Motori a turbina a gas

Le turbine a gas variano in dimensioni dalle microturbine a < 50 hp (37,3 kW) alle grandi turbine industriali di > 250.000 hp (190 kW). Questa pagina si concentra sul motore della turbina a gas, le differenze tra i tipi di turbine, e gli elementi da considerare quando sono applicate come motore principale.

Processo

Come mostrato in Fig. 1 e Fig. 2, il ciclo Brayton “aperto” è il ciclo termodinamico per tutte le turbine a gas. Questo ciclo consiste in:

• compressione adiabatica
• riscaldamento a pressione costante
• espansione adiabatica

La turbina a gas è costituita dai seguenti componenti:

• Un compressore d’aria
• Un combustore
• Una turbina di potenza, che produce la potenza per azionare il compressore d’aria e l’albero di uscita

• 

  Fig. 1-Schema semplificato della turbina a gas a ciclo semplice.

• 

  Fig. 2-Ciclo Brayton tipico “aperto” per turbine a gas.

L’aria entra nell’ingresso del compressore a condizioni ambientali (punto 1), viene compressa (punto 2), e passa attraverso il sistema di combustione, dove viene combinata con il combustibile e “sparata” alla massima temperatura del ciclo (punto 3). L’aria riscaldata viene espansa attraverso la sezione della turbina del produttore di gas (tra i punti 3 e 5), dove l’energia del fluido di lavoro viene estratta per generare energia per azionare il compressore, ed espansa attraverso la turbina di potenza per azionare il carico (punto 7). L’aria viene poi scaricata nell’atmosfera. Un sistema di avviamento è utilizzato per portare il compressore d’aria a una velocità sufficiente per fornire aria per la combustione con il combustibile iniettato nel combustore. Il ciclo di combustione a combustione continua di una turbina, combinato con la rotazione continua del rotore della turbina, permette un funzionamento virtualmente senza vibrazioni, così come un minor numero di parti mobili e punti di usura rispetto ad altri motori primi.

Considerazioni sulla progettazione e sul funzionamento

Temperatura massima del ciclo, TRIT

La potenza di uscita di una turbina a gas può essere aumentata aumentando la temperatura massima del ciclo. La temperatura massima del ciclo è designata TRIT, che sta per temperatura di ingresso del rotore della turbina. API 616 definisce la temperatura di cottura nominale come la temperatura di ingresso della turbina calcolata dal fornitore (TIT) immediatamente a monte del rotore della turbina di primo stadio per il servizio continuo alla potenza nominale di uscita. TRIT è calcolata immediatamente a monte del rotore della turbina di primo stadio e comprende gli effetti calcolati dell’aria di raffreddamento e la caduta di temperatura attraverso le pale dello statore di primo stadio.

Flusso d’aria

La potenza di uscita di una turbina a gas può essere aumentata anche aumentando il flusso di massa d’aria attraverso la turbina a gas. La geometria della turbina a gas, in particolare il compressore, e la velocità del compressore dettano il flusso di massa d’aria di base. Un aumento del flusso richiede un aumento della velocità, che è limitata alla velocità massima di funzionamento continuo di qualsiasi progetto particolare. Ad una data velocità, un aumento della densità dell’aria in entrata aumenta la portata massica dell’aria. La densità dell’aria in entrata aumenta direttamente con la pressione barometrica e inversamente con la temperatura ambiente.

I principali parametri che influenzano la potenza di uscita sono la velocità e il TRIT per qualsiasi progetto meccanico/aerodinamico. L’aumento di uno qualsiasi di questi parametri aumenta la capacità di potenza in uscita della turbina a gas. La velocità e la temperatura possono essere dettate dalla potenza di uscita e dal tasso di calore desiderato entro i vincoli imposti dai seguenti fattori:

• Vita dei componenti
• Costo
• Fattibilità tecnica

Limiti di velocità

Quando la velocità di una turbina a gas aumenta, le forze centrifughe sui componenti in rotazione aumentano. Queste forze aumentano lo stress sui componenti rotanti, in particolare i seguenti:

• Dischi
• Lame
• Attacco della lama al disco

I materiali dei componenti hanno limiti di stress che sono direttamente proporzionali ai loro limiti di velocità e non devono essere superati. Quindi, la velocità massima continua dell’elemento rotante è una funzione di:

• Geometria del motore
• Proprietà dei materiali componenti
• Fattori di sicurezza

È la velocità massima consentita per il funzionamento continuo.

