Chi per primo descrisse il principio di funzionamento di una turbina a gas. Principio di funzionamento della GTU. Quale può essere la durata utile dell'installazione prima di riparazioni importanti?

Lo sviluppo di nuovi tipi di turbine a gas, il tasso crescente di domanda di gas rispetto ad altri tipi di carburante e i piani su larga scala dei consumatori industriali per creare le proprie capacità stanno alimentando un crescente interesse per la costruzione di turbine a gas.

R Il mercato della piccola generazione ha grandi prospettive di sviluppo. Gli esperti prevedono un aumento della domanda di energia distribuita dall'8% (attuale) al 20% (entro il 2020). Questa tendenza è spiegata dalla tariffa relativamente bassa dell'elettricità (2-3 volte inferiore alla tariffa dell'elettricità da una rete centralizzata). Inoltre, secondo Maxim Zagornov, membro del consiglio generale di Business Russia, presidente dell'Associazione delle piccole energie degli Urali, direttore del gruppo di società MKS, la generazione su piccola scala è più affidabile della generazione in rete: nel caso di un incidente sulla rete esterna, la fornitura di energia elettrica non si interrompe. Un ulteriore vantaggio dell'energia decentralizzata è la rapidità di messa in servizio: 8-10 mesi, contro i 2-3 anni necessari per realizzare e connettere le linee di rete.

Denis Cherepanov, copresidente del comitato energetico di Business Russia, sostiene che il futuro spetta alla nostra generazione. Secondo il primo vicepresidente della commissione Duma di Stato Secondo Sergei Yesyakov sull'energia, nel caso dell'energia distribuita nella catena “energia-consumatore”, l'anello decisivo è il consumatore e non il settore energetico. Quando genera la propria elettricità, il consumatore dichiara la potenza richiesta, le configurazioni e persino il tipo di carburante, risparmiando sul prezzo di un kilowatt di energia ricevuta. Gli esperti ritengono, tra l'altro, che si possano ottenere ulteriori risparmi se la centrale funziona in modalità cogenerativa: l'energia termica recuperata verrà utilizzata per il riscaldamento. Quindi il periodo di ammortamento della centrale elettrica sarà notevolmente ridotto.

L'area di sviluppo più attivo dell'energia distribuita è la costruzione di centrali elettriche a turbina a gas a bassa potenza. Le centrali elettriche a turbina a gas sono progettate per funzionare in qualsiasi condizione climatica come fonte principale o di riserva di elettricità e calore per impianti industriali e domestici. L'uso di tali centrali elettriche in aree remote consente di ottenere notevoli risparmi sui costi eliminando i costi di costruzione e funzionamento di lunghe linee elettriche e nelle aree centrali - per aumentare l'affidabilità della fornitura elettrica e termica sia per le singole imprese che per le organizzazioni e i territori nel loro complesso. Diamo un'occhiata ad alcune turbine a gas e gruppi turbina a gas offerti da noti produttori per la costruzione di centrali elettriche a turbina a gas sul mercato russo.

Generale Elettrico

Le soluzioni di turbine aeroderivate di GE sono altamente affidabili e adatte all'uso in una vasta gamma di settori, dal petrolio e gas ai servizi di pubblica utilità. In particolare, nella generazione su piccola scala, vengono utilizzate attivamente le unità turbina a gas GE della famiglia LM2500 con una capacità da 21 a 33 MW e un'efficienza fino al 39%. LM2500 viene utilizzato come azionamento meccanico e azionamento del generatore elettrico, funzionano nelle centrali elettriche in ciclo semplice, ciclo combinato, modalità cogenerazione, piattaforme offshore e condutture.

Negli ultimi 40 anni, le turbine GE di questa serie sono state le più vendute nella loro categoria. In totale, nel mondo sono installate più di 2.000 turbine di questo modello con un tempo di funzionamento totale di oltre 75 milioni di ore.

Principali caratteristiche delle turbine LM2500: design leggero e compatto per una rapida installazione e facilità di manutenzione; raggiungere la piena potenza dal momento del lancio in 10 minuti; alta efficienza (in un ciclo semplice), affidabilità e disponibilità nella sua classe; possibilità di utilizzare camere di combustione dual-fuel per distillato e gas naturale; possibilità di utilizzare come combustibile kerosene, propano, gas di cokeria, etanolo e GNL; basse emissioni di NOx utilizzando camere di combustione DLE o SAC; coefficiente di affidabilità - oltre il 99%; tasso di disponibilità - oltre il 98%; Emissioni di NOx - 15 ppm (modifica DLE).

Per fornire ai clienti un supporto affidabile in tutto ciclo vitale apparecchiature di generazione, GE ha aperto un centro specializzato per le tecnologie energetiche a Kaluga. Offre ai clienti soluzioni moderne per la manutenzione, l'ispezione e la riparazione delle turbine a gas. L'azienda ha implementato un sistema di gestione della qualità in conformità con norma ISO 9001.

Industrie pesanti Kawasaki

L'azienda giapponese Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (KHI) è una società di ingegneria diversificata. Le turbine a gas occupano un posto importante nel suo programma di produzione.

Nel 1943, Kawasaki creò il primo motore a turbina a gas del Giappone ed è attualmente uno dei leader mondiali riconosciuti nella produzione di motori a turbina a gas di piccola e media potenza, avendo accumulato referenze per oltre 11.000 installazioni.

Avendo come priorità il rispetto dell'ambiente e l'efficienza, l'azienda ha fatto grandi passi avanti nello sviluppo delle tecnologie delle turbine a gas e sta perseguendo attivamente sviluppi promettenti, anche nel campo delle nuove fonti energetiche alternative ai combustibili fossili.

Avendo una buona esperienza nelle tecnologie criogeniche, nelle tecnologie per la produzione, lo stoccaggio e il trasporto di gas liquefatti, Kawasaki sta conducendo attività di ricerca e sviluppo nel campo dell'utilizzo dell'idrogeno come combustibile.

In particolare, l'azienda dispone già di prototipi di turbine che utilizzano l'idrogeno come additivo al combustibile metano. In futuro sono previste turbine nelle quali l'idrogeno, molto più ricco di energia e assolutamente rispettoso dell'ambiente, sostituirà gli idrocarburi.

Turbina a gas Kawasaki serie GPB progettato per il funzionamento a carico di base, compresi schemi di interazione di rete sia paralleli che isolati, con la base della gamma di potenza costituita da macchine da 1,7 a 30 MW.

La gamma di modelli comprende turbine che utilizzano l’iniezione di vapore per sopprimere le emissioni nocive e utilizzano la tecnologia DLE, modificata dagli ingegneri dell’azienda.

Efficienza elettrica, a seconda del ciclo di generazione e della potenza, rispettivamente, dal 26,9% per GPB17 e GPB17D (turbine M1A-17 e M1A-17D) al 40,1% per GPB300D (turbina L30A). Potenza elettrica - da 1700 a 30 120 kW; potenza termica - da 13.400 a 8970 kJ/kWh; temperatura dei gas di scarico - da 521 a 470°C; consumo di gas di scarico - da 29,1 a 319,4 mila m3/h; NOx (al 15% O2) - 9/15 ppm per turbine a gas M1A-17D, M7A-03D, 25 ppm per turbina M7A-02D e 15 ppm per turbine L20A e L30A.

In termini di efficienza, le turbine a gas Kawasaki, ciascuna nella sua categoria, sono leader mondiali o tra i leader. L'efficienza termica complessiva delle unità di potenza nelle configurazioni di cogenerazione raggiunge l'86-87%. L'azienda produce numerose turbine a gas nella versione a doppia alimentazione (gas naturale e combustibile liquido) con commutazione automatica. I consumatori russi in attualmente I tre modelli di turbina a gas più popolari sono GPB17D, GPB80D e GPB180D.

