Motores de turbinas a gás

Turbinas a gás desde microturbinas a < 50 cv (37,3 kW) até grandes turbinas industriais de > 250.000 cv (190 kW). Esta página enfoca o motor da turbina a gás, as diferenças entre os tipos de turbinas, e itens a considerar quando são aplicadas como motor principal.

Processo

Como mostrado na Fig. 1 e Fig. 2, o ciclo “aberto” Brayton é o ciclo termodinâmico para todas as turbinas a gás. Este ciclo consiste em:

• Compressão diabática
• Aquecimento por pressão constante
• Expansão diabática

A turbina a gás é constituída pelos seguintes componentes:

• Um compressor de ar
• Um incinerador
• Uma turbina de potência, que produz a potência para acionar o compressor de ar e o eixo de saída

• 

  Fig. 1-Diagrama simplificado de turbina a gás de ciclo simples.

• 

  Fig. 2-Ciclo típico “aberto” Brayton para turbinas a gás.

Air entra na entrada do compressor em condições ambientais (Ponto 1), é comprimido (Ponto 2), e passa pelo sistema de combustão, onde é combinado com combustível e “queimado” até a temperatura máxima do ciclo (Ponto 3). O ar aquecido é expandido através da seção da turbina produtora de gás (entre os pontos 3 e 5), onde a energia do fluido de trabalho é extraída para gerar energia para acionar o compressor, e expandido através da turbina de potência para acionar a carga (Ponto 7). O ar é então exaurido para a atmosfera. Um sistema de partida é utilizado para que o compressor de ar atinja velocidade suficiente para fornecer ar para combustão com o combustível injetado no incinerador. O ciclo de combustão de queima contínua da turbina, combinado com a rotação contínua do rotor da turbina, permite uma operação praticamente livre de vibrações, assim como menos peças móveis e pontos de desgaste do que outros motores principais.

Consideração e operação do projeto

Temperatura máxima do ciclo, TRIT

A potência de saída de uma turbina a gás pode ser aumentada através do aumento da temperatura máxima do ciclo. A temperatura máxima do ciclo é designada TRIT, que significa a temperatura de entrada do rotor da turbina. API 616 define a temperatura nominal de queima como a temperatura de entrada da turbina calculada pelo fornecedor (TIT) imediatamente a montante do rotor da turbina do primeiro estágio para serviço contínuo à saída de potência nominal. TRIT é calculada imediatamente a montante do rotor da turbina do primeiro estágio e inclui os efeitos calculados da queda de ar de resfriamento e temperatura através das palhetas do estator do primeiro estágio.

Fluxo de ar

A potência de saída de uma turbina a gás também pode ser aumentada aumentando o fluxo de massa de ar através da turbina a gás. A geometria da turbina a gás, particularmente do compressor, e a velocidade do compressor ditam a vazão mássica básica do ar. Um aumento na vazão requer um aumento na velocidade, que é limitada à velocidade máxima de funcionamento contínuo de qualquer projeto em particular. A uma dada velocidade, um aumento na densidade da entrada de ar aumenta a vazão mássica de ar. A densidade do ar de entrada aumenta diretamente com a pressão barométrica e inversamente com a temperatura ambiente.

Os principais parâmetros que afetam a potência de saída são velocidade e TRIT para qualquer projeto mecânico/aerodinâmico em particular. Aumentar qualquer um destes parâmetros aumenta a capacidade de potência de saída da turbina a gás. A velocidade e a temperatura podem ser ditadas pela potência de saída e pela taxa de calor desejada dentro das restrições impostas pelos seguintes fatores:

• Vida dos componentes
• Custo
• Possibilidade técnica

Limitações de velocidade

Quando a velocidade de uma turbina a gás aumenta, as forças centrífugas sobre os componentes rotativos aumentam. Estas forças aumentam as tensões sobre os componentes rotativos, particularmente as seguintes:

• Discos
• Lâminas
• Aplicação da lâmina ao disco

Materiais componentes têm limites de tensão que são diretamente proporcionais aos seus limites de velocidade e não devem ser excedidos. Assim, a velocidade máxima contínua do elemento rotativo é uma função de:

• Geometria do motor
• Propriedades do material do componente
• Factores de design de segurança

É a maior velocidade permitida para operação contínua.

