Motoarele cu turbină cu gaz

Turbinele cu gaz variază ca mărime de la microturbine de < 50 CP (37,3 kW) la turbine industriale mari de > 250.000 CP (190 kW). Această pagină se concentrează pe motorul turbinei cu gaz, pe diferențele dintre tipurile de turbine și pe elementele care trebuie luate în considerare atunci când acestea sunt aplicate ca motor principal.

Procesul

Cum se arată în Fig. 1 și Fig. 2, ciclul Brayton „deschis” este ciclul termodinamic pentru toate turbinele cu gaz. Acest ciclu constă din:

• Compresie dibatică
• Încălzire la presiune constantă
• Dezvoltare dibatică

Turbina cu gaz este alcătuită din următoarele componente:

• Un compresor de aer
• Un arzător
• O turbină de putere, care produce energia necesară pentru a acționa compresorul de aer și arborele de ieșire

• 

  Fig. 1-Schema simplificată a turbinei cu gaz cu ciclu simplu.

• 

  Fig. 2-Ciclu Brayton „deschis” tipic pentru turbine cu gaz.

Aerul intră la intrarea în compresor în condiții ambiante (punctul 1), este comprimat (punctul 2) și trece prin sistemul de combustie, unde este combinat cu combustibilul și „aprins” până la temperatura maximă a ciclului (punctul 3). Aerul încălzit este expandat prin secțiunea turbinei producătoare de gaz (între Punctele 3 și 5), unde energia fluidului de lucru este extrasă pentru a genera energie pentru acționarea compresorului și este expandat prin turbina de putere pentru a acționa sarcina (Punctul 7). Aerul este apoi evacuat în atmosferă. Un sistem de pornire este utilizat pentru a aduce compresorul de aer la o viteză suficientă pentru a furniza aer pentru combustie cu combustibilul injectat în camera de ardere. Ciclul de ardere continuă al unei turbine, combinat cu rotația continuă a rotorului turbinei, permite o funcționare practic lipsită de vibrații, precum și mai puține piese mobile și puncte de uzură decât alte motoare primare.

Considerații de proiectare și funcționare

Temperatura maximă a ciclului, TRIT

Puterea de ieșire a unei turbine cu gaz poate fi mărită prin creșterea temperaturii maxime a ciclului. Temperatura maximă a ciclului este desemnată TRIT, care reprezintă temperatura de intrare a rotorului turbinei. API 616 definește temperatura nominală de ardere ca fiind temperatura de intrare în turbină (TIT) calculată de furnizor, imediat în amonte de rotorul turbinei din prima treaptă, pentru funcționare continuă la puterea nominală de ieșire. TRIT este calculată imediat în amonte de rotorul turbinei din prima treaptă și include efectele calculate ale aerului de răcire și căderea de temperatură pe paletele statorului din prima treaptă.

Curgerea aerului

Puterea de ieșire a unei turbine cu gaz poate fi, de asemenea, mărită prin creșterea debitului masic de aer prin turbina cu gaz. Geometria turbinei cu gaz, în special a compresorului, și viteza compresorului dictează debitul masic de aer de bază. O creștere a debitului necesită o creștere a vitezei, care este limitată la viteza maximă de funcționare continuă a unui anumit proiect. La o anumită viteză, o creștere a densității aerului la intrare mărește debitul masic de aer. Densitatea aerului la intrare crește direct cu presiunea barometrică și invers cu temperatura ambiantă.

Principalii parametri care afectează puterea de ieșire sunt viteza și TRIT pentru orice construcție mecanică/aerodinamică dată. Creșterea oricăruia dintre acești parametri crește capacitatea de putere de ieșire a turbinei cu gaz. Viteza și temperatura pot fi dictate de puterea de ieșire și de rata de căldură dorite în limitele impuse de următorii factori:

• Viabilitatea componentelor
• Cost
• Facilitate tehnică

Limitări ale vitezei

Ca urmare a creșterii vitezei unei turbine cu gaz, forțele centrifuge asupra componentelor rotative cresc. Aceste forțe măresc solicitările asupra componentelor rotative, în special asupra următoarelor:

• Discuri
• Lame
• Fixarea lamelor pe disc

Materialele componente au limite de solicitare care sunt direct proporționale cu limitele de viteză și nu trebuie depășite. Astfel, viteza maximă continuă a elementului rotativ este o funcție de:

• Geometria motorului
• Proprietățile materialelor componente
• Factori de proiectare de siguranță

Este cea mai mare viteză admisă pentru funcționare continuă.

