Instalaciones de turbinas de gas de energía. Ciclos de plantas de turbinas de gas

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

Las unidades de turbina de gas (GTP) son un único complejo de potencia relativamente compacto, en el que una turbina de potencia y un generador trabajan en parejas. El sistema se ha generalizado en la llamada industria eléctrica a pequeña escala. Excelente para el suministro de energía y calor de grandes empresas, asentamientos remotos y otros consumidores. Por regla general, las turbinas de gas funcionan con combustible líquido o gas.

Al borde del progreso

En el aumento de la capacidad energética de las centrales eléctricas, el papel principal se transfiere a las unidades de turbinas de gas y su posterior evolución: las centrales de ciclo combinado (CCGT). Así, en las centrales eléctricas de EE. UU. desde principios de la década de 1990, más del 60 % de las capacidades puestas en servicio y modernizadas ya han sido turbinas de gas y centrales de ciclo combinado, y en algunos países en algunos años su participación alcanzó el 90 %.

Las turbinas de gas simples también se construyen en grandes cantidades. La planta de turbinas de gas, móvil, económica de operar y fácil de reparar, demostró ser la solución óptima para cubrir los picos de carga. En el cambio de siglo (1999-2000), la capacidad totalunidades de turbinas de gas alcanzaron los 120.000 MW. A modo de comparación: en la década de 1980, la capacidad total de los sistemas de este tipo era de 8.000-10.000 MW. Una parte importante de las turbinas de gas (más del 60%) estaban destinadas a operar como parte de grandes centrales de ciclo combinado binario con una potencia media de unos 350 MW.

Antecedentes históricos

Los fundamentos teóricos para el uso de tecnologías de ciclo combinado fueron estudiados con suficiente detalle en nuestro país a principios de los años 60. Ya en ese momento, quedó claro que el camino general para el desarrollo de la ingeniería de energía térmica está conectado precisamente con las tecnologías de ciclo combinado. Sin embargo, su implementación exitosa requería unidades de turbinas de gas confiables y altamente eficientes.

Fue el progreso significativo en la construcción de turbinas de gas lo que determinó el s alto cualitativo moderno en la ingeniería de energía térmica. Varias empresas extranjeras resolvieron con éxito el problema de crear turbinas de gas estacionarias eficientes en un momento en que las principales organizaciones nacionales líderes en una economía dirigida promovían las tecnologías de turbinas de vapor (STP) menos prometedoras.

Si en los años 60 la eficiencia de las instalaciones de turbinas de gas estaba en el nivel de 24-32%, a finales de los 80 las mejores instalaciones de turbinas de gas de energía estacionaria ya tenían una eficiencia (con uso autónomo) de 36-37 % Esto hizo posible crear CCGT sobre su base, cuya eficiencia alcanzó el 50%. A principios del nuevo siglo, esta cifra equivalía al 40%, y en combinación con las centrales de ciclo combinado de gas, llegaba incluso al 60%.

Comparación de turbina de vapory centrales de ciclo combinado

En centrales de ciclo combinado basadas en turbinas de gas, la perspectiva inmediata y real era obtener una eficiencia del 65% o más. Al mismo tiempo, para las plantas de turbinas de vapor (desarrolladas en la URSS), solo si se pueden resolver con éxito una serie de problemas científicos complejos relacionados con la generación y el uso de vapor supercrítico, se puede esperar una eficiencia de no más de 46- 49%. Por lo tanto, en términos de eficiencia, los sistemas de turbinas de vapor son irremediablemente inferiores a los sistemas de ciclo combinado.

Significativamente inferior a las centrales eléctricas de turbina de vapor también en términos de costo y tiempo de construcción. En 2005, en el mercado energético mundial, el precio de 1 kW para una unidad CCGT con una capacidad de 200 MW o más era de $500-600/kW. Para CCGT de capacidades más pequeñas, el costo estaba en el rango de $600-900/kW. Potentes plantas de turbinas de gas corresponden a valores de 200-250 $/kW. Con una disminución en la potencia de la unidad, su precio aumenta, pero generalmente no supera los $ 500 / kW. Estos valores son varias veces menores que el costo de un kilovatio de electricidad en sistemas de turbinas de vapor. Por ejemplo, el precio de un kilovatio instalado en una central eléctrica de turbina de vapor de condensación oscila entre 2000 y 3000 $/kW.

Esquema de una planta de turbina de gas

La instalación consta de tres unidades básicas: una turbina de gas, una cámara de combustión y un compresor de aire. Además, todas las unidades están alojadas en un único edificio prefabricado. Los rotores del compresor y de la turbina están rígidamente conectados entre sí, sostenidos por cojinetes.

Las cámaras de combustión (por ejemplo, 14 piezas) se colocan alrededor del compresor, cada una en su propia carcasa separada. para la admisión aEl compresor de aire sirve como tubo de entrada, el aire sale de la turbina de gas a través del tubo de escape. El cuerpo de la turbina de gas se basa en poderosos soportes colocados simétricamente en un solo marco.