Le turbine a gas Kawasaki si distinguono per: elevata affidabilità e lunga durata; design compatto, particolarmente interessante quando si sostituiscono le apparecchiature degli impianti di generazione esistenti; facilità di manutenzione grazie al design diviso dell'alloggiamento, bruciatori rimovibili, fori di ispezione posizionati in modo ottimale, ecc., che semplifica l'ispezione e la manutenzione, anche da parte del personale dell'utente;

Ecologico ed economico. Le camere di combustione delle turbine Kawasaki sono progettate utilizzando i metodi più avanzati, che consentono di ottimizzare il processo di combustione e ottenere una migliore efficienza della turbina, oltre a ridurre il contenuto di NOx e altre sostanze nocive nello scarico. Le prestazioni ambientali vengono migliorate anche attraverso l'uso della tecnologia DLE (dry emissionsuppression) migliorata;

Possibilità di utilizzare un'ampia gamma di combustibili. Possono essere utilizzati gas naturale, cherosene, gasolio, olio combustibile leggero di tipo “A”, nonché gas di petrolio associato;

Servizio post-vendita affidabile. Alto livello di servizio, incluso sistema gratuito monitoraggio online (TechnoNet) con fornitura di rapporti e previsioni, supporto tecnico da parte di personale altamente qualificato, nonché sostituzione in permuta di un motore a turbina a gas durante una revisione importante (il tempo di fermo di una turbina a gas è ridotto a 2-3 settimane) , eccetera.

Nel settembre 2011, Kawasaki ha introdotto un nuovo sistema di camera di combustione che ha ridotto le emissioni di NOx a meno di 10 ppm per il motore a turbina a gas M7A-03, addirittura inferiore alle normative attuali. Uno degli approcci dell'azienda alla progettazione è quello di creare nuove apparecchiature che soddisfino non solo i requisiti ambientali moderni, ma anche quelli futuri e più rigorosi.

L'unità turbina a gas GPB50D ad alta efficienza da 5 MW con turbina Kawasaki M5A-01D utilizza le più recenti tecnologie collaudate. L'elevata efficienza dell'unità la rende ottimale per l'elettricità e la cogenerazione. Inoltre, il design compatto del GPB50D è particolarmente vantaggioso quando si aggiornano impianti esistenti. L'efficienza elettrica nominale del 31,9% è la migliore al mondo tra gli impianti di classe 5 MW.

La turbina M1A-17D, grazie all'utilizzo di una camera di combustione dal design originale con soppressione delle emissioni secche (DLE), ha eccellenti prestazioni ambientali (NOx) per la sua classe< 15 ppm) и эффективности.

La massa estremamente ridotta della turbina (1470 kg), la minima della sua categoria, è dovuta all'uso diffuso di materiali compositi e ceramica, di cui sono realizzate, ad esempio, le pale della girante. La ceramica è più resistente al funzionamento a temperature elevate e meno soggetta alla contaminazione rispetto ai metalli. Il gruppo turbogas ha un rendimento elettrico prossimo al 27%.

In Russia, attualmente Kawasaki Heavy Industries, Ltd. in collaborazione con aziende russe, ha realizzato una serie di progetti di successo:

Mini-centrale termoelettrica "Centrale" a Vladivostok

Per ordine di JSC Far Eastern Energy societa 'di gestione» (JSC DVEUK) 5 turbine a gas GPB70D (M7A-02D) sono state fornite a TPP “Tsentralnaya”. La stazione fornisce elettricità e calore ai consumatori nella parte centrale dello sviluppo dell'Isola Russky e nel campus dell'Università Federale dell'Estremo Oriente. TPP "Tsentralnaya" è la prima centrale elettrica in Russia con turbine Kawasaki.

Mini-centrale termoelettrica "Oceanarium" a Vladivostok

Questo progetto è stato implementato anche da JSC DVEUK per fornire energia al complesso scientifico ed educativo Primorsky Oceanarium situato sull'isola. Sono state fornite due turbine a gas GPB70D.

GTU prodotta da Kawasaki presso PJSC Gazprom

Il partner russo di Kawasaki, MPP Energotekhnika LLC, produce la centrale elettrica in container Corvette 1.7K sulla base della turbina a gas M1A-17D per l'installazione in aree aperte con un intervallo di temperatura ambiente da -60 a + 40 °C.

Nell'ambito dell'accordo di cooperazione, cinque EGTE CORVET-1.7K sono stati sviluppati e assemblati negli impianti di produzione di MPP Energotekhnika. Le responsabilità delle aziende in questo progetto sono state distribuite come segue: Kawasaki ha fornito il motore a turbina a gas M1A-17D e i sistemi di controllo della turbina, Siemens AG ha fornito il generatore ad alta tensione. MPP Energotekhnika LLC produce un contenitore a blocchi, un dispositivo di scarico e aspirazione dell'aria, un sistema di controllo dell'unità di potenza (incluso il sistema di eccitazione SHUVGm), apparecchiature elettriche - principali e ausiliarie, completa tutti i sistemi, assembla e fornisce centrali elettriche complete, nonché le vendite APCS.

EGTES Corvette-1.7K ha superato i test interdipartimentali ed è consigliato per l'uso presso le strutture di PJSC Gazprom. L'unità di potenza della turbina a gas è stata sviluppata da MPP Energotekhnika LLC secondo specifiche tecniche PJSC Gazprom nel quadro del programma di cooperazione scientifica e tecnica di PJSC Gazprom e dell'Agenzia risorse naturali e l’industria energetica del Giappone.

Turbina per CCGT da 10 MW presso NRU MPEI

Kawasaki Heavy Industries Ltd. ha prodotto e fornito un'unità completa di turbina a gas GPB80D con una potenza nominale di 7,8 MW per l'Università Nazionale di Ricerca "MPEI", con sede a Mosca. Il CHPP MPEI è educativo e pratico e, generando elettricità e calore su scala industriale, li fornisce allo stesso Istituto per l'energia di Mosca e li fornisce alle reti di servizi pubblici di Mosca.

Ampliare la geografia dei progetti

Kawasaki, richiamando l'attenzione sui vantaggi dello sviluppo dell'energia locale nella direzione della generazione distribuita, ha proposto di iniziare a realizzare progetti utilizzando unità turbina a gas potenza minima.

Sistemi di alimentazione Mitsubishi Hitachi

La gamma di modelli di turbine N-25 è presentata nella gamma di potenza di 28-41 MW. L'intera gamma di produzione delle turbine, compresa la ricerca e sviluppo e un centro di monitoraggio remoto, viene effettuata nello stabilimento di Hitachi, in Giappone, da MHPS (Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd.). La sua formazione è avvenuta nel febbraio 2014 grazie alla fusione dei settori di generazione dei leader riconosciuti nell'ingegneria meccanica Mitsubishi Heavy Industries Ltd. e Hitachi Ltd.

I modelli H-25 sono ampiamente utilizzati in tutto il mondo sia per il funzionamento a ciclo semplice grazie alla loro elevata efficienza (34-37%) sia per il funzionamento a ciclo combinato in configurazioni 1x1 e 2x1 con efficienza del 51-53%. Disponendo di indicatori di temperatura elevata dei gas di scarico, l'unità turbina a gas ha anche dimostrato di funzionare con successo in modalità cogenerazione con un'efficienza totale della stazione superiore all'80%.

Le competenze a lungo termine nella produzione di turbine a gas di un'ampia gamma di capacità e l'attenta progettazione di una turbina industriale monoalbero contraddistinguono l'N-25 con un'elevata affidabilità con un tasso di disponibilità delle apparecchiature superiore al 99%. Il tempo di funzionamento totale del modello ha superato i 6,3 milioni di ore nella seconda metà del 2016. La moderna unità turbina a gas è realizzata con un connettore assiale orizzontale, che garantisce facilità di manutenzione, nonché la possibilità di sostituire parti del percorso caldo a il luogo dell'operazione.

La camera di combustione ad anelli tubolari in controcorrente garantisce una combustione stabile con diversi tipi di combustibile, come gas naturale, gasolio, gas di petrolio liquefatto, gas di combustione, gas di cokeria, ecc. La camera può essere realizzata in una versione con modalità di combustione per diffusione , nonché una camera di combustione secca a basse emissioni di premiscelazione della miscela gas-aria (DLN). Il motore a turbina a gas H-25 è un compressore a flusso assiale a 17 stadi accoppiato a una turbina attiva a tre stadi.