Limitele de temperatură

O modalitate de a crește puterea de ieșire este de a crește debitul de combustibil și, prin urmare, TRIT. Pe măsură ce TRIT crește, componentele secțiunii fierbinți funcționează la temperaturi mai ridicate ale metalului, ceea ce reduce timpul dintre inspecții (TBI) al turbinei cu gaz. Deoarece durata de viață a materialelor din secțiunea fierbinte este limitată de solicitările la temperaturi ridicate, există limitări ale temperaturilor maxime pentru un anumit TBI. Durata de viață a materialelor scade rapid la temperaturi mai ridicate. TBI este o funcție a timpului la TRIT și a ratei de schimbare a TRIT în timpul tranzițiilor, cum ar fi pornirea. Limita de fluaj sau de rupere sub tensiune este stabilită de proprietățile materialului în funcție de nivelul lor de tensiune și de temperatura de funcționare.

Punct de clasificare

Se poate stabili un punct de clasificare pentru a determina performanța turbinei cu gaz pentru condiții ambiante specificate, pierderi în conducte, combustibil etc.

Organizația Internațională de Standardizare își definește condițiile standard ca fiind:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% umiditate relativă fără pierderi

Acesta a devenit un punct de evaluare standard pentru compararea turbinelor de diverși producători și modele.

Calificativul de amplasament

Calificativul de amplasament este o declarație privind performanța de bază a turbinei cu gaz în condiții specifice de amplasament, inclusiv:

• Temperatura ambiantă
• Elevație
• Pierderi de presiune în conducte
• Controale de emisie
• Combustibilul compoziție
• Deschiderea puterii auxiliare
• Extracția aerului din compresor
• Nivelul puterii de ieșire

De exemplu, o creștere a temperaturii mediului ambiant reduce puterea de ieșire la o rată influențată de proiectarea turbinei cu gaz.

Temperatura aerului de intrare

Fig. 3 se referă la temperatura aerului de intrare la turația optimă a turbinei de putere pentru o turbină cu gaz de exemplu:

• Putere de ieșire
• Curgerea combustibilului
• Temperatura de evacuare
• Curgerea de evacuare

• 

  Fig. 3-Puterea de ieșire în funcție de temperatura aerului de intrare în compresor.

Creșterea randamentului turbinei

Ciclu simplu

Cei mai mare parte din energia mecanică extrasă din fluxul de gaze de către turbină este necesară pentru a acționa compresorul de aer, restul fiind disponibil pentru a acționa o sarcină mecanică. Energia fluxului de gaz care nu este extrasă de turbină este respinsă în atmosferă sub formă de căldură.

Ciclu de recuperare

În ciclul de recuperare, numit și ciclu regenerativ, aerul de refulare a compresorului este preîncălzit într-un schimbător de căldură sau recuperator, a cărui sursă de căldură este evacuarea turbinei cu gaz. Energia transferată de la gazele de evacuare reduce cantitatea de energie care trebuie adăugată de combustibil. În Fig. 4, economia de combustibil este reprezentată de zona umbrită sub 2 la 2′. Cele trei modele primare utilizate în recuperatoarele staționare sunt:

• Aletă de placă
• Capace și tuburi
• Suprafață primară

• 

  Fig. 4-Ciclu recuperat.

Ciclu combinat

Adăugarea unui ciclu cu vapori de fund la ciclul Brayton utilizează căldura de evacuare pentru a produce cai-putere suplimentari, care pot fi utilizați într-o sarcină comună, așa cum se arată în fig. 5, sau pentru o sarcină separată. Zona umbrită reprezintă aportul suplimentar de energie.

