Centrali a turbina a gas

Le unità a turbina a gas (GTU) sono motori termici in cui viene convertita l'energia termica del fluido di lavoro gassoso energia meccanica. I componenti principali sono: compressore, camera di combustione e turbina a gas. Per garantire il funzionamento e il controllo nell'installazione, esiste un complesso di sistemi ausiliari interconnessi. GTU in combinazione con un generatore elettrico è chiamato una turbina a gas. La potenza di un dispositivo va da venti kilowatt a decine di megawatt. Queste sono le classiche installazioni di turbine a gas. La produzione di energia in una centrale elettrica viene effettuata utilizzando una o più GTU.

Dispositivo e descrizione

Gli impianti di turbine a gas sono costituiti da due parti principali, situate nello stesso alloggiamento, un generatore di gas e una turbina di potenza. Nel generatore di gas, che comprende una camera di combustione e un turbocompressore, viene generata una corrente di gas ad alta temperatura che agisce sulle pale della turbina. Con l'aiuto di uno scambiatore di calore, i gas di scarico vengono smaltiti e il calore viene prodotto simultaneamente attraverso una caldaia di acqua calda o vapore. Il lavoro delle installazioni di turbine a gas prevede l'uso di due tipi di combustibile: gassoso e liquido.

In modalità normale, la turbina a gas funziona a gas. In modalità di emergenza o standby, quando viene interrotta l'alimentazione del gas, viene eseguita una transizione automatica al carburante liquido (diesel). Nella modalità ottimale, le installazioni di turbine a gas producono energia elettrica e termica combinata. In termini di quantità di energia termica generata, le GTU superano significativamente i dispositivi a pistone a gas. Le unità a turbina sono utilizzate nelle centrali elettriche sia per il funzionamento in modalità base che per la compensazione dei picchi di carico.

Storia della creazione

L'idea di utilizzare l'energia di una corrente di gas caldo è stata conosciuta fin dai tempi antichi. Il primo brevetto per il dispositivo, in cui gli stessi componenti di base sono stati presentati come nella moderna GTU, è stato rilasciato all'inglese John Barber nel 1791. L'impianto di turbogas comprendeva compressori (aria e gas), una camera di combustione e una turbina attiva, ma non ha mai ricevuto un'applicazione pratica.

Nel diciannovesimo e all'inizio del ventesimo secolo, molti scienziati e inventori di tutto il mondo hanno sviluppato un setup adatto all'uso pratico, ma tutti i tentativi non hanno avuto successo a causa del basso sviluppo della scienza e della tecnologia di quei tempi. La potenza netta fornita dai prototipi non ha superato il 14% con bassa affidabilità operativa e complessità strutturale.

Per la prima volta nel 1939 furono utilizzate centrali elettriche a turbina a gas in Svizzera. Una centrale elettrica con un turbogeneratore, realizzata nel più semplice schema con una capacità di 5000 kW, è stata messa in funzione. Negli anni '50, questo schema era raffinato e complicato, il che ha permesso di aumentare l'efficienza e la potenza fino a 25 MW. La produzione di impianti di turbine a gas nei paesi industrializzati è stata configurata in un unico livello e in una direzione di sviluppo in termini di capacità e parametri delle unità a turbina. La capacità totale delle turbine a gas prodotte nell'Unione Sovietica e in Russia è stimata in milioni di kW.

Il principio di funzionamento di GTU

L'aria atmosferica entra nel compressore, viene compressa e ad alta pressione attraverso il preriscaldatore d'aria e la valvola di distribuzione dell'aria viene inviata alla camera di combustione. Allo stesso tempo, il gas viene iniettato nella camera di combustione attraverso gli ugelli, che sono bruciati nel flusso d'aria. La combustione della miscela gas-aria forma una corrente di gas caldi, che ad alta velocità agisce sulle pale della turbina a gas, facendoli ruotare. L'energia termica della corrente di gas caldo viene convertita in energia meccanica di rotazione dell'albero della turbina, che aziona il compressore e il generatore elettrico. L'elettricità dai terminali del generatore attraverso il trasformatore viene inviata alla rete elettrica del consumatore.