Un esempio di funzionamento affidabile della turbina a gas N-25 negli impianti di produzione su piccola scala in Russia è il funzionamento come parte di un'unità di cogenerazione per le esigenze proprie dell'impianto Ammoniy JSC a Mendeleevsk, nella Repubblica del Tatarstan. L'unità di cogenerazione fornisce al sito produttivo 24 MW di energia elettrica e 50 t/h di vapore (390°C / 43 kg/cm3). Nel novembre 2017 è stata effettuata con successo la prima ispezione del sistema di combustione della turbina presso il sito, confermando il funzionamento affidabile dei componenti e dei gruppi della macchina alle alte temperature.

Nel settore del petrolio e del gas, le unità turbina a gas N-25 sono state utilizzate per gestire il complesso di trattamento onshore (OPF) Sakhalin II della Sakhalin Energy Investment Company, Ltd. L'OPF si trova 600 km a nord di Yuzhno-Sakhalinsk, nell'area di approdo del gasdotto offshore ed è una delle strutture più importanti dell'azienda, responsabile della preparazione di gas e condensato per la successiva trasmissione attraverso il gasdotto al terminale di esportazione del petrolio e alla produzione di GNL pianta. Il complesso tecnologico comprende quattro turbine a gas N-25, che sono in esercizio commerciale dal 2008. L'unità di cogenerazione basata sulla turbina a gas N-25 è integrata al massimo nel sistema energetico OPF integrato, in particolare il calore proveniente dai gas di scarico della turbina i gas vengono utilizzati per riscaldare il petrolio greggio per le esigenze di raffinazione del petrolio.

I gruppi elettrogeni industriali a turbina a gas di Siemens (di seguito denominati GTU) contribuiranno a far fronte alle difficoltà del mercato della generazione distribuita in sviluppo dinamico. Le turbine a gas con potenza nominale unitaria da 4 a 66 MW soddisfano pienamente gli elevati requisiti nel campo della generazione combinata di energia industriale, in termini di efficienza dell'impianto (fino al 90%), affidabilità operativa, flessibilità di manutenzione e sicurezza ambientale, garantendo costi contenuti durante l’intera vita operativa e alti rendimenti dagli investimenti. L'esperienza dell'azienda Siemens nella costruzione di turbine a gas industriali e nella costruzione di centrali termiche basate su di esse risale a più di 100 anni fa.

Le turbine a gas Siemens con una capacità da 4 a 66 MW sono utilizzate da piccole società energetiche, produttori di energia indipendenti (ad esempio imprese industriali), nonché nell'industria del petrolio e del gas. L'uso di tecnologie di generazione distribuita di elettricità con produzione combinata di energia termica consente di evitare investimenti in linee elettriche multichilometro, riducendo al minimo la distanza tra la fonte di energia e l'oggetto che la consuma, e ottenendo notevoli risparmi sui costi coprendo il riscaldamento imprese industriali e infrastrutture attraverso il recupero di calore. Una mini centrale termoelettrica standard basata su una turbina a gas Siemens può essere costruita ovunque vi sia accesso a una fonte di combustibile o alla sua pronta fornitura.

SGT-300 è una turbina a gas industriale con una potenza elettrica nominale di 7,9 MW (vedi Tabella 1), combina un design semplice e affidabile e le tecnologie più recenti.

Tabella 1. Caratteristiche SGT-300 per azionamento meccanico e generazione di energia

1) Elettrico 2) Montaggio su albero

Riso. 1. Progettazione del generatore di gas SGT-300

Per la produzione di energia industriale viene utilizzata la versione monoalbero della turbina a gas SGT-300 (vedere Fig. 1). E' ideale per la combinata termica e energia elettrica(TES). L'unità turbina a gas SGT-300 è un'unità turbina a gas industriale, originariamente progettata per la generazione e presenta i seguenti vantaggi operativi per le organizzazioni operative:

Efficienza elettrica - 31%, che è in media del 2-3% superiore all'efficienza delle turbine a gas di potenza inferiore, grazie al valore di efficienza più elevato raggiunto effetto economico sul risparmio di gas combustibile;

Il generatore di gas è dotato di una camera di combustione secca a basse emissioni con tecnologia DLE, che consente di raggiungere livelli di emissioni di NOx e CO oltre 2,5 volte inferiori a quelli stabiliti dai documenti normativi;

L'unità turbina a gas ha buone caratteristiche dinamiche grazie al suo design ad albero singolo e garantisce un funzionamento stabile del generatore quando il carico della rete collegata esterna oscilla;

Il design industriale della turbina a gas garantisce una lunga durata tra una revisione e l'altra ed è ottimale dal punto di vista dell'organizzazione dei lavori di manutenzione eseguiti sul luogo dell'operazione;

Una significativa riduzione dell'ingombro dell'edificio, nonché dei costi di investimento, compreso l'acquisto di apparecchiature meccaniche ed elettriche della stazione generale, la sua installazione e messa in servizio, quando si utilizza una soluzione basata su SGT-300 (Fig. 2).

Riso. 2. Caratteristiche di peso e dimensioni del blocco SGT-300

Il tempo di funzionamento totale della flotta SGT-300 installata è di oltre 6 milioni di ore, di cui 151.000 ore di funzionamento della principale turbina a gas. Il fattore disponibilità/disponibilità è del 97,3%, il fattore di affidabilità è del 98,2%.

OPRA (Paesi Bassi) è un fornitore leader di sistemi energetici basati su turbine a gas. OPRA sviluppa, produce e commercializza moderni motori a turbina a gas con una potenza di circa 2 MW. L'attività principale dell'azienda è la produzione di elettricità per l'industria del petrolio e del gas.

L'affidabile motore OPRA OP16 offre prestazioni più elevate a costi inferiori e una maggiore durata rispetto a qualsiasi altra turbina della sua categoria. Il motore funziona con diversi tipi di carburante liquido e gassoso. È prevista una modifica della camera di combustione con un ridotto contenuto di sostanze inquinanti nello scarico. La centrale elettrica OPRA OP16 da 1,5-2,0 MW sarà un assistente affidabile in condizioni operative difficili.

Le turbine a gas OPRA sono l'attrezzatura perfetta per la generazione di elettricità in sistemi elettrici autonomi e di cogenerazione su piccola scala. Lo sviluppo del progetto della turbina ha richiesto più di dieci anni. Il risultato è stato un motore a turbina a gas semplice, affidabile ed efficiente, incluso un modello a basse emissioni.

Una caratteristica distintiva della tecnologia per convertire l'energia chimica in energia elettrica nell'OP16 è il sistema di controllo brevettato per la preparazione e la fornitura della miscela di carburante COFAR, che fornisce modalità di combustione con formazione minima di ossidi di azoto e carbonio, nonché un minimo di residui di carburante incombusto. Originale è anche la geometria brevettata della turbina radiale e il design complessivo a sbalzo della cartuccia sostituibile, che comprende un albero, cuscinetti, un compressore centrifugo e una turbina.

Gli specialisti delle società "OPRA" e "MES Engineering" hanno sviluppato un concetto per la creazione di un complesso unificato unico per il trattamento dei rifiuti tecnici. Dei 55-60 milioni di tonnellate di tutti i rifiuti solidi prodotti in Russia ogni anno, un quinto - 11,7 milioni di tonnellate - ricade nella regione della capitale (3,8 milioni di tonnellate - Regione di Mosca, 7,9 milioni di tonnellate - Mosca). Allo stesso tempo, 6,6 milioni di tonnellate vengono esportate da Mosca oltre la tangenziale di Mosca rifiuti domestici. Pertanto, più di 10 milioni di tonnellate di rifiuti si depositano nella regione di Mosca. Dal 2013, 22 delle 39 discariche di rifiuti nella regione di Mosca sono state chiuse e dovrebbero essere sostituite da 13 complessi di raccolta differenziata, che saranno messi in funzione nel 2018-2019, e da quattro impianti di incenerimento dei rifiuti. La stessa situazione si verifica nella maggior parte delle altre regioni. Tuttavia, la costruzione di grandi impianti di trattamento dei rifiuti non è sempre redditizia, quindi il problema del riciclaggio dei rifiuti è molto rilevante.

Il concetto sviluppato di un unico complesso tecnico combina impianti OPRA completamente radiali, che hanno elevata affidabilità ed efficienza, con il sistema di gassificazione/pirolisi della società MES, che consente una conversione efficiente vari tipi rifiuti (compresi rifiuti solidi, fanghi oleosi, terreno contaminato, rifiuti biologici e sanitari, scarti di legno, traversine, ecc.) in ottimo combustibile per la generazione di calore ed elettricità. Come risultato di una collaborazione a lungo termine è stato progettato ed è ora in fase di realizzazione un complesso standardizzato per il trattamento dei rifiuti con una capacità di 48 tonnellate al giorno. (Fig. 3).

