositivi hanno la capacità di funzionare con carburante di bassa qualità. Le qualità sopra citate consentono di considerare motori di questo genere di particolare interesse per navi a bordo e aliscafi.

La turbina a gas come componente principale del motore presenta una serie di svantaggi significativi. Tra questi, si notano un'elevata rumorosità, inferiore ai motori diesel, efficienza, breve durata alle alte temperature (se il mezzo gassoso utilizzato ha una temperatura di circa 1100 ° C, la turbina può essere utilizzata in media fino a 750 ore).

L'efficienza di una turbina a gas dipende dal sistema in cui viene utilizzata. Ad esempio, i dispositivi utilizzati nell'industria energetica con una temperatura iniziale dei gas superiore a 1300 gradi Celsius, dall'aria nel compressore non superiore a 23 e non inferiore a 17, hanno un coefficiente di circa il 38,5% durante le operazioni autonome. Tali turbine sono poco diffuse e vengono utilizzate principalmente per coprire i picchi di carico negli impianti elettrici. Oggi, circa 15 turbine a gas con una capacità fino a 30 MW operano in una serie di centrali termoelettriche in Russia. Negli impianti multistadio si ottiene un indice di efficienza molto più elevato (circa 0,93) a causa dell'elevata efficienza degli elementi strutturali.

Il principio di funzionamento degli impianti a turbina a gas

Fig. 1. Schema di un'unità turbina a gas con un motore a turbina a gas monoalbero di ciclo semplice

L'aria pulita viene fornita al compressore (1) dell'unità di potenza della turbina a gas. Ad alta pressione, l'aria del compressore viene inviata alla camera di combustione (2), dove viene fornito anche il combustibile principale, il gas. La miscela si accende. Quando una miscela gas-aria viene bruciata, viene generata energia sotto forma di un flusso di gas caldi. Questo flusso scorre ad alta velocità verso la ruota della turbina (3) e la fa ruotare. L'energia cinetica di rotazione attraverso l'albero della turbina aziona il compressore e il generatore elettrico (4). Dai terminali del generatore di corrente, l'elettricità generata, solitamente attraverso un trasformatore, viene inviata alla rete elettrica, ai consumatori di energia.

Le turbine a gas sono descritte dal ciclo termodinamico Brayton.Il ciclo Brayton/Joule è un ciclo termodinamico che descrive i processi di funzionamento di motori a combustione interna a turbina a gas, turbojet e ramjet, nonché motori a combustione esterna di turbine a gas con un circuito chiuso di un gassoso fluido di lavoro (monofase).

Il ciclo prende il nome dall'ingegnere americano George Brighton, che ha inventato il motore a combustione interna alternativo che operava su questo ciclo.

A volte questo ciclo è anche chiamato ciclo di Joule, in onore del fisico inglese James Joule, che stabilì l'equivalente meccanico del calore.

Fig.2. Diagramma del ciclo P,V Brayton

Il ciclo Brayton ideale è costituito dai processi:

• 1-2 Compressione isoentropica.
• 2-3 Apporto termico isobarico.
• 3-4 Espansione isoentropica.
• 4-1 Rimozione del calore isobarico.

Tenendo conto delle differenze tra i processi adiabatici reali di espansione e contrazione da quelli isoentropici, si costruisce un vero ciclo di Brayton (1-2p-3-4p-1 sul diagramma T-S) (Fig. 3)

Fig.3. Diagramma del ciclo T-S Brayton
Ideale (1-2-3-4-1)
Reale (1-2p-3-4p-1)

L'efficienza termica di un ciclo Brayton ideale è solitamente espressa dalla formula:

• dove P = p2 / p1 - il grado di aumento della pressione nel processo di compressione isoentropica (1-2);
• k - indice adiabatico (per aria pari a 1,4)

Va notato in particolare che questo modo generalmente accettato di calcolare l'efficienza del ciclo oscura l'essenza del processo in corso. L'efficienza limite del ciclo termodinamico è calcolata attraverso il rapporto di temperatura utilizzando la formula di Carnot:

• dove T1 è la temperatura del frigorifero;
• T2 - temperatura del riscaldatore.

Esattamente lo stesso rapporto di temperatura può essere espresso in termini di rapporti di pressione utilizzati nel ciclo e indice adiabatico:

Pertanto, l'efficienza del ciclo di Brayton dipende dalle temperature iniziale e finale del ciclo esattamente allo stesso modo dell'efficienza del ciclo di Carnot. Con un riscaldamento infinitesimo del fluido di lavoro lungo la linea (2-3), il processo può essere considerato isotermico e del tutto equivalente al ciclo di Carnot. La quantità di riscaldamento del fluido di lavoro T3 nel processo isobarico determina la quantità di lavoro correlata alla quantità di fluido di lavoro utilizzata nel ciclo, ma non influisce in alcun modo sull'efficienza termica del ciclo. Tuttavia, nella realizzazione pratica del ciclo, il riscaldamento viene solitamente effettuato ai massimi valori possibili limitati dalla resistenza al calore dei materiali utilizzati in modo da ridurre al minimo le dimensioni dei meccanismi che comprimono ed espandono il fluido di lavoro.

In pratica, attrito e turbolenza provocano:

• Compressione non adiabatica: a parità di rapporto di pressione totale, la temperatura di scarico del compressore è superiore a quella ideale.
• Espansione non adiabatica: sebbene la temperatura della turbina scenda al livello necessario per il funzionamento, il compressore non ne risente, il rapporto di pressione è maggiore, di conseguenza, l'espansione non è sufficiente per fornire lavoro utile.
• Perdite di carico in aspirazione, camera di combustione e uscita: di conseguenza, l'espansione non è sufficiente a fornire lavoro utile.

Come per tutti i motori termici ciclici, maggiore è la temperatura di combustione, maggiore è l'efficienza. Il fattore limitante è la capacità dell'acciaio, del nichel, della ceramica o di altri materiali che compongono il motore di resistere al calore e alla pressione. Gran parte del lavoro di ingegneria si concentra sulla rimozione del calore dalle parti della turbina. La maggior parte delle turbine cerca anche di recuperare il calore dai gas di scarico che altrimenti andrebbero sprecati.

I recuperatori sono scambiatori di calore che trasferiscono il calore dai gas di scarico all'aria compressa prima della combustione. In un ciclo combinato, il calore viene trasferito ai sistemi di turbine a vapore. E nella cogenerazione (CHP), il calore di scarto viene utilizzato per produrre acqua calda.

Meccanicamente, le turbine a gas possono essere notevolmente più semplici dei motori a combustione interna alternativi. Le turbine semplici possono avere una parte mobile: gruppo albero/compressore/turbina/rotore alternativo (vedi immagine sotto), escluso il sistema di alimentazione.

Fig.4. Questa macchina ha un compressore radiale monostadio,
turbina, recuperatore e cuscinetti ad aria.

Turbine più complesse (quelle utilizzate nei moderni motori a reazione) possono avere più alberi (bobine), centinaia di pale della turbina, pale dello statore in movimento e un ampio sistema di tubazioni complesse, camere di combustione e scambiatori di calore.

Come regola generale, più piccolo è il motore, maggiore è la velocità dell'albero o degli alberi necessari per mantenere la massima velocità lineare delle lame.

La velocità massima delle pale della turbina determina la pressione massima che può essere raggiunta, con conseguente potenza massima, indipendentemente dalla cilindrata. Il motore a reazione ruota a circa 10.000 giri/min e la microturbina a circa 100.000 giri/min.