Instalações de turbinas a gás de energia. Ciclos de usinas de turbina a gás

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

Unidades de turbina a gás (GTP) são um complexo de energia único e relativamente compacto, no qual uma turbina de energia e um gerador trabalham em pares. O sistema tornou-se difundido na chamada indústria de energia de pequena escala. Ótimo para fornecimento de energia e calor de grandes empresas, assentamentos remotos e outros consumidores. Como regra, as turbinas a gás operam com combustível líquido ou gás.

No limite do progresso

Ao aumentar a capacidade energética das usinas, o papel principal é transferido para as unidades de turbinas a gás e sua evolução posterior - usinas de ciclo combinado (CCGT). Assim, nas usinas norte-americanas desde o início da década de 1990, mais de 60% das capacidades comissionadas e modernizadas já eram turbinas a gás e usinas de ciclo combinado, e em alguns países em alguns anos sua participação chegou a 90%.

Turbinas a gás simples também são construídas em grande número. A usina de turbina a gás - móvel, econômica de operar e fácil de reparar - provou ser a solução ideal para cobrir cargas de pico. Na virada do século (1999-2000), a capacidade tot alturbinas a gás atingiram 120.000 MW. Para comparação: na década de 1980, a capacidade total de sistemas desse tipo era de 8.000 a 10.000 MW. Uma parte significativa das turbinas a gás (mais de 60%) foi projetada para operar como parte de grandes usinas de ciclo combinado binário com potência média de cerca de 350 MW.

Histórico

Fundamentos teóricos para o uso de tecnologias de ciclo combinado foram estudados com bastante detalhe em nosso país no início dos anos 60. Já naquela época, ficou claro que o caminho geral para o desenvolvimento da engenharia de energia térmica está conectado precisamente às tecnologias de ciclo combinado. No entanto, sua implementação bem-sucedida exigiu unidades de turbina a gás confiáveis e altamente eficientes.

Foi o progresso significativo na construção de turbinas a gás que determinou o s alto qualitativo moderno na engenharia de energia térmica. Várias empresas estrangeiras resolveram com sucesso o problema de criar turbinas a gás estacionárias eficientes em um momento em que as principais organizações domésticas líderes em uma economia de comando estavam promovendo as tecnologias de turbina a vapor menos promissoras (STP).

Se nos anos 60 a eficiência das instalações de turbinas a gás estava no nível de 24-32%, então no final dos anos 80 as melhores instalações de turbinas a gás de potência estacionária já tinham uma eficiência (com uso autônomo) de 36-37 %. Isso possibilitou a criação de CCGTs com base neles, cuja eficiência chegou a 50%. No início do novo século, esse número era igual a 40% e, em combinação com usinas de ciclo de gás de ciclo combinado, chegava a 60%.

Comparação de turbina a vapore usinas de ciclo combinado

Em usinas de ciclo combinado baseadas em turbinas a gás, a perspectiva imediata e real era obter uma eficiência de 65% ou mais. Ao mesmo tempo, para usinas de turbina a vapor (desenvolvidas na URSS), somente se vários problemas científicos complexos relacionados à geração e uso de vapor supercrítico puderem ser resolvidos com sucesso, pode-se esperar uma eficiência não superior a 46- 49%. Assim, em termos de eficiência, os sistemas de turbina a vapor são irremediavelmente inferiores aos sistemas de ciclo combinado.

Significativamente inferior às usinas de turbina a vapor também em termos de custo e tempo de construção. Em 2005, no mercado mundial de energia, o preço de 1 kW para uma unidade CCGT com capacidade de 200 MW ou mais era de US$ 500-600/kW. Para CCGTs de capacidades menores, o custo estava na faixa de US$ 600-900/kW. Potentes usinas de turbinas a gás correspondem a valores de 200-250 $/kW. Com uma diminuição na potência unitária, seu preço aumenta, mas geralmente não ultrapassa US $ 500 / kW. Esses valores são várias vezes menores que o custo de um quilowatt de eletricidade em sistemas de turbina a vapor. Por exemplo, o preço de um quilowatt instalado em usinas de turbina a vapor de condensação varia de 2.000 a 3.000 $/kW.

Esquema de uma usina de turbina a gás

A instalação inclui três unidades básicas: uma turbina a gás, uma câmara de combustão e um compressor de ar. Além disso, todas as unidades estão alojadas em um único edifício pré-fabricado. Os rotores do compressor e da turbina são rigidamente conectados entre si, apoiados por mancais.

Câmaras de combustão (por exemplo, 14 peças) são colocadas ao redor do compressor, cada uma em seu próprio alojamento separado. Para admissão aO compressor de ar serve como um tubo de entrada, o ar sai da turbina a gás através do tubo de escape. O corpo da turbina a gás é baseado em poderosos suportes colocados simetricamente em uma única estrutura.