Riso. 3. Layout generale di un complesso standard di trattamento dei rifiuti con una capacità di 48 tonnellate/giorno.

Il complesso comprende un impianto di gassificazione MES con un'area di stoccaggio dei rifiuti, due turbine a gas OPRA con una potenza elettrica totale di 3,7 MW e una potenza termica di 9 MW, oltre a vari sistemi ausiliari e di protezione.

La realizzazione di un tale complesso consente, su un'area di 2 ettari, di ottenere la possibilità di fornitura autonoma di energia e calore a varie strutture industriali e comunali, risolvendo al contempo il problema del riciclaggio di varie tipologie di rifiuti domestici.

Le differenze tra il complesso sviluppato e le tecnologie esistenti derivano dalla combinazione unica delle tecnologie proposte. Piccoli volumi (2 t/h) di rifiuti consumati, insieme alla piccola area richiesta del sito, consentono di posizionare questo complesso direttamente vicino a piccoli insediamenti, imprese industriali, ecc., Risparmiando significativamente denaro sul trasporto costante di rifiuti nei luoghi di smaltimento. La completa autonomia del complesso ne consente l'impiego praticamente ovunque. L'uso di un design standard sviluppato, strutture modulari e il massimo grado di disponibilità in fabbrica delle attrezzature consente di ridurre al minimo i tempi di costruzione a 1-1,5 anni. L'uso di nuove tecnologie garantisce la massima compatibilità ambientale del complesso. L’unità di gassificazione MES produce contemporaneamente frazioni di gas e combustibile liquido e, data la natura a doppia alimentazione della turbina a gas OPRA, vengono utilizzate simultaneamente, il che aumenta la flessibilità del combustibile e l’affidabilità dell’alimentazione elettrica. I bassi requisiti della turbina a gas OPRA in termini di qualità del carburante aumentano l'affidabilità dell'intero sistema. L'impianto MES consente l'utilizzo di rifiuti con un contenuto di umidità fino all'85%; pertanto non è necessaria l'essiccazione dei rifiuti, il che aumenta l'efficienza dell'intero complesso. L'elevata temperatura dei gas di scarico della turbina a gas OPA consente un'affidabile fornitura di calore con acqua calda o vapore (fino a 11 tonnellate di vapore all'ora a 12 bar). Il progetto è standard e scalabile, il che consente lo smaltimento di qualsiasi quantità di rifiuti.

I calcoli mostrano che il costo della produzione di elettricità sarà compreso tra 0,01 e 0,03 euro per 1 kWh, il che dimostra un elevato efficienza economica progetto. Pertanto, l'azienda OPRA ha confermato ancora una volta la propria attenzione all'ampliamento della gamma di carburanti utilizzati e all'aumento della flessibilità del carburante, nonché l'attenzione al massimo utilizzo delle tecnologie “verdi” nel suo sviluppo.

Una turbina è qualsiasi dispositivo rotante che utilizza l'energia di un fluido di lavoro in movimento (fluido) per produrre lavoro. I fluidi tipici delle turbine sono: vento, acqua, vapore ed elio. I mulini a vento e le dighe idroelettriche utilizzano da decenni le turbine per far girare i generatori elettrici e produrre energia per l’industria e l’edilizia abitativa. Le turbine semplici esistono da molto più tempo; le prime apparvero nell'antica Grecia.

Nella storia della produzione di energia, tuttavia, le turbine a gas sono apparse non molto tempo fa. La prima turbina a gas praticamente utile iniziò a generare elettricità a Neuchâtel, in Svizzera, nel 1939. È stato sviluppato dalla Brown Boveri Company. Anche la prima turbina a gas per alimentare un aereo entrò in funzione nel 1939 in Germania, utilizzando una turbina a gas progettata da Hans P. von Ogein. In Inghilterra negli anni '30, l'invenzione e il progetto della turbina a gas da parte di Frank Whittle portarono al primo volo a turbina nel 1941.

Figura 1. Schema di una turbina per aereo (a) e di una turbina a gas per uso terrestre (b)

Il termine “turbina a gas” è facilmente fuorviante perché per molti significa un motore a turbina che utilizza il gas come combustibile. Infatti, una turbina a gas (mostrata schematicamente in Fig. 1) è dotata di un compressore che fornisce e comprime il gas (solitamente aria); la camera di combustione, dove la combustione del carburante riscalda il gas compresso e la turbina stessa, che estrae energia dal flusso di gas caldi e compressi. Questa energia è sufficiente per alimentare il compressore e rimane per applicazioni utili. Una turbina a gas è un motore a combustione interna (ICE) che utilizza la combustione continua di carburante per produrre lavoro utile. Ciò distingue la turbina dai motori a carburatore o diesel a combustione interna, dove il processo di combustione è intermittente.

Da quando nel 1939 è iniziato l'uso delle turbine a gas sia nel settore energetico che in quello aeronautico, vengono utilizzati nomi diversi per le turbine a gas aeronautiche e terrestri. Le turbine a gas dell'aviazione sono chiamate turbogetto o motori a reazione, mentre le altre turbine a gas sono chiamate turbine a gas. In inglese ci sono ancora più nomi per questi motori generalmente simili.

Utilizzo di turbine a gas

Nel motore a turbogetto di un aereo, l'energia proveniente dalla turbina aziona un compressore, che aspira l'aria nel motore. Il gas caldo in uscita dalla turbina viene rilasciato nell'atmosfera attraverso l'ugello di scarico, che crea la spinta. Nella fig. 1a mostra uno schema di un motore a turbogetto.

Figura 2. Rappresentazione schematica di un motore a turbogetto per aereo.

Un tipico motore a turbogetto è mostrato in Fig. 2. Tali motori creano una spinta da 45 kgf a 45000 kgf con un peso proprio da 13 kg a 9000 kg. I motori più piccoli azionano missili da crociera, i più grandi azionano enormi aeroplani. Turbina a gas in Fig. 2 è un motore turbofan con compressore di grande diametro. La spinta è creata sia dall'aria che viene aspirata dal compressore, sia dall'aria che attraversa la turbina stessa. Il motore è grande e in grado di produrre una spinta elevata a bassa velocità durante il decollo, il che lo rende particolarmente adatto agli aerei commerciali. Un motore a turbogetto non ha una ventola e crea la spinta con l'aria che passa completamente attraverso il percorso del gas. I motori a turbogetto hanno dimensioni frontali ridotte e producono la massima spinta alle alte velocità, rendendoli più adatti per l'uso su aerei da caccia.

Nelle turbine a gas non aeronautiche, una parte dell'energia della turbina viene utilizzata per azionare il compressore. L'energia rimanente - "energia utile" - viene rimossa dall'albero della turbina tramite un dispositivo di utilizzo dell'energia come un generatore elettrico o un'elica di una nave.

Una tipica turbina a gas per uso terrestre è mostrata in Fig. 3. Tali impianti possono generare energia da 0,05 MW a 240 MW. L'installazione mostrata in Fig. 3 è una turbina a gas, derivata da quella aeronautica, ma più leggera. Le unità più pesanti sono progettate specificamente per l'uso terrestre e sono chiamate turbine industriali. Sebbene le turbine derivate dagli aerei siano sempre più utilizzate come generatori di energia primari, sono ancora più comunemente utilizzate come compressori per il pompaggio di gas naturale, l’alimentazione delle navi e come generatori di energia ausiliari durante i periodi di picco di carico. I generatori delle turbine a gas possono entrare rapidamente in funzione, fornendo energia nei momenti di maggior bisogno.

Figura 3. La più semplice turbina a gas monostadio per uso terrestre. Ad esempio, nel settore energetico. 1 – compressore, 2 – camera di combustione, 3 – turbina.