Limiti di temperatura

Un modo per aumentare la potenza di uscita è aumentare il flusso di carburante e quindi il TRIT. Con l’aumento del TRIT, i componenti della sezione calda funzionano a temperature del metallo più elevate, il che riduce il tempo tra le ispezioni (TBI) della turbina a gas. Poiché la vita dei materiali della sezione calda è limitata dallo stress ad alta temperatura, ci sono limitazioni sulle temperature massime per un dato TBI. La vita del materiale diminuisce rapidamente alle alte temperature. Il TBI è una funzione del tempo al TRIT e del tasso di cambiamento del TRIT durante i transitori come l’avvio. Il limite di creep o di rottura sotto sforzo è stabilito dalle proprietà del materiale in funzione del loro livello di sforzo e della temperatura di funzionamento.

Punto di valutazione

Un punto di valutazione può essere stabilito per determinare le prestazioni della turbina a gas per specifiche condizioni ambientali, perdite nei condotti, carburante, ecc.

L’International Standards Organization definisce le sue condizioni standard come:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% di umidità relativa senza perdite

Questo è diventato un punto di valutazione standard per confrontare le turbine di vari produttori e design.

Site rating

Il site rating è una dichiarazione delle prestazioni di base della turbina a gas in condizioni specifiche del sito, tra cui:

• Temperatura ambiente
• Altezza
• Perdite di pressione della condotta
• Controlli delle emissioni
• Composizione del carburante composizione
• Presa di forza ausiliaria
• Estrazione aria del compressore
• Livello di potenza in uscita

Per esempio, un aumento della temperatura ambiente riduce la potenza di uscita ad un tasso influenzato dalla progettazione della turbina a gas.

Temperatura dell’aria in entrata

Fig. 3 mette in relazione quanto segue con la temperatura dell’aria in ingresso alla velocità ottimale della turbina a gas per un esempio di turbina a gas:

• Potenza di uscita
• Flusso di carburante
• Temperatura di scarico
• Flusso di scarico

• 

  Fig. 3-Potenza in uscita vs. temperatura dell’aria in ingresso al compressore.

Efficienza crescente della turbina

Ciclo semplice

La maggior parte dell’energia meccanica estratta dal flusso di gas dalla turbina è necessaria per azionare il compressore d’aria, con il resto disponibile per azionare un carico meccanico. L’energia del flusso di gas non estratta dalla turbina viene respinta nell’atmosfera come calore.

Ciclo recuperativo

Nel ciclo recuperativo, chiamato anche ciclo rigenerativo, l’aria di scarico del compressore viene preriscaldata in uno scambiatore di calore o recuperatore, la cui fonte di calore è lo scarico della turbina a gas. L’energia trasferita dallo scarico riduce la quantità di energia che deve essere aggiunta dal carburante. Nella Fig. 4, il risparmio di carburante è rappresentato dall’area ombreggiata sotto 2 a 2′. I tre disegni primari usati nei recuperatori stazionari sono:

• Plate fin
• Shell and tube
• Primary surface

• 

  Fig. 4-Ciclo recuperato.

Ciclo combinato

L’aggiunta di un ciclo a vapore di fondo al ciclo Brayton usa il calore di scarico per produrre potenza aggiuntiva, che può essere usata in un carico comune, come mostrato in Fig. 5, o per un carico separato. L’area ombreggiata rappresenta l’input di energia addizionale.

• 

  Fig. 5-Ciclo combinato.