Limitações de temperatura

Uma forma de aumentar a potência de saída é aumentar o fluxo de combustível e, portanto, TRIT. À medida que a TRIT aumenta, os componentes da secção quente operam a temperaturas de metal mais elevadas, o que reduz o tempo entre a inspecção (TBI) da turbina a gás. Como a vida útil dos materiais da seção quente é limitada pelo stress a altas temperaturas, há limitações nas temperaturas máximas para um dado TBI. A vida útil dos materiais diminui rapidamente a temperaturas mais elevadas. O TBI é uma função do tempo em TRIT e da taxa de mudança de TRIT durante os transientes, como a partida. O limite de fluência ou ruptura por tensão é estabelecido pelas propriedades do material em função do seu nível de tensão e temperatura de operação.

Ponto de classificação

Um ponto de classificação pode ser estabelecido para determinar o desempenho da turbina a gás para condições ambientais especificadas, perdas nas condutas, combustível, etc.

A Organização Internacional de Normas define suas condições padrão como:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% de umidade relativa sem perdas

Este se tornou um ponto de classificação padrão para comparar turbinas de vários fabricantes e projetos.

A classificação do local

A classificação do local é uma declaração do desempenho básico da turbina a gás sob condições específicas do local, incluindo:

• Temperatura ambiente
• Elevação
• Perdas de pressão em condutas
• Controlos de emissão
• Combustível composição
• Retirada de potência auxiliar
• Retirada de ar do compressor
• Nível de potência de saída

Por exemplo, um aumento na temperatura ambiente reduz a potência de saída a uma taxa influenciada pelo design da turbina a gás.

Temperatura do ar de entrada

Fig. 3 relaciona o seguinte com a temperatura do ar de entrada à velocidade ótima da turbina de potência para um exemplo de turbina a gás:

• Potência de saída
• Fluxo de combustível
• Temperatura de escape
• Fluxo de escape

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Fig. 3-Potência de saída versus temperatura do ar de entrada do compressor.

Aumentar a eficiência da turbina

Ciclo simples

A maior parte da energia mecânica extraída do fluxo de gás pela turbina é necessária para acionar o compressor de ar, com o restante disponível para acionar uma carga mecânica. A energia do fluxo de gás não extraído pela turbina é rejeitada para a atmosfera como calor.

Ciclo regenerativo

No ciclo regenerativo, também chamado ciclo regenerativo, o ar de descarga do compressor é pré-aquecido em um trocador ou recuperador de calor, cuja fonte de calor é o escape da turbina a gás. A energia transferida do escape reduz a quantidade de energia que deve ser adicionada pelo combustível. Na Fig. 4, a economia de combustível é representada pela área sombreada sob 2 a 2′. Os três desenhos primários utilizados nos recuperadores estacionários são:

• Plate fin
• Shell and tube
• Primary surface

• 

  >

  Fig. 4-Ciclo regenerado.

Ciclo combinado

Adicionar um ciclo de vapor de fundo ao ciclo Brayton utiliza o calor de escape para produzir potência adicional, que pode ser utilizada numa carga comum, como mostrado na Fig. 5, ou para uma carga separada. A área sombreada representa a entrada de energia adicional.

• 

  Ciclo combinado de 5 dígitos.

Sistema de entrada de ar

Filtração de ar de entrada. A qualidade do ar que entra na turbina a gás é uma consideração de design muito importante. A eficiência da turbina diminuirá com o tempo devido à acumulação de depósitos na trajetória de fluxo interno da turbina e pás rotativas. Este acúmulo resulta em maior manutenção e consumo de combustível. A seleção e manutenção do sistema de filtragem de ar de entrada adequado para as condições específicas do local afetará a taxa de diminuição da eficiência ao longo do tempo.

Queda de pressão

É fundamental minimizar a queda de pressão do ar que passa através da turbina: Dutos de entrada Filtro de ar de entrada Silenciador de entrada (ver Atenuação de ruído abaixo)

Perda de pressão no ar atmosférico que entra na turbina afeta muito o desempenho da turbina a gás.

A atenuação de ruído

O ruído produzido por uma turbina a gás está principalmente nas faixas de maior freqüência, que não são transmitidas até os ruídos de menor freqüência produzidos por motores de menor velocidade, tais como motores alternativos. A maioria dos ruídos de alta freqüência produzidos pela turbina é gerada na entrada de ar, com uma quantidade menor proveniente do escape. As fontes de ruído e o método de atenuação são os seguintes:

Entrada aérea

O silenciador de entrada deve ser projetado especificamente para o perfil de ruído da turbina a gás e os requisitos do local. Este silenciador é instalado na conduta de entrada de ar entre o filtro de ar e a entrada do compressor de ar da turbina.

Exaustão

O silenciador de exaustão deve ser especificamente projetado de acordo com o perfil de ruído da turbina a gás e os requisitos do local. A altura da pilha de exaustão em conjunto com o silenciador é uma consideração importante. Descarregar os gases de escape quentes tão alto quanto possível reduz o ruído mensurável ao nível do solo e tem o benefício adicional de reduzir a chance de recirculação do escape quente de volta para a entrada de ar. A perda de pressão (contrapressão) na exaustão da turbina afeta muito o desempenho da turbina a gás.