Princípio de funcionamento

A maioria das turbinas a gás usa o princípio da combustão contínua, ou ciclo aberto:

• Primeiro, o fluido de trabalho (ar) é bombeado à pressão atmosférica pelo compressor apropriado.
• Além disso, o ar é comprimido a uma pressão mais alta e enviado para a câmara de combustão.
• É abastecido com combustível, que queima a uma pressão constante, proporcionando um fornecimento constante de calor. Devido à combustão do combustível, a temperatura do fluido de trabalho aumenta.
• A seguir, o fluido de trabalho (agora já é um gás, que é uma mistura de ar e produtos da combustão) entra na turbina a gás, onde, expandindo-se até a pressão atmosférica, realiza trabalho útil (gira a turbina que gera eletricidade).
• Após a turbina, os gases são lançados na atmosfera, através do qual se encerra o ciclo de trabalho.
• A diferença entre o funcionamento da turbina e do compressor é percebida por um gerador elétrico localizado em um eixo comum com a turbina e o compressor.

Estações de combustão intermitente

Ao contrário do projeto anterior, a combustão intermitente usa duas válvulas em vez de uma.

• O compressor força o ar para dentro da câmara de combustão através da primeira válvula enquanto a segunda válvula está fechada.
• Quando a pressão na câmara de combustão aumenta, a primeira válvula é fechada. Como resultado, o volume da câmara é fechado.
• Quando as válvulas são fechadas, o combustível é queimado na câmara, naturalmente, sua combustão ocorre em volume constante. Como resultado, a pressão do fluido de trabalho aumenta ainda mais.
• Em seguida, a segunda válvula é aberta e o fluido de trabalho entra na turbina a gás. Nesse caso, a pressão na frente da turbina diminuirá gradualmente. Quando se aproximar da atmosfera, a segunda válvula deve ser fechada, e a primeira deve ser aberta e repetir a sequência de ações.

Ciclos de turbina a gás

Voltando à implementação prática de um ou outro ciclo termodinâmico, os projetistas têm que enfrentar muitos obstáculos técnicos intransponíveis. O exemplo mais característico: quando a umidade do vapor é superior a 8-12%, as perdas no caminho do fluxo da turbina a vapor aumentam acentuadamente, as cargas dinâmicas aumentam e ocorre a erosão. Isso acaba levando à destruição do caminho de fluxo da turbina.

Como resultado dessas restrições no setor de energia (para conseguir um emprego), apenas dois ciclos termodinâmicos básicos são amplamente utilizados até o momento: o ciclo Rankine e o ciclo Brayton. A maioria das usinas de energia é baseada em uma combinação de elementos desses ciclos.

O ciclo Rankine é usado para fluidos de trabalho que fazem uma transição de fase durante a implementação do ciclo; as usinas a vapor operam de acordo com este ciclo. Para fluidos de trabalho que não podem ser condensados em condições reais e que chamamos de gases, o ciclo Brayton é usado. Através deste ciclousinas de turbinas a gás e motores de combustão interna estão operando.

Combustível usado

A grande maioria das turbinas a gás são projetadas para funcionar com gás natural. Às vezes, os combustíveis líquidos são usados em sistemas de baixa potência (com menos frequência - média, muito raramente - alta potência). Uma nova tendência é a transição de sistemas compactos de turbinas a gás para o uso de materiais combustíveis sólidos (carvão, menos frequentemente turfa e madeira). Estas tendências devem-se ao facto de o gás ser uma matéria-prima tecnológica valiosa para a indústria química, onde a sua utilização é muitas vezes mais rentável do que no sector energético. A produção de usinas de turbinas a gás capazes de operar eficientemente com combustível sólido está ganhando força ativamente.

Diferença entre ICE e GTU

A diferença fundamental entre motores de combustão interna e complexos de turbinas a gás é a seguinte. Em um motor de combustão interna, os processos de compressão do ar, combustão do combustível e expansão dos produtos da combustão ocorrem dentro de um elemento estrutural, denominado cilindro do motor. Nas turbinas a gás, esses processos são separados em unidades estruturais separadas:

• compressão é realizada no compressor;
• combustão do combustível, respectivamente, em câmara especial;
• expansão dos produtos de combustão é realizada em uma turbina a gás.

Como resultado, estruturalmente, turbinas a gás e motores de combustão interna têm pouca semelhança, embora funcionem de acordo com ciclos termodinâmicos semelhantes.

Conclusão

Com o desenvolvimento da geração de energia em pequena escala, aumentando sua eficiência, os sistemas GTP e STP ocupam uma participação cada vez maior no totalsistema energético do mundo. Assim, a profissão promissora de um operador de usina de turbina a gás é cada vez mais procurada. Seguindo parceiros ocidentais, vários fabricantes russos dominaram a produção de unidades de turbina a gás econômicas. A CHPP Severo-Zapadnaya em São Petersburgo tornou-se a primeira usina de energia de ciclo combinado de uma nova geração na Rússia.