Sistema di ingresso dell’aria

Filtrazione dell’aria in entrata. La qualità dell’aria che entra nella turbina a gas è una considerazione progettuale molto importante. L’efficienza della turbina diminuisce nel tempo a causa dei depositi che si accumulano sul percorso del flusso interno della turbina e sulle pale rotanti. Questo accumulo si traduce in un aumento della manutenzione e del consumo di carburante. La selezione e la manutenzione del sistema di filtraggio dell’aria in ingresso corretto per le condizioni specifiche del sito influenzerà il tasso di diminuzione dell’efficienza nel tempo.

Caduta di pressione

È fondamentale ridurre al minimo la caduta di pressione dell’aria che passa attraverso il:

La perdita di pressione sull’aria atmosferica che entra nella turbina influisce notevolmente sulle prestazioni della turbina a gas.

Attenuazione del rumore

Il rumore prodotto da una turbina a gas è principalmente nelle gamme di frequenza più alte, che non vengono trasmesse così lontano come i rumori a bassa frequenza prodotti da motori primi a bassa velocità come i motori alternativi. La maggior parte del rumore ad alta frequenza prodotto dalla turbina è generato nell’ingresso dell’aria, mentre una quantità minore proviene dallo scarico. Le fonti di rumore e il metodo di attenuazione sono i seguenti:

Ingresso dell’aria

Il silenziatore di ingresso dovrebbe essere progettato specificamente per il profilo di rumore della turbina a gas e i requisiti del sito. Questo silenziatore è installato nel condotto di ingresso dell’aria tra il filtro dell’aria e l’ingresso del compressore dell’aria della turbina.

Scarico

Il silenziatore di scarico deve essere progettato specificamente per il profilo del rumore della turbina a gas e i requisiti del sito. L’altezza del camino di scarico insieme al silenziatore è una considerazione importante. Scaricare i gas di scarico caldi il più in alto possibile riduce il rumore misurabile a livello del suolo e ha il vantaggio aggiuntivo di ridurre la possibilità di ricircolo dei gas di scarico caldi nell’ingresso dell’aria. La perdita di pressione (contropressione) sullo scarico della turbina influisce notevolmente sulle prestazioni della turbina a gas.

Cassa/scatola degli ingranaggi/attrezzatura azionata

I recinti fono-attenuanti possono essere installati direttamente sopra l’attrezzatura come i recinti walk-in montati su pattini o un edificio contenente l’attrezzatura isolata per soddisfare i requisiti o entrambi.

Raffreddatore dell’olio

Il metodo più comune di raffreddamento dell’olio è l’uso di scambiatori d’aria/ventilatori. Questi generano il rumore del ventilatore che può essere controllato con la velocità della punta del ventilatore. L’uso di raffreddatori ad acqua a guscio e a tubo può essere efficiente dal punto di vista del rumore se il mezzo di raffreddamento è disponibile.

Tipi di turbine a gas

I disegni delle turbine possono essere differenziati da:

• Tipo di servizio
• Tipi di combustione
• Configurazione dell’albero
• Grado di imballaggio

Tipi di servizio

Motori a turbina per aerei

I motori a turbina per aerei o motori a reazione sono progettati con una costruzione altamente sofisticata per un peso ridotto, specificamente per alimentare gli aerei. Questi progetti richiedono la massima potenza o spinta con il minimo peso e la massima efficienza del carburante. Le turbine degli aerei hanno cuscinetti a rulli e alte temperature di cottura che richiedono una metallurgia esotica. Possono funzionare con una variazione limitata di combustibili. Quando un motore a reazione è usato in un’applicazione industriale, deve essere accoppiato con una turbina di potenza indipendente per produrre potenza all’albero.

Motori a turbina a gas industriali pesanti

I parametri di progettazione di base per i motori a turbina a gas industriali pesanti si sono evoluti dalle turbine a vapore industriali che hanno velocità più basse, rotori pesanti, e casse più grandi dei motori a reazione per garantire una maggiore durata. Queste turbine a gas sono in grado di bruciare la più ampia gamma di combustibili liquidi o gassosi.