Scorrono i gas caldi attraverso il rigeneratore caldaia ad acqua calda e quindi attraverso l'utilità in camino. La circolazione dell'acqua è organizzata tra la caldaia ad acqua calda e il punto di riscaldamento centrale (CHP) mediante pompe di rete. Il liquido riscaldato nella caldaia va al punto di riscaldamento centrale a cui sono collegati i consumatori. Il ciclo termodinamico di un impianto a turbina a gas consiste nella compressione adiabatica dell'aria in un compressore, nell'erogazione isobarica del calore nella camera di combustione, nell'espansione adiabatica del fluido di lavoro in una turbina a gas, nella rimozione isobarica del calore.

Gas naturale: il metano viene utilizzato come combustibile per le turbine a gas. In modalità di emergenza, in caso di spegnimento del gas, l'unità a turbina a gas viene trasferita a carico parziale e il combustibile diesel o i gas liquefatti (propano-butano) vengono utilizzati come combustibile di riserva. Possibili opzioni per l'installazione di turbine a gas: fornitura di elettricità o fornitura combinata di energia elettrica e termica.

cogenerazione

La produzione di energia elettrica con la generazione simultanea di energia termica associata è chiamata cogenerazione. Questa tecnologia può migliorare significativamente l'efficienza economica del consumo di carburante. A seconda delle esigenze, la turbina a gas può essere dotata anche di caldaie ad acqua o caldaie a vapore. Questo rende possibile ottenere acqua calda o vapore di diversa pressione.

Con l'uso ottimale di due tipi di energia, il massimo effetto economico cogenerazione e il tasso di utilizzo del carburante (KIT) raggiunge il 90%. In questo caso, il calore dei gas di scarico e l'energia termica proveniente dal sistema di raffreddamento delle unità, che ruotano i generatori elettrici (essenzialmente, energia di scarto), vengono utilizzati per lo scopo previsto. Se necessario, il calore riciclabile può essere utilizzato per la produzione di macchine a freddo in assorbimento (trigenerazione). Il sistema di cogenerazione è costituito da quattro parti principali: motore primario (turbina a gas), generatore elettrico, sistema di recupero del calore, sistema di controllo e monitoraggio.

gestione

Esistono due principali modalità di funzionamento in cui vengono utilizzati gli impianti a turbina a gas:

• Stazionario. In questa modalità, la turbina funziona con un carico nominale o parziale fisso. Fino a poco tempo fa, la modalità stazionaria era la principale per GTU. La turbina è stata chiusa diverse volte all'anno per riparazioni programmate o in caso di malfunzionamenti.
• La modalità variabile offre la possibilità di modificare la potenza della GTU. La necessità di cambiare la modalità di funzionamento della turbina può essere causata da una delle due ragioni: se la potenza assorbita dal generatore elettrico è cambiata a causa di un cambiamento nel carico del consumatore ad essa collegato e se la pressione atmosferica e la temperatura dell'aria aspirata dal compressore sono cambiate. Le modalità non stazionarie, e le più difficili, comprendono l'arresto e l'avviamento dell'unità a turbina a gas. In quest'ultimo caso, il conducente della turbina a gas deve eseguire numerose operazioni prima della prima spinta del rotore. Prima di iniziare completamente l'installazione, viene effettuata la promozione preliminare del rotore.

La modifica della modalità di funzionamento dell'impianto viene eseguita regolando l'alimentazione del combustibile alla camera di combustione. Il compito principale della gestione di una turbina a gas è fornire la potenza necessaria. Un'eccezione è rappresentata dalla centrale elettrica a turbina a gas, per la quale il compito di controllo principale è la costanza della frequenza di crescita associata alla turbina di un generatore elettrico.