I vantaggi più importanti di una turbina a gas sono:

1. È in grado di produrre molta energia con dimensioni e peso relativamente ridotti.
2. Una turbina a gas funziona in modalità di rotazione costante, a differenza dei motori a pistoni che funzionano con carichi in costante cambiamento. Pertanto, le turbine durano a lungo e richiedono relativamente poca manutenzione.
3. Sebbene una turbina a gas venga avviata utilizzando apparecchiature ausiliarie come motori elettrici o un'altra turbina a gas, l'avvio richiede pochi minuti. Per fare un confronto, il tempo di avvio di una turbina a vapore viene misurato in ore.
4. Una turbina a gas può utilizzare una varietà di combustibili. Le grandi turbine terrestri utilizzano tipicamente gas naturale, mentre le turbine aeronautiche utilizzano tipicamente distillati leggeri (cherosene). È possibile utilizzare anche gasolio o olio combustibile trattato in modo speciale. È anche possibile utilizzare gas infiammabili provenienti dal processo di pirolisi, gassificazione e raffinazione del petrolio, nonché biogas.
5. Tipicamente, le turbine a gas utilizzano l'aria atmosferica come fluido di lavoro. Quando genera elettricità, una turbina a gas non richiede un refrigerante (come l'acqua).

In passato, uno dei principali svantaggi delle turbine a gas era la loro bassa efficienza rispetto ad altri motori a combustione interna o alle turbine a vapore delle centrali elettriche. Tuttavia, negli ultimi 50 anni, i miglioramenti nella loro progettazione hanno aumentato l’efficienza termica dal 18% del 1939 sulla turbina a gas di Neuchatel all’attuale efficienza del 40% nel funzionamento a ciclo semplice e circa il 55% nel funzionamento a ciclo combinato (maggiori informazioni su questo argomento più avanti) ). In futuro, l’efficienza delle turbine a gas aumenterà ancora di più, con un aumento previsto dell’efficienza del ciclo semplice al 45-47% e dell’efficienza del ciclo combinato al 60%. Queste efficienze previste sono significativamente più elevate di quelle di altri motori comuni come le turbine a vapore.

Cicli delle turbine a gas

Il ciclogramma mostra cosa succede quando l'aria entra, passa attraverso il percorso del gas ed esce dalla turbina a gas. Tipicamente, un ciclogramma mostra la relazione tra il volume dell'aria e la pressione in un sistema. Nella fig. La Figura 4a mostra il ciclo di Brayton, che mostra il cambiamento nelle proprietà di un volume fisso d'aria che passa attraverso una turbina a gas durante il suo funzionamento. Le aree chiave di questo ciclogramma sono mostrate anche nella rappresentazione schematica di una turbina a gas in Fig. 4b.

Figura 4a. Diagramma del ciclo di Brayton in coordinate PV per un fluido di lavoro, che mostra i flussi di lavoro (W) e calore (Q).

Figura 4b. Rappresentazione schematica di una turbina a gas, che mostra i punti del diagramma del ciclo di Brayton.

L'aria viene compressa dal punto 1 al punto 2. Allo stesso tempo, la pressione del gas aumenta e il volume del gas diminuisce. L'aria viene poi riscaldata a pressione costante dal punto 2 al punto 3. Questo calore è prodotto dal combustibile introdotto nella camera di combustione e dalla sua combustione continua.

L'aria compressa calda dal punto 3 inizia ad espandersi tra i punti 3 e 4. In questo intervallo la pressione e la temperatura diminuiscono e il volume del gas aumenta. Nel motore di Fig. 4b questo è rappresentato dal flusso di gas dal punto 3 attraverso la turbina al punto 4. Questo produce energia, che può poi essere utilizzata. Nella fig. 1a, il flusso si dirige dal punto 3" al punto 4 attraverso l'ugello di uscita e produce spinta. Il "lavoro utile" in Fig. 4a è mostrato dalla curva 3'-4. Questa è l'energia capace di azionare l'albero motore di un una turbina terrestre o la creazione di spinta per un motore aeronautico. Il ciclo Brighton è completato nella Fig. 4 da un processo in cui il volume e la temperatura dell'aria diminuiscono man mano che il calore viene rilasciato nell'atmosfera.

Figura 5. Sistema a circuito chiuso.

La maggior parte delle turbine a gas funzionano in modalità a ciclo aperto. In un ciclo aperto, l'aria viene prelevata dall'atmosfera (punto 1 nelle Fig. 4a e 4b) e rilasciata nuovamente nell'atmosfera nel punto 4, quindi il gas caldo viene raffreddato nell'atmosfera dopo essere stato rilasciato dal motore. In una turbina a gas funzionante a ciclo chiuso, il fluido di lavoro (liquido o gas) viene costantemente utilizzato per raffreddare i gas di scarico (al punto 4) in uno scambiatore di calore (mostrato schematicamente in Fig. 5) e viene inviato all'ingresso del compressore . Poiché utilizza un volume chiuso con una quantità limitata di gas, una turbina a ciclo chiuso non è un motore a combustione interna. In un sistema a ciclo chiuso, la combustione non può essere sostenuta e la camera di combustione convenzionale è sostituita da uno scambiatore di calore secondario che riscalda l’aria compressa prima che entri nella turbina. Il calore è fornito da una fonte esterna, come un reattore nucleare, un forno a carbone a letto fluidizzato o un'altra fonte di calore. È stato proposto di utilizzare turbine a gas a ciclo chiuso nei voli su Marte e in altri voli spaziali a lungo termine.

Una turbina a gas progettata e gestita secondo il ciclo Bryson (Fig. 4) è chiamata turbina a gas a ciclo semplice. La maggior parte delle turbine a gas sugli aerei funzionano secondo un ciclo semplice, poiché è necessario mantenere il peso e le dimensioni frontali del motore quanto più ridotte possibile. Tuttavia, per uso terrestre o marittimo diventa possibile aggiungere equipaggiamento opzionale ad una turbina a ciclo semplice per aumentare l'efficienza e/o la potenza del motore. Vengono utilizzati tre tipi di modifiche: rigenerazione, intercooling e doppio riscaldamento.

Rigenerazione prevede l'installazione di uno scambiatore di calore (recuperatore) lungo il percorso dei gas di scarico (punto 4 di Fig. 4b). Aria compressa dal punto 2 in Fig. 4b viene preriscaldato su uno scambiatore di calore dai gas di scarico prima di entrare nella camera di combustione (Fig. 6a).

Se la rigenerazione è ben implementata, cioè l'efficienza dello scambiatore di calore è elevata e la caduta di pressione al suo interno è ridotta, l'efficienza sarà maggiore rispetto a un semplice ciclo di funzionamento della turbina. Bisogna però tenere conto anche del costo del rigeneratore. I rigeneratori sono stati utilizzati nei motori a turbina a gas del carro armato M1 Abrams, il principale carro armato dell'operazione Desert Storm, e nei motori a turbina a gas sperimentali delle automobili. Le turbine a gas con rigenerazione migliorano l'efficienza del 5-6% e sono ancora più efficienti quando funzionano a carico parziale.

Intercooling prevede anche l’utilizzo di scambiatori di calore. Un intercooler (intercooler) raffredda il gas mentre viene compresso. Ad esempio, se il compressore è composto da due moduli, alta e bassa pressione, tra di essi dovrebbe essere installato un intercooler per raffreddare il flusso di gas e ridurre la quantità di lavoro richiesta per la compressione nel compressore alta pressione(Fig. 6b). L'agente refrigerante può essere l'aria atmosferica (i cosiddetti raffreddatori d'aria) o l'acqua (ad esempio l'acqua di mare nella turbina di una nave). È facile dimostrare che la potenza di una turbina a gas con un intercooler ben progettato aumenta.

Doppio riscaldamento utilizzato nelle turbine ed è un modo per aumentare la potenza di una turbina senza modificare il funzionamento del compressore o aumentare la temperatura operativa della turbina. Se una turbina a gas ha due moduli, alta e bassa pressione, viene utilizzato un surriscaldatore (solitamente un'altra camera di combustione) per riscaldare il flusso di gas tra le turbine ad alta e bassa pressione (Fig. 6c). Ciò può aumentare la potenza erogata dell'1-3%. Il doppio riscaldamento nelle turbine degli aerei si ottiene aggiungendo una camera di postcombustione all'ugello della turbina. Ciò aumenta la trazione, ma aumenta significativamente il consumo di carburante.