• 

  Fig. 5-Ciclu combinat.

Sistem de admisie a aerului

Filtrare a aerului la intrare. Calitatea aerului care intră în turbina cu gaz este un considerent de proiectare foarte important. Eficiența turbinei va scădea în timp din cauza depunerilor care se acumulează pe calea de curgere internă a turbinei și pe paletele rotative. Aceste acumulări au ca rezultat o creștere a întreținerii și a consumului de combustibil. Selectarea și întreținerea sistemului adecvat de filtrare a aerului de intrare pentru condițiile specifice ale amplasamentului va afecta rata de scădere a eficienței în timp.

Cădere de presiune

Este esențial să se reducă la minimum căderea de presiune a aerului care trece prin: Conductele de intrare Filtrul de aer de intrare Amortizorul de intrare (a se vedea Atenuarea zgomotului mai jos)

Pierderea de presiune pe aerul atmosferic care intră în turbină afectează în mare măsură performanța turbinei cu gaz.

Atenuarea zgomotului

Zgomotul produs de o turbină cu gaz se află în principal în gamele de frecvențe mai înalte, care nu se transmit la fel de departe ca zgomotele de frecvențe mai joase produse de motoare primare cu viteză mai mică, cum ar fi motoarele cu piston. Cea mai mare parte a zgomotului de înaltă frecvență produs de turbină este generat la intrarea aerului, o cantitate mai mică provenind de la evacuare. Sursele de zgomot și metoda de atenuare sunt următoarele:

Intrarea aerului

Silențiatorul de intrare trebuie să fie proiectat în mod specific în funcție de profilul de zgomot al turbinei cu gaz și de cerințele amplasamentului. Acest amortizor de zgomot este instalat în conducta de admisie a aerului între filtrul de aer și intrarea compresorului de aer al turbinei.

Silențiatorul de evacuare

Silențiatorul de evacuare trebuie să fie proiectat în mod specific în funcție de profilul de zgomot al turbinei cu gaz și de cerințele amplasamentului. Înălțimea coșului de evacuare în combinație cu amortizorul de zgomot este un aspect important. Evacuarea gazelor de evacuare fierbinți la o înălțime cât mai mare posibil reduce zgomotul măsurabil la nivelul solului și, în plus, are avantajul suplimentar de a reduce șansele de recirculare a gazelor de evacuare fierbinți înapoi în intrarea de aer. Pierderea de presiune (contrapresiune) la evacuarea turbinei afectează în mare măsură performanța turbinei cu gaz.

Carcasă/cutie de viteze/echipament antrenat

Cocoșele de atenuare a zgomotului pot fi instalate direct peste echipament, cum ar fi carcasele de tip „walk-in” montate pe patine sau o clădire care conține echipamentul izolat pentru a îndeplini cerințele sau ambele.

Răcitor de ulei

Cea mai comună metodă de răcire a uleiului este utilizarea de schimbătoare de aer/răcitoare cu ventilator. Acestea generează zgomotul ventilatorului care poate fi controlat cu ajutorul turației vârfului ventilatorului. Utilizarea răcitoarelor de apă cu coajă și tuburi poate fi eficientă din punct de vedere al zgomotului dacă este disponibil mediul de răcire.

Tipurile de turbine cu gaz

Proiectele de turbine pot fi diferențiate prin:

• Tipul de funcționare
• Tipurile de combustie
• Configurația arborelui
• Gradul de împachetare

Tipurile de funcționare

Motoare cu turbină pentru avioane

Motoarele cu turbină pentru avioane sau motoarele cu reacție sunt proiectate cu o construcție foarte sofisticată pentru o greutate redusă, special pentru a propulsa aeronave. Aceste modele necesită o putere sau o împingere maximă cu o greutate minimă și o eficiență maximă a combustibilului. Turbinele aeronavelor au rulmenți cu role și temperaturi de ardere ridicate care necesită o metalurgie exotică. Ele pot funcționa cu o gamă limitată de combustibili. Atunci când un motor cu reacție este utilizat într-o aplicație industrială, acesta trebuie să fie cuplat cu o turbină de putere independentă pentru a produce putere la arbore.