Applicazioni energetiche

Nell'energetica stazionaria, le turbine a gas sono utilizzate per vari scopi. Come principali motori di azionamento dei generatori elettrici nelle centrali termoelettriche, gli impianti a turbina a gas sono utilizzati principalmente in aree con una quantità sufficiente di gas naturale. A causa della possibilità di avvio rapido, le GTU sono ampiamente utilizzate per coprire i picchi di carico nei sistemi di alimentazione durante i periodi di massimo consumo di energia. Le unità a turbina a gas ridondanti forniscono le esigenze interne delle centrali termiche durante lo spegnimento dell'apparecchiatura principale.

efficienza

In generale, l'efficienza elettrica delle turbine a gas è inferiore a quella di altre unità di potenza. Ma con la piena realizzazione del potenziale termico dell'unità a turbina a gas, il significato di questo indicatore diventa meno rilevante. Per le potenti installazioni di turbine a gas, esiste un approccio ingegneristico che prevede l'uso combinato di due tipi di turbine a causa dell'elevata temperatura dei gas di scarico.

L'energia termica generata viene utilizzata per produrre vapore per una turbina a vapore, che viene utilizzata in parallelo con una turbina a gas. Ciò aumenta l'efficienza elettrica fino al 59% e aumenta significativamente l'efficienza del carburante. Lo svantaggio di questo approccio è la complessità costruttiva e l'apprezzamento del progetto. Il rapporto tra energia elettrica e termica prodotta da un impianto di turbine a gas è di circa 1: 2, ovvero 20 megawatt di calore per 10 MW di elettricità.

Punti di forza e debolezza

I vantaggi delle turbine a gas includono:

• La semplicità del dispositivo. A causa della mancanza di una caldaia, di un complesso sistema di tubazioni e di una varietà di meccanismi ausiliari, il consumo di metalli per unità di potenza delle turbine a gas è molto inferiore.
• Il consumo minimo di acqua richiesto nella GTU solo per il raffreddamento dell'olio fornito ai cuscinetti.
• Messa in servizio rapida. Per le unità a turbina a gas, il tempo di avvio dallo stato freddo prima che il carico venga accettato non supera i 20 minuti. Per le centrali elettriche a vapore, l'avvio TPP richiede diverse ore.

svantaggi:

• Le unità a turbina a gas utilizzano gas con una temperatura iniziale molto alta - più di 550 gradi. Ciò causa difficoltà nell'implementazione pratica delle turbine a gas, poiché per le parti più riscaldate sono necessari materiali speciali resistenti al calore e speciali sistemi di raffreddamento.
• Circa la metà della potenza sviluppata dalla turbina viene utilizzata per il motore del compressore.
• Le GTU sono limitate nel combustibile, nel gas naturale o nel combustibile liquido di alta qualità.
• La potenza di un impianto a turbina a gas è limitata a 150 MW.

ecologia

Un fattore positivo nell'uso di GTU è il contenuto minimo di sostanze nocive nelle emissioni. In base a questo criterio, le turbine a gas sono in anticipo rispetto al loro concorrente più vicino: le centrali elettriche a pistone. A causa della sua compatibilità ambientale, le unità a turbina a gas possono essere facilmente collocate in prossimità dei luoghi in cui le persone vivono. Il basso contenuto di emissioni nocive durante il funzionamento delle turbine a gas consente di risparmiare denaro durante la costruzione di camini e l'acquisizione di catalizzatori.

Economia di GTU

A prima vista, i prezzi delle turbine a gas sono piuttosto alti, ma con una valutazione obiettiva delle capacità di questo apparato propulsore, tutti gli aspetti si inseriscono. Gli elevati investimenti di capitale all'inizio del progetto energetico sono completamente compensati da costi insignificanti per la successiva operazione. Inoltre, i pagamenti ambientali sono notevolmente ridotti, i costi per l'acquisto di elettricità e calore sono ridotti e l'impatto sull'ambiente e sulla popolazione è ridotto. Come risultato delle suddette ragioni, centinaia di nuovi impianti a turbina a gas vengono acquistati e installati annualmente.