Principio de funcionamiento

La mayoría de las turbinas de gas utilizan el principio de combustión continua o ciclo abierto:

• Primero, el fluido de trabajo (aire) es bombeado a presión atmosférica por el compresor apropiado.
• Además, el aire se comprime a una presión más alta y se envía a la cámara de combustión.
• Se alimenta con combustible, que se quema a una presión constante, proporcionando un suministro constante de calor. Debido a la combustión del combustible, la temperatura del fluido de trabajo aumenta.
• A continuación, el fluido de trabajo (ahora ya es un gas, que es una mezcla de aire y productos de la combustión) entra en la turbina de gas, donde, expandiéndose hasta la presión atmosférica, realiza un trabajo útil (hace girar la turbina que genera electricidad).
• Después de la turbina, los gases se descargan a la atmósfera, por lo que se cierra el ciclo de trabajo.
• La diferencia entre el funcionamiento de la turbina y el compresor se percibe por un generador eléctrico ubicado en un eje común con la turbina y el compresor.

Plantas de combustión intermitente

A diferencia del diseño anterior, la combustión intermitente utiliza dos válvulas en lugar de una.

• El compresor fuerza la entrada de aire en la cámara de combustión a través de la primera válvula mientras la segunda válvula está cerrada.
• Cuando aumenta la presión en la cámara de combustión, la primera válvula se cierra. Como resultado, el volumen de la cámara está cerrado.
• Cuando las válvulas están cerradas, el combustible se quema en la cámara, naturalmente, su combustión se produce a un volumen constante. Como resultado, la presión del fluido de trabajo aumenta aún más.
• A continuación, se abre la segunda válvula y el fluido de trabajo entra en la turbina de gas. En este caso, la presión frente a la turbina disminuirá gradualmente. Cuando se acerque a la atmosférica, se debe cerrar la segunda válvula y abrir la primera y repetir la secuencia de acciones.

Ciclos de turbinas de gas

En cuanto a la implementación práctica de uno u otro ciclo termodinámico, los diseñadores deben enfrentar muchos obstáculos técnicos insuperables. El ejemplo más característico: cuando la humedad del vapor es superior al 8-12%, las pérdidas en la trayectoria del flujo de la turbina de vapor aumentan considerablemente, aumentan las cargas dinámicas y se produce erosión. En última instancia, esto conduce a la destrucción de la ruta de flujo de la turbina.

Como resultado de estas restricciones en el sector de la energía (para conseguir un trabajo), hasta ahora solo se utilizan ampliamente dos ciclos termodinámicos básicos: el ciclo de Rankine y el ciclo de Brayton. La mayoría de las centrales eléctricas se basan en una combinación de elementos de estos ciclos.

El ciclo Rankine se usa para fluidos de trabajo que hacen una transición de fase durante la implementación del ciclo; las centrales eléctricas de vapor operan de acuerdo con este ciclo. Para fluidos de trabajo que no pueden condensarse en condiciones reales y que llamamos gases, se utiliza el ciclo Brayton. A través de este ciclolas plantas de turbinas de gas y los motores de combustión interna están en funcionamiento.

Combustible utilizado

La gran mayoría de las turbinas de gas están diseñadas para funcionar con gas natural. A veces, los combustibles líquidos se usan en sistemas de baja potencia (con menos frecuencia, media, muy raramente, alta potencia). Una nueva tendencia es la transición de los sistemas compactos de turbinas de gas al uso de materiales combustibles sólidos (carbón, menos a menudo turba y madera). Estas tendencias se deben al hecho de que el gas es una materia prima tecnológica valiosa para la industria química, donde su uso suele ser más rentable que en el sector energético. La producción de plantas de turbinas de gas capaces de operar eficientemente con combustible sólido está cobrando impulso activamente.

Diferencia entre ICE y GTU

La diferencia fundamental entre los motores de combustión interna y los complejos de turbinas de gas es la siguiente. En un motor de combustión interna, los procesos de compresión de aire, combustión de combustible y expansión de los productos de combustión ocurren dentro de un elemento estructural, llamado cilindro del motor. En las turbinas de gas, estos procesos se separan en unidades estructurales separadas:

• la compresión se realiza en el compresor;
• combustión de combustible, respectivamente, en una cámara especial;
• la expansión de los productos de la combustión se lleva a cabo en una turbina de gas.

Como resultado, estructuralmente, las turbinas de gas y los motores de combustión interna tienen poca similitud, aunque operan de acuerdo con ciclos termodinámicos similares.

Conclusión

Con el desarrollo de la generación de energía a pequeña escala, aumentando su eficiencia, los sistemas GTP y STP ocupan una parte cada vez mayor en el totalsistema energético del mundo. En consecuencia, la prometedora profesión de operador de una planta de turbinas de gas tiene cada vez más demanda. Siguiendo a los socios occidentales, varios fabricantes rusos han dominado la producción de unidades de turbinas de gas rentables. Severo-Zapadnaya CHPP en San Petersburgo se convirtió en la primera central eléctrica de ciclo combinado de una nueva generación en Rusia.