Motori a turbina a gas industriali leggeri

I parametri di progettazione di base e la tecnologia utilizzata nelle turbine degli aerei possono essere combinati con alcuni degli aspetti di progettazione delle turbine a gas industriali pesanti per produrre una turbina industriale più leggera con una vita che si avvicina a quella di una turbina a gas industriale pesante. Questi motori sono chiamati motori a turbina a gas industriali leggeri.

Tipi di combustione

Combustione radiale o anulare

Questo combustore circonda le parti rotanti della turbina a gas ed è integrale all’involucro del motore (Fig. 6). Le turbine degli aerei e le turbine a gas industriali leggere usano questo design.

• 

  Fig. 6-tipo di spaccato della turbina a gas.

Combustore a barattolo

Questo è un sistema a combustione singola o multipla che è separato dalla turbina rotante come barattoli di combustione esterni (Fig. 7). I progetti che usano questo tipo di combustore possono bruciare una gamma più ampia di combustibili.

• 

  Fig. 7-Tipo di turbina a gas con combustore a barattolo (spaccato).

Configurazione dell’albero

Singolo albero

La turbina a gas può avere un design ad albero singolo o a due alberi. Il design monoalbero consiste in un albero che collega il compressore d’aria, la turbina del produttore di gas e la turbina di potenza come un unico elemento rotante (Fig. 1). Questo design è più adatto per applicazioni a velocità costante come l’azionamento di generatori elettrici per una frequenza costante.

Due alberi

Il design a due alberi ha il compressore d’aria e il produttore di gas su un albero e la turbina di potenza su un secondo albero indipendente. Questo design fornisce la flessibilità di velocità necessaria per coprire in modo più efficiente una mappa di prestazioni più ampia dell’attrezzatura azionata. Questo permette al produttore di gas di funzionare alla velocità necessaria per sviluppare la potenza richiesta dall’attrezzatura azionata, come i compressori centrifughi o le pompe. La Fig. 6 mostra una vista in sezione di una tipica turbina a gas a due alberi. I componenti principali includono il compressore, il sistema di combustione, la turbina del produttore di gas e la turbina di potenza. Questo progetto include una turbina del produttore di gas a due stadi e una turbina di potenza a due stadi.

Grado di imballaggio

La norma per la maggior parte delle turbine a gas usate nell’industria consiste nell’incorporare la turbina a gas in un telaio/scivolo di base con tutti i componenti richiesti per l’unità operativa di base. Questo include sistemi come:

• Sistema di avviamento
• Sistema di alimentazione
• Sistema di lubrificazione
• Controlli locali
• In alcuni casi la scatola degli ingranaggi e l’attrezzatura guidata

I sistemi aggiuntivi necessari per il funzionamento sono tutti generalmente sistemi preconfezionati separati che possono essere forniti e personalizzati dal produttore della turbina. Inclusi in questa categoria sono sistemi come:

• Filtraggio/silenziamento dell’ingresso dell’aria
• Raffreddatori dell’olio
• Sistemi di controllo remoto
• Custodie con attenuazione del suono
• Silenziatori di scarico

Emissioni di scarico

Il deterioramento dell’atmosfera da inquinanti gassosi è un importante problema ambientale. La turbina a gas con il design del ciclo di base dà una combustione più pulita e produce un livello inferiore di inquinanti rispetto ad altri motori primi, che è un vantaggio importante. Gli inquinanti della turbina a gas che sono tipicamente regolati sono:

• Ossidi di azoto
• Monossido di carbonio
• Idrocarburi incombusti
• Particelle
• Diossido di zolfo

La soluzione ad alcuni, ma non a tutti, questi problemi di inquinamento si trova nel combustore della turbina a gas. Segue una breve discussione.