Una centrale elettrica con turbina a gas a ciclo combinato è spesso abbreviata in CGC. Per ciclo combinato si intende una centrale elettrica in cui una turbina a gas e una turbina a vapore vengono utilizzate insieme per ottenere una maggiore efficienza rispetto a quando vengono utilizzate separatamente. La turbina a gas aziona un generatore elettrico. I gas di scarico della turbina vengono utilizzati per produrre vapore in uno scambiatore di calore, questo vapore aziona la turbina a vapore, che produce anche elettricità. Se per il riscaldamento viene utilizzato il vapore, l'impianto viene denominato centrale di cogenerazione. Inoltre, in Russia viene solitamente utilizzata l'abbreviazione TET (centrale termica ed elettrica). Ma nelle centrali termoelettriche, di regola, non sono le turbine a gas a funzionare, ma le normali turbine a vapore. E il vapore utilizzato viene utilizzato per il riscaldamento, quindi le centrali elettriche di cogenerazione e di cogenerazione non sono sinonimi. Nella fig. 7 è uno schema semplificato di un impianto di cogenerazione, che mostra due motori termici installati in serie. Il motore superiore è una turbina a gas. Trasferisce energia al motore inferiore: la turbina a vapore. La turbina a vapore trasferisce quindi il calore al condensatore.

Figura 7. Schema di una centrale elettrica a ciclo combinato.

Il rendimento del ciclo combinato \(\nu_(cc) \) può essere rappresentato da un'espressione abbastanza semplice: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) In altre parole, questo è la somma dell'efficienza di ciascuna fase meno il loro lavoro. Questa equazione mostra perché la cogenerazione è così efficace. Supponendo \(\nu_B = 40%\), questo è un limite superiore ragionevole per l'efficienza di una turbina a gas a ciclo Brayton. Una stima ragionevole dell'efficienza di una turbina a vapore funzionante secondo il ciclo Rankine nella seconda fase di cogenerazione è \(\nu_R = 30%\). Sostituendo questi valori nell'equazione otteniamo: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58\). Cioè, l'efficienza di tale sistema sarà del 58%.

Questa è la stima superiore dell'efficienza di una centrale elettrica di cogenerazione. L’efficienza pratica sarà inferiore a causa dell’inevitabile perdita di energia tra le fasi. Praticamente negli impianti di cogenerazione energetica messi in esercizio l'anno scorso, è stata raggiunta un'efficienza del 52-58%.

Componenti di turbine a gas

Il modo migliore per scomporre il funzionamento di una turbina a gas è dividerla in tre sottosistemi: il compressore, la camera di combustione e la turbina, come mostrato in Fig. 1. Successivamente esamineremo brevemente ciascuno di questi sottosistemi.

Compressori e turbine

Il compressore è collegato alla turbina tramite un albero comune in modo che la turbina possa ruotare il compressore. Una turbina a gas monoalbero ha un unico albero che collega la turbina e il compressore. Una turbina a gas bialbero (Fig. 6b e 6c) ha due alberi conici. Quello più lungo è collegato al compressore a bassa pressione e alla turbina a bassa pressione. Ruota all'interno di un albero cavo più corto che collega il compressore ad alta pressione alla turbina ad alta pressione. L'albero che collega la turbina e il compressore ad alta pressione ruota più velocemente dell'albero della turbina e del compressore a bassa pressione. Una turbina a gas a tre alberi ha un terzo albero che collega la turbina e il compressore a media pressione.

Le turbine a gas possono essere centrifughe o assiali o di tipo combinato. Il compressore centrifugo, nel quale l'aria compressa viene scaricata lungo il perimetro esterno della macchina, è affidabile, solitamente costa meno, ma è limitato ad un rapporto di compressione di 6-7 a 1. Erano molto utilizzati in passato e sono tuttora utilizzati oggi nelle piccole turbine a gas.

Nei compressori assiali più efficienti e produttivi, l'aria compressa esce lungo l'asse del meccanismo. Questo è il tipo più comune di compressore del gas (vedi Fig. 2 e 3). I compressori centrifughi sono costituiti da un gran numero di sezioni identiche. Ciascuna sezione contiene una ruota rotante con pale di turbina e una ruota con pale fisse (statori). Le sezioni sono disposte in modo tale che l'aria compressa attraversi in sequenza ciascuna sezione, cedendo a ciascuna di esse parte della sua energia.

Le turbine hanno un design più semplice rispetto a un compressore, poiché è più difficile comprimere un flusso di gas che farlo espandere nuovamente. Turbine assiali simili a quelle mostrate in Fig. 2 e 3 hanno meno sezioni di un compressore centrifugo. Esistono piccole turbine a gas che utilizzano turbine centrifughe (con ingresso del gas radiale), ma le turbine assiali sono le più comuni.

La progettazione e la produzione delle turbine sono complesse a causa della necessità di prolungare la vita dei componenti nel flusso di gas caldo. Il problema dell'affidabilità della progettazione è più critico nel primo stadio della turbina, dove le temperature sono più elevate. Materiali speciali e un sofisticato sistema di raffreddamento vengono utilizzati per garantire che le pale della turbina, che fondono ad una temperatura di 980-1040 gradi Celsius in un flusso di gas la cui temperatura raggiunge i 1650 gradi Celsius.

La camera di combustione

Una camera di combustione di successo deve soddisfare molti requisiti e realizzarla correttamente è stata una sfida sin dai tempi delle turbine Whittle e von Ohain. L'importanza relativa di ciascun requisito della camera di combustione dipende dall'applicazione della turbina e, ovviamente, alcuni requisiti sono in conflitto tra loro. I compromessi sono inevitabili quando si progetta una camera di combustione. La maggior parte dei requisiti di progettazione riguardano il costo, l'efficienza e la compatibilità ambientale del motore. Ecco un elenco dei requisiti fondamentali per la camera di combustione:

1. Elevata efficienza di combustione del carburante in tutte le condizioni operative.
2. Bassi livelli di carburante incombusto e monossido di carbonio (monossido di carbonio), basse emissioni di ossidi di azoto con carichi pesanti e nessuna emissione di fumo visibile (riduce al minimo l'inquinamento ambientale).
3. Bassa caduta di pressione quando il gas attraversa la camera di combustione. Una perdita di pressione del 3-4% è una tipica caduta di pressione.
4. La combustione deve essere stabile in tutte le modalità operative.
5. La combustione deve essere stabile a temperature molto basse e bassa pressione in alta quota (per i motori degli aerei).
6. La combustione deve essere regolare, senza pulsazioni o interruzioni.
7. La temperatura deve essere stabile.
8. Lunga durata (migliaia di ore), soprattutto per turbine industriali.
9. Possibilità di utilizzo tipi diversi carburante. Le turbine terrestri utilizzano tipicamente gas naturale o carburante diesel. Per turbine a cherosene aeronautiche.
10. La lunghezza e il diametro della camera di combustione devono corrispondere alla dimensione del gruppo motore.
11. Il costo totale di proprietà della camera di combustione dovrebbe essere mantenuto al minimo (questo include il costo iniziale, i costi operativi e di riparazione).
12. La camera di combustione per i motori aeronautici deve avere un peso minimo.

La camera di combustione è composta da almeno tre parti principali: un guscio, un tubo di fiamma e un sistema di iniezione del carburante. L'involucro deve resistere alla pressione di esercizio e può far parte della struttura della turbina a gas. Il guscio ricopre un tubo di fiamma a pareti relativamente sottili in cui avvengono la combustione e il sistema di iniezione del carburante.

Rispetto ad altri tipi di motori, come i motori diesel e quelli automobilistici a pistoni, le turbine a gas producono la minor quantità di inquinanti atmosferici per unità di potenza. Tra le emissioni delle turbine a gas, le maggiori preoccupazioni riguardano il carburante incombusto, il monossido di carbonio (monossido di carbonio), gli ossidi di azoto (NOx) e il fumo. Sebbene le turbine degli aerei contribuiscano per meno dell’1% alle emissioni inquinanti totali, le emissioni prodotte direttamente nella troposfera sono raddoppiate tra i 40 e i 60 gradi di latitudine nord, provocando un aumento delle concentrazioni di ozono del 20%. Nella stratosfera, dove volano gli aerei supersonici, le emissioni di NOx causano la distruzione dell’ozono. Entrambi gli effetti sono dannosi per l’ambiente, quindi la riduzione degli ossidi di azoto (NOx) nelle emissioni dei motori aeronautici è qualcosa che deve avvenire nel 21° secolo.