Motoare industriale grele cu turbină cu gaz

Parametrii de proiectare de bază pentru motoarele industriale grele cu turbină cu gaz au evoluat de la turbinele industriale cu abur care au viteze mai mici, rotoare grele și carcase mai mari decât motoarele cu reacție pentru a asigura o durată de viață mai mare. Aceste turbine cu gaz sunt capabile să ardă cea mai largă gamă de combustibili lichizi sau gazoși.

Motoare industriale ușoare cu turbină cu gaz

Parametrii de proiectare de bază și tehnologia utilizată la turbinele de aeronave pot fi combinați cu unele dintre aspectele de proiectare ale turbinelor industriale grele cu gaz pentru a produce o turbină industrială mai ușoară cu o durată de viață apropiată de cea a unei turbine industriale grele cu gaz. Aceste motoare se numesc motoare industriale ușoare cu turbină cu gaz.

Tipuri de arzător

Arzător radial sau inelar

Acest arzător înconjoară piesele rotative ale turbinei cu gaz și este parte integrantă a carcasei motorului (Fig. 6). Turbinele pentru avioane și turbinele cu gaz industriale ușoare folosesc acest tip de construcție.

• 

  Fig. 6-Cuptură tipică de turbină cu gaz.

Combustor cu cutii de combustie

Este un sistem de combustie simplă sau multiplă care este separat de turbina rotativă sub formă de cutii de combustie externe (Fig. 7). Proiectele care utilizează acest tip de cameră de combustie pot arde o gamă mai largă de combustibili.

• 

  Fig. 7-Tipic de turbină cu gaz cu cameră de combustie de tip cană (decupaj).

Configurația arborelui

Arbore simplu

Turbina cu gaz poate avea fie un design cu un singur arbore, fie cu doi arbori. Designul cu un singur arbore constă într-un singur arbore care conectează compresorul de aer, turbina producătoare de gaz și turbina de putere ca un singur element rotativ (Fig. 1). Această construcție este cea mai potrivită pentru aplicații cu viteză constantă, cum ar fi antrenarea generatoarelor electrice pentru o frecvență constantă.

Două arbori

Construcția cu doi arbori are compresorul de aer și producătorul de gaz pe un arbore și turbina de putere pe un al doilea arbore independent. Această concepție oferă flexibilitatea de turație necesară pentru a acoperi mai eficient o hartă de performanță mai largă a echipamentului antrenat. Aceasta permite producătorului de gaz să funcționeze la turația necesară pentru a dezvolta puterea necesară echipamentelor antrenate, cum ar fi compresoarele centrifugale sau pompele. Fig. 6 prezintă o vedere în secțiune a unei turbine cu gaz tipice cu doi arbori. Componentele principale includ compresorul, sistemul de combustie, turbina producătorului de gaz și turbina de putere. Acest proiect include o turbină producătoare de gaz cu două trepte și o turbină de putere cu două trepte.

Diminuarea gradului de ambalare

Norma pentru majoritatea turbinelor cu gaz utilizate în industrie constă în încorporarea turbinei cu gaz într-un cadru de bază/un patin cu toate componentele necesare pentru unitatea operațională de bază. Aceasta include sisteme cum ar fi:

• Sistemul de pornire
• Sistemul de combustibil
• Sistemul de lubrifiere
• Controale locale
• În unele cazuri, cutia de viteze și echipamentul antrenat

Sistemele suplimentare necesare din punct de vedere operațional sunt toate, în general, sisteme separate preproiectate și ambalate, care pot fi furnizate și personalizate de către producătorul turbinei. În această categorie sunt incluse sisteme precum:

• Filtrare/silențiozitate la intrarea aerului
• Refrigeratoare de ulei
• Sisteme de control la distanță
• Închideri cu atenuare fonică
• Silențatoare de evacuare

Emisii de evacuare

Deteriorarea atmosferei de către poluanții gazoși este o problemă importantă de mediu. Turbina cu gaz, prin proiectarea ciclului de bază, asigură o ardere mai curată și produce un nivel mai scăzut de poluanți în comparație cu alte motoare principale, ceea ce reprezintă un avantaj major. Poluanții turbinei cu gaz care sunt de obicei reglementați sunt:

• Oxizi de azot
• Monoxid de carbon
• Hidrocarburi necombustite
• Particule
• Dioxid de sulf

Soluția la unele dintre aceste probleme de poluare, dar nu la toate, se află în camera de ardere a turbinei cu gaz. Urmează o scurtă discuție.