Invólucro/caixa de engrenagem/equipamento acionado

Invólucro(s) de atenuação de som pode(m) ser instalado(s) diretamente sobre o equipamento, tais como invólucros com patins ou um edifício contendo o equipamento isolado para atender aos requisitos ou ambos.

Resfriador de óleo

O método mais comum de resfriamento do óleo é o uso de trocadores de ar/resfriadores de ventilador. Estes geram ruído do ventilador que pode ser controlado com a velocidade da ponta do ventilador. O uso de resfriadores de água de casco e tubo pode ser eficiente em termos de ruído, se o meio de resfriamento estiver disponível.

Tipos de turbinas a gás

Designs de turbinas podem ser diferenciados por:

• Tipo de serviço
• Tipos de combustível
• Configuração do eixo
• Grau de embalagem

Tipos de serviço

Motores de turbinas aeronáuticas

Motores de turbinas aeronáuticas ou motores a jacto são concebidos com uma construção altamente sofisticada para um peso leve, especificamente para a propulsão de aeronaves. Estes projetos exigem potência máxima ou impulso com o mínimo peso e máxima eficiência de combustível. As turbinas aeronáuticas têm rolamentos de rolos e altas temperaturas de queima que requerem metalurgia exótica. Elas podem ser operadas com uma variação limitada de combustíveis. Quando um motor a jato é usado em uma aplicação industrial, ele deve ser acoplado a uma turbina de potência independente para produzir potência de eixo.

Motores pesados de turbinas a gás industriais

Os parâmetros básicos de projeto para motores pesados de turbinas a gás industriais evoluíram de turbinas a vapor industriais que têm velocidades mais lentas, rotores pesados e caixas maiores do que os motores a jato para garantir uma vida útil mais longa. Estas turbinas a gás são capazes de queimar a maior variedade de combustíveis líquidos ou a gás.

Motores de turbinas a gás industriais leves

Os parâmetros básicos de projeto e tecnologia usados em turbinas a gás industriais pesadas podem ser combinados com alguns dos aspectos de projeto de turbinas a gás industriais pesadas para produzir uma turbina industrial mais leve com uma vida útil próxima à de uma turbina a gás industrial pesada. Estes motores são chamados motores de turbinas a gás industriais leves.

Tipos de combustão

Combustor radial ou anelar

Este incinerador envolve as partes rotativas da turbina a gás e é parte integrante da carcaça do motor (Fig. 6). Turbinas aeronáuticas e turbinas a gás industriais leves utilizam este desenho.

• 

  Cutaway de turbina a gás 6-Tipo.

Can combustor

Este é um sistema de combustão simples ou multi-combustão que é separado da turbina rotativa como latas de combustão externas (Fig. 7). Os projetos que utilizam este tipo de incinerador podem queimar uma gama maior de combustíveis.

• 

  Fig. 7-Tipo de turbina a gás com incinerador de latas (cutaway).

Configuração do eixo

Eixo único

A turbina a gás pode ter um único eixo ou dois eixos. O projeto de um eixo consiste de um eixo que liga o compressor de ar, a turbina produtora de gás e a turbina de potência como um elemento rotativo (Fig. 1). Este projeto é mais adequado para aplicações de velocidade constante como acionamento de geradores elétricos para uma freqüência constante.

Dois eixos

O projeto de dois eixos tem o compressor de ar e o produtor de gás em um eixo e a turbina de potência em um segundo eixo independente. Este projeto fornece a flexibilidade de velocidade necessária para cobrir um mapa de desempenho mais amplo do equipamento acionado de forma mais eficiente. Isto permite ao produtor de gás operar na velocidade necessária para desenvolver a potência requerida pelo equipamento acionado, como compressores centrífugos ou bombas. A figura 6 mostra uma vista de corte de uma turbina a gás de dois eixos típica. Os principais componentes incluem o compressor, sistema de combustão, turbina produtora de gás e turbina de potência. Este projeto inclui uma turbina produtora de gás de dois estágios e uma turbina elétrica de dois estágios.

grau de embalagem

A norma para a maioria das turbinas a gás usadas na indústria consiste em incorporar a turbina a gás em uma estrutura de base/ patins com todos os componentes necessários para a unidade operacional básica. Isto inclui sistemas como o:

• Sistema de partida
• Sistema de combustível
• Sistema de lubrificação
• Controles locais
• Em alguns casos a caixa de engrenagens e o equipamento acionado