Si tratta di un articolo abbastanza breve che cerca di coprire tutti gli aspetti delle applicazioni delle turbine, dall'aviazione all'energia, e non si basa su formule. Per familiarizzare meglio con l'argomento, posso consigliare il libro "Turbo a gas nel trasporto ferroviario" http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html. Se omettiamo i capitoli relativi alle specifiche dell'utilizzo delle turbine ferrovia– il libro è ancora molto chiaro, ma molto più dettagliato.

Una turbina è un motore in cui l'energia potenziale di un fluido comprimibile viene convertita in energia cinetica nell'apparato palare, e quest'ultima nelle giranti viene convertita in lavoro meccanico trasmesso ad un albero in rotazione continua.

In base alla progettazione, le turbine a vapore sono un motore termico costantemente in funzione. Durante il funzionamento, vapore acqueo surriscaldato o saturo, che entra nella parte di flusso e, a causa della sua espansione, costringe il rotore a ruotare. La rotazione avviene a seguito dell'azione del flusso di vapore sull'apparato a lame.

La turbina a vapore è parte di una struttura di turbina a vapore, progettata per generare energia. Esistono anche installazioni che, oltre all'elettricità, sono in grado di generare energia termica: il vapore che passa attraverso le lame del vapore viene fornito agli scaldacqua della rete. Questo tipo di turbina è chiamata turbina per riscaldamento industriale o teleriscaldamento. Nel primo caso, l'estrazione del vapore nella turbina è prevista per scopi industriali. Completa di generatore, la turbina a vapore è un'unità turbina.

Tipi di turbine a vapore

Le turbine si dividono, a seconda della direzione in cui si muove il vapore, in turbine radiali e assiali. Il flusso di vapore nelle turbine radiali è diretto perpendicolarmente all'asse. Le turbine a vapore possono essere a singola, doppia e tripla cassa. La turbina a vapore è dotata di una varietà di dispositivi tecnici, che impediscono l'ingresso dell'aria ambiente nell'alloggiamento. Si tratta di vari sigilli a cui vengono fornite piccole quantità di vapore acqueo.

Sulla parte anteriore dell'albero è posto un regolatore di sicurezza atto ad interrompere l'erogazione del vapore quando la velocità di rotazione della turbina aumenta.

Caratteristiche dei principali parametri dei valori nominali

· Potenza nominale della turbina- la potenza massima che la turbina deve sviluppare per lungo tempo ai terminali del generatore elettrico, a valori normali dei parametri principali o quando cambiano entro i limiti specificati dalle norme industriali e statali. Una turbina con estrazione controllata del vapore può sviluppare una potenza superiore al suo valore nominale se questa soddisfa le condizioni di robustezza delle sue parti.

· Potenza economica delle turbine- potenza alla quale la turbina funziona in modo più efficiente. A seconda dei parametri del vapore fresco e dello scopo della turbina, la potenza nominale può essere pari o superiore alla potenza economica del 10-25%.

· Temperatura nominale del riscaldamento rigenerativo dell'acqua di alimentazione- temperatura dell'acqua di alimentazione dietro l'ultimo riscaldatore lungo il flusso d'acqua.

· Temperatura nominale dell'acqua di raffreddamento- temperatura dell'acqua di raffreddamento all'ingresso del condensatore.

Turbina a gas(turbina francese dal latino turbo vortice, rotazione) è un motore termico continuo, nell'apparato a pale del quale l'energia del gas compresso e riscaldato viene convertita in lavoro meccanico sull'albero. È costituito da un rotore (pale di lavoro montate su dischi) e uno statore (palette guida fissate nell'alloggiamento).

Il gas, che ha una temperatura e una pressione elevate, entra attraverso l'ugello della turbina nell'area di bassa pressione dietro l'ugello, espandendosi e accelerando contemporaneamente. Successivamente, il flusso di gas colpisce le pale della turbina, cedendo loro parte della sua energia cinetica e trasmettendo coppia alle pale. Le pale del rotore trasmettono la coppia all'albero attraverso i dischi della turbina. Proprietà utili di una turbina a gas: una turbina a gas, ad esempio, fa ruotare un generatore situato sullo stesso albero, che rappresenta il lavoro utile della turbina a gas.

Le turbine a gas sono utilizzate come parte di motori a turbina a gas (utilizzati per il trasporto) e unità di turbina a gas (utilizzate nelle centrali termoelettriche come parte di unità di turbina a gas stazionarie, unità di turbina a gas a ciclo combinato). Le turbine a gas sono descritte dal ciclo termodinamico Brayton, che prevede la compressione adiabatica dell'aria, la combustione a pressione costante e quindi l'espansione adiabatica fino alla pressione iniziale.

Tipi di turbine a gas

- Motori aeronautici e a reazione

- Ausiliario presa della corrente

- Turbine a gas industriali per la produzione di energia elettrica

- Motori turboalbero

- Turbine a gas radiali

- Microturbine

Dal punto di vista meccanico, le turbine a gas possono essere significativamente più semplici dei motori a combustione interna a pistoni. Le turbine semplici possono avere una parte mobile: il gruppo albero/compressore/turbina/rotore alternativo (vedi immagine sopra), escluso il sistema di alimentazione.

Le turbine più complesse (quelle utilizzate nei moderni motori a reazione) possono avere più alberi (bobine), centinaia di pale di turbina, pale di statore mobili e un vasto sistema di tubazioni complesse, camere di combustione e scambiatori di calore.

In generale, più piccolo è il motore, maggiore è la velocità dell'albero/i richiesta per mantenere la massima velocità lineare delle pale. La velocità massima delle pale della turbina determina la pressione massima che può essere raggiunta, con conseguente massima potenza, indipendentemente dalla cilindrata del motore. Il motore a reazione ruota a circa 10.000 giri al minuto e la microturbina a circa 100.000 giri al minuto.

L'articolo descrive come viene calcolata l'efficienza della turbina a gas più semplice e fornisce tabelle di diverse turbine a gas e turbine a gas a ciclo combinato per confrontare la loro efficienza e altre caratteristiche.

Nel campo dell’uso industriale delle turbine a gas e delle tecnologie del ciclo combinato, la Russia è significativamente indietro rispetto ai paesi avanzati del mondo.

Leader mondiali nella produzione di centrali elettriche a gas e a ciclo combinato di elevata potenza: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - hanno raggiunto valori di potenza unitaria di gruppi turbogas pari a 280-320 MW ed un'efficienza superiore al 40%, con un utilizzo sovrastruttura a vapore nel ciclo combinato (detto anche binario) - potenza di 430-480 MW con efficienza fino al 60%. Se hai domande sull'affidabilità delle unità CCGT, leggi l'articolo.

Queste cifre impressionanti servono da linee guida per determinare i percorsi di sviluppo dell’industria energetica russa.

Come viene determinata l'efficienza di una turbina a gas?

Ecco un paio di semplici formule per mostrare qual è l’efficienza di un impianto a turbina a gas:

Potenza interna della turbina:

• Nт = Gух * Lт, dove Lт – funzionamento della turbina, Gух – portata dei gas di scarico;

Potenza interna della turbina a gas:

• Ni gtu = Nt – Nk, dove Nk è la potenza interna del compressore d'aria;

Potenza effettiva della turbina a gas:

• Neeff = Ni gtu * efficienza mech, efficienza mech - efficienza associata alle perdite meccaniche nei cuscinetti, può essere presa 0,99

Energia elettrica:

• Nel = Ne * Efficienza Eg, dove l'efficienza Eg è l'efficienza associata alle perdite nel generatore elettrico, possiamo prendere 0,985

Calore del carburante disponibile:

• Q run = Gtop * Qrn, dove Gtop è il consumo di carburante, Qrn è il calore di esercizio inferiore della combustione del carburante

Rendimento elettrico assoluto di una turbina a gas:

• Efficienza = Nel/Q disp

L'efficienza CCGT è superiore all'efficienza GTU poiché l'impianto vapore-gas sfrutta il calore dei gas di scarico del gruppo turbina a gas. Dietro la turbina a gas è installata una caldaia per il calore di recupero in cui il calore dei gas di scarico della turbina a gas viene trasferito al fluido di lavoro (acqua di alimentazione), il vapore generato viene inviato alla turbina a vapore per generare elettricità e calore.