Oxizi de azot (NOx)

Doar doi dintre cei șapte oxizi de azot sunt reglementați: NO și NO2, denumiți colectiv NOx. Aproape toate preocupările legate de emisii care implică motoarele principale se referă la producția de NOx și la controalele NOx. Turbina cu gaz este relativ curată în comparație cu alte motoare primare. De exemplu, turbinele cu gaz care ard gaze naturale produc, în general, de 4 până la 12 ori mai puțin NOx pe unitate de putere decât produc motoarele cu piston. Cu toate acestea, NOx este factorul major în autorizarea instalațiilor cu turbine cu gaz.

Monoxidul de carbon (CO)

CO este, de asemenea, la un nivel foarte scăzut în gazele de eșapament ale turbinei datorită excesului de aer din procesul de ardere. Prin urmare, de obicei, nu reprezintă o problemă. Cu toate acestea, în unele zone în care nivelul ambiant al CO este extrem de ridicat sau atunci când se utilizează injecția de apă pentru controlul NOx în turbina cu gaz, CO poate fi un factor în obținerea autorizațiilor.

Hidrocarburi nearse (UHC)

În comparație cu motoarele cu piston care produc o cantitate semnificativă de UHC, turbinele cu gaz produc o cantitate scăzută de UHC deoarece cantitatea mare de aer în exces implicată în procesul de ardere a turbinei cu gaz arde complet aproape toate hidrocarburile. În consecință, emisiile de UHC sunt rareori un factor semnificativ în obținerea autorizațiilor de mediu pentru turbinele cu gaz.

Particule

Nu au fost perfecționate tehnici de măsurare a particulelor care să producă rezultate semnificative asupra gazelor de eșapament ale turbinelor cu gaz. Acesta este rareori un factor în obținerea autorizațiilor pentru turbinele cu gaz atunci când în turbina cu gaz sunt arși combustibili curați.

Dioxidul de sulf (SO2)

Chiar toate echipamentele de ardere a combustibililor, inclusiv turbinele cu gaz, convertesc tot sulful conținut în combustibil în SO2. Acest lucru face ca SO2 să fie mai degrabă o problemă de combustibil decât o problemă asociată cu caracteristicile turbinei. Singurul mod eficient de a controla SO2 este prin limitarea cantității de sulf conținută în combustibil sau prin eliminarea SO2 din gazele de eșapament prin intermediul unui proces de spălare umedă.

Controlul emisiilor

Nevoia de a respecta sau de a depăși standardele de emisii stabilite de codurile federale, de stat și locale a obligat producătorii de turbine cu gaz industriale să dezvolte turbine cu ardere mai curată. Au fost dezvoltate sisteme de emisii uscate cu injectoare de combustibil cu amestec sărac, tehnologie specială de combustie și controale pentru reducerea emisiilor de NOx și CO prin crearea unor temperaturi maxime mai scăzute ale flăcării și o oxidare mai completă a combustibililor de hidrocarburi. Toți producătorii de turbine cu gaz industriale au produse cu emisii uscate cu emisii reduse. Performanța variază în funcție de fiecare produs în parte din cauza diferențelor de proiectare a camerei de combustie.

Aceste sisteme de ardere săracă reduc formarea de NOx și CO la niveluri foarte scăzute, făcând astfel inutilă utilizarea convertoarelor catalitice costisitoare, care necesită multă întreținere, pentru a elimina NOx și CO după ce acestea sunt formate. În zonele cu grad de poluare extrem de