Ossidi di azoto (NOx)

Solo due dei sette ossidi di azoto sono regolati: NO e NO2, indicati collettivamente come NOx. Quasi tutte le preoccupazioni sulle emissioni che coinvolgono i motori primi riguardano la produzione di NOx e i controlli di NOx. La turbina a gas è relativamente pulita rispetto ad altri motori primi. Per esempio, le turbine a gas che bruciano gas naturale producono generalmente da 4 a 12 volte meno NOx per unità di potenza rispetto ai motori alternativi. Tuttavia, NOx è il fattore principale nel permettere le installazioni di turbine a gas.

Il monossido di carbonio (CO)

CO è anche ad un livello molto basso nello scarico della turbina a causa dell’aria in eccesso nel processo di combustione. Pertanto, di solito non è un problema. Tuttavia, in alcune aree dove il livello ambientale di CO è estremamente alto o quando l’iniezione d’acqua viene utilizzata per il controllo di NOx nella turbina a gas, il CO può essere un fattore per ottenere i permessi.

Idrocarburi incombusti (UHC)

A differenza dei motori alternativi che producono una quantità significativa di UHC, le turbine a gas producono una bassa quantità di UHC perché la grande quantità di aria in eccesso nel processo di combustione della turbina a gas brucia completamente quasi tutti gli idrocarburi. Di conseguenza, le emissioni di UHC sono raramente un fattore significativo per ottenere permessi ambientali per le turbine a gas.

Particolato

Non sono state perfezionate tecniche di misurazione del particolato che producano risultati significativi sugli scarichi delle turbine a gas. Questo è raramente un fattore nell’ottenere permessi per le turbine a gas quando i combustibili puliti sono bruciati nella turbina a gas.

Biossido di zolfo (SO2)

Quasi tutte le attrezzature che bruciano combustibili, comprese le turbine a gas, convertono tutto lo zolfo contenuto nel combustibile in SO2. Questo rende l’SO2 un problema di carburante piuttosto che un problema associato alle caratteristiche della turbina. L’unico modo efficace per controllare l’SO2 è limitare la quantità di zolfo contenuta nel combustibile o rimuovere l’SO2 dai gas di scarico per mezzo di un processo di scrubbing a umido.

Controllo delle emissioni

La necessità di soddisfare o superare gli standard di emissione fissati dai codici federali, statali e locali ha richiesto ai produttori di turbine a gas industriali di sviluppare turbine a combustione più pulita. I sistemi di emissione a secco sono stati sviluppati con iniettori di carburante a miscela magra, tecnologia di combustione speciale e controlli per ridurre le emissioni di NOx e CO creando temperature massime di fiamma più basse e un’ossidazione più completa dei combustibili idrocarburici. Tutti i produttori di turbine a gas industriali hanno prodotti a secco a basse emissioni. Le prestazioni variano con il singolo prodotto a causa delle differenze nel design del combustore.

Questi sistemi a combustione magra riducono la formazione di NOx e CO a livelli molto bassi, rendendo così inutile l’uso di costosi convertitori catalitici ad alta manutenzione per eliminare NOx e CO dopo la loro formazione. In aree estreme di alto contenimento, può essere necessario con alcune turbine a gas utilizzare convertitori catalitici selettivi per ridurre ulteriormente il livello di NOx e CO. Il combustibile scelto per la turbina a gas è il gas naturale secco e pulito, che produce lo scarico più pulito.

Calore di scarico

Le turbine a gas hanno la maggior parte della perdita di calore dal ciclo che esce dallo scarico. Questo calore può essere recuperato e utilizzato per aumentare l’efficienza termica complessiva del combustibile bruciato. Il metodo più comune di utilizzo del calore di scarico è la produzione di vapore.

Utilizza questa sezione per la citazione degli elementi citati nel testo per mostrare le tue fonti.

Segnali degni di nota in OnePetro

Utilizza questa sezione per elencare i documenti in OnePetro che un lettore che vuole saperne di più dovrebbe assolutamente leggere

Utilizza questa sezione per fornire link a materiale rilevante su siti web diversi da PetroWiki e OnePetro

Vedi anche

Prime movers

Motori reciclanti

PEH:Prime_Movers