Leggi anche: Come scegliere un gruppo turbogas per una stazione con gruppo CCGT

L'efficienza di un'unità CCGT è solitamente rappresentata dal rapporto:

• Efficienza dell'alimentatore = efficienza GTU*B+(efficienza 1-GTU*B)*efficienza dell'alimentatore

B – grado di binarità del ciclo

Efficienza dell'alimentatore - efficienza della centrale elettrica a vapore

• B = Qks/(Qks+Qku)

Qкс – calore del combustibile bruciato nella camera di combustione di una turbina a gas

Qку – calore del combustibile aggiuntivo bruciato nella caldaia a recupero di calore

Si noti che se Qky = 0, allora B = 1, ovvero l'installazione è completamente binaria.

Influenza del grado di binarità sull'efficienza delle unità CCGT

Presentiamo in sequenza le tabelle con le caratteristiche di efficienza del gruppo turbogas e, dopo di esse, le prestazioni dei gruppi turbogas a ciclo combinato con queste macchine a gas, e confrontiamo l'efficienza di un gruppo turbogas individuale e l'efficienza del ciclo combinato unità turbina a gas.

Caratteristiche delle moderne e potenti turbine a gas

Turbine a gas ABB

Impianti a ciclo combinato con turbine a gas ABB

Turbine a gas GE

Leggi anche: Perché costruire centrali termoelettriche a ciclo combinato? Quali sono i vantaggi degli impianti a gas a ciclo combinato.

Impianti a ciclo combinato con turbine a gas GE

Turbine a gas della Siemens

Impianti a ciclo combinato con turbine a gas Siemens

Turbine a gas Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

Una turbina termica continua in cui l'energia termica del gas compresso e riscaldato (solitamente prodotti della combustione) viene convertita in lavoro rotatorio meccanico su un albero; è un elemento strutturale di un motore a turbina a gas.

Il riscaldamento del gas compresso avviene solitamente nella camera di combustione. È anche possibile effettuare il riscaldamento in un reattore nucleare, ecc. Le turbine a gas apparvero per la prima volta alla fine del XIX secolo. come motore a turbina a gas e nella progettazione erano vicini a una turbina a vapore. Una turbina a gas è strutturalmente una serie di corone di pale fisse dell'apparato ugello e di corone rotanti della girante, disposte in modo ordinato, che di conseguenza formano la parte di flusso. Lo stadio turbina è un apparato ad ugelli combinato con una girante. Lo stadio è costituito da uno statore, che comprende parti fisse (alloggiamento, pale dell'ugello, anelli di benda) e un rotore, che è un insieme di parti rotanti (come pale rotanti, dischi, albero).

La classificazione delle turbine a gas viene effettuata secondo molti caratteristiche del progetto: in base alla direzione del flusso di gas, al numero di stadi, al metodo di utilizzo della differenza di calore e al metodo di fornitura del gas alla girante. In base alla direzione del flusso del gas, le turbine a gas si distinguono in assiali (le più comuni) e radiali, nonché diagonali e tangenziali. Nelle turbine a gas assiali il flusso nella sezione meridionale viene trasportato prevalentemente lungo tutto l'asse della turbina; nelle turbine radiali, invece, è perpendicolare all'asse. Le turbine radiali si dividono in centripete e centrifughe. In una turbina diagonale, il gas fluisce con un certo angolo rispetto all'asse di rotazione della turbina. La girante di una turbina tangenziale non ha pale; tali turbine vengono utilizzate per flussi di gas molto bassi, solitamente negli strumenti di misura. Le turbine a gas sono disponibili nei tipi a singolo, doppio e multistadio.

Il numero di stadi è determinato da molti fattori: lo scopo della turbina, la sua struttura, la potenza totale sviluppata da uno stadio, nonché la caduta di pressione che si innesca. Secondo il metodo di sfruttamento della differenza di calore disponibile, si distingue tra turbine a stadi di velocità, in cui nella girante gira solo il flusso, senza variazione di pressione (turbine attive), e turbine con stadi di pressione, in cui la pressione diminuisce sia nell'apparato ugelli che sulle pale del rotore (turbine a getto). Nelle turbine a gas parziali, il gas viene alimentato alla girante lungo parte della circonferenza dell'apparecchio ad ugelli o lungo la sua intera circonferenza.

In una turbina multistadio, il processo di conversione dell'energia consiste in una serie di processi sequenziali nelle singole fasi. Il gas compresso e riscaldato viene fornito ai canali interlame dell'apparecchio ad ugelli ad una velocità iniziale, dove, durante il processo di espansione, parte della differenza di calore disponibile viene convertita nell'energia cinetica del getto in uscita. L'ulteriore espansione del gas e la conversione del trasferimento di calore in lavoro utile avvengono nei canali tra le pale della girante. Il flusso di gas, agendo sulle pale del rotore, crea una coppia sull'albero principale della turbina. In questo caso, la velocità assoluta del gas diminuisce. Minore è questa velocità, maggiore è l'energia del gas convertita in lavoro meccanico sull'albero della turbina.

L'efficienza caratterizza l'efficienza delle turbine a gas, che è il rapporto tra il lavoro rimosso dall'albero e l'energia del gas disponibile davanti alla turbina. L'efficienza effettiva delle moderne turbine multistadio è piuttosto elevata e raggiunge il 92-94%.

Il principio di funzionamento di una turbina a gas è il seguente: il gas viene pompato nella camera di combustione da un compressore, miscelato con aria, forma una miscela di carburante e viene acceso. I prodotti della combustione risultanti ad alta temperatura (900-1200 ° C) passano attraverso diverse file di pale montate sull'albero della turbina e provocano la rotazione della turbina. L'energia meccanica risultante dell'albero viene trasmessa attraverso un riduttore a un generatore che genera elettricità.

Energia termica I gas in uscita dalla turbina entrano nello scambiatore di calore. Inoltre, invece di produrre elettricità, l'energia meccanica della turbina può essere utilizzata per azionare varie pompe, compressori, ecc. Il combustibile più comunemente utilizzato per le turbine a gas è il gas naturale, anche se ciò non esclude la possibilità di utilizzare altri combustibili gassosi. Ma allo stesso tempo, le turbine a gas sono molto capricciose e impongono maggiori requisiti alla qualità della sua preparazione (sono necessarie alcune inclusioni meccaniche e umidità).

La temperatura dei gas uscenti dalla turbina è di 450-550 °C. Il rapporto quantitativo tra energia termica ed energia elettrica per le turbine a gas varia da 1,5: 1 a 2,5: 1, il che consente di costruire sistemi di cogenerazione che differiscono per il tipo di refrigerante:

1) uso diretto (diretto) di gas di scarico caldi;
2) produzione di vapore a bassa o media pressione (8-18 kg/cm2) in caldaia esterna;
3) produzione di acqua calda (meglio quando la temperatura richiesta supera i 140 °C);
4) produzione di vapore ad alta pressione.

Gli scienziati sovietici B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov e altri hanno dato un grande contributo allo sviluppo delle turbine a gas. La creazione di turbine a gas per unità di turbine a gas fisse e mobili è stata realizzata da società straniere ( Swiss Brown-Boveri, dove lavorò il famoso scienziato slovacco A. Stodola, e Sulzer, l'americana General Electric, ecc.).

IN ulteriori sviluppi turbine a gas dipende dalla possibilità di aumentare la temperatura del gas davanti alla turbina. Ciò è dovuto alla creazione di nuovi materiali resistenti al calore e sistemi di raffreddamento affidabili per la lavorazione delle lame con miglioramenti significativi nella parte di flusso, ecc.

Grazie alla diffusa transizione degli anni ’90. Le turbine a gas hanno occupato un segmento di mercato significativo per l’utilizzo del gas naturale come combustibile principale per la produzione di energia elettrica. Nonostante il fatto che la massima efficienza delle apparecchiature venga raggiunta con potenze di 5 MW e superiori (fino a 300 MW), alcuni produttori producono modelli nell'intervallo 1-5 MW.

Le turbine a gas sono utilizzate nell'aviazione e nelle centrali elettriche.

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