Sistemas adicionais requeridos operacionalmente são todos geralmente sistemas pré-embalados separados que podem ser fornecidos e personalizados pelo fabricante da turbina. Incluídos nesta categoria estão sistemas como:

• Filtragem/silenciamento de entrada de ar
• Frigoríficos de óleo
• Sistemas de controle remoto
• Caixas com atenuação de som
• Silenciadores de exaustão

Emissões de exaustão

Deterioração da atmosfera por poluentes gasosos é uma questão ambiental importante. A turbina a gás pelo projeto de ciclo básico dá uma combustão mais limpa e produz um nível mais baixo de poluentes em comparação com outros movimentadores principais, o que é uma grande vantagem. Os poluentes da turbina a gás que tipicamente são regulados são:

• Oxidos de nitrogênio
• Monóxido de carbono
• Hidrocarbonetos não queimados
• Particulados
• Dióxido de enxofre

A solução para alguns, mas não para todos, desses problemas de poluição está dentro do incinerador da turbina a gás. Segue-se uma breve discussão.

Óxidos de azoto (NOx)

Só dois dos sete óxidos de azoto são regulados: NO e NO2, referidos colectivamente como NOx. Quase todas as preocupações com as emissões envolvendo os principais movimentadores estão relacionadas à produção de NOx e aos controles de NOx. A turbina a gás é relativamente limpa em comparação com outros movimentadores principais. Por exemplo, turbinas a gás que queimam gás natural geralmente produzem 4 a 12 vezes menos NOx por unidade de potência do que motores alternativos produzem. No entanto, o NOx é o principal fator para permitir instalações de turbinas a gás.

Monóxido de carbono (CO)

CO também está a um nível muito baixo no escape da turbina, devido ao excesso de ar no processo de combustão. Portanto, geralmente não é um problema. Entretanto, em algumas áreas onde o nível ambiente de CO é extremamente alto ou quando a injeção de água está sendo usada para controle de NOx na turbina a gás, o CO pode ser um fator na obtenção de licenças.

Hidrocarbonetos não queimados (UHC)

Motores alternativos não similares que produzem uma quantidade significativa de UHC, as turbinas a gás produzem uma quantidade baixa de UHC porque a grande quantidade de ar em excesso envolvida no processo de combustão da turbina a gás combate completamente quase todos os hidrocarbonetos. Consequentemente, as emissões de UHC raramente são um fator significativo na obtenção de licenças ambientais para turbinas a gás.

Particulados

Não foram aperfeiçoadas técnicas de medição de partículas que produzem resultados significativos nos exaustores das turbinas a gás. Isto raramente é um fator na obtenção de licenças para turbinas a gás quando combustíveis limpos são queimados na turbina a gás.

Dióxido de enxofre (SO2)

A maior parte dos equipamentos de queima de combustível, incluindo turbinas a gás, converte todo o enxofre contido no combustível em SO2. Isto faz do SO2 um problema de combustível e não um problema associado com as características da turbina. A única maneira eficaz de controlar SO2 é limitando a quantidade de enxofre contida no combustível ou removendo o SO2 dos gases de escape por meio de um processo de lavagem a úmido.

Controle de emissões

A necessidade de atender ou superar as normas de emissão estabelecidas por códigos federais, estaduais e locais tem exigido que os fabricantes de turbinas a gás industriais desenvolvam turbinas de queima mais limpa. Sistemas de emissão seca foram desenvolvidos com injetores de combustível lean-premix, tecnologia de combustão especial e controles para reduzir as emissões de NOx e CO, criando temperaturas de chama máximas mais baixas e uma oxidação mais completa dos combustíveis hidrocarbonados. Todos os fabricantes de turbinas a gás industriais têm produtos secos de baixa emissão. O desempenho varia com o produto individual devido às diferenças no projeto do incinerador.

Estes sistemas de queima enxuta reduzem a formação de NOx e CO a níveis muito baixos, tornando assim desnecessário o uso de caros conversores catalíticos de alta manutenção para eliminar NOx e CO após a sua formação. Em áreas de extremo alto rendimento, pode ser necessário com algumas turbinas a gás utilizar conversores catalíticos seletivos para reduzir ainda mais o nível de NOx e CO. O combustível de escolha para a turbina a gás é o gás natural seco e limpo, que produz o escape mais limpo.

Calor de escape

Turbinas a gás têm a maior parte da perda de calor do ciclo que sai do escape. Este calor pode ser recuperado e utilizado para aumentar a eficiência térmica global do combustível queimado. O método mais comum de utilização do calor de escape é na produção de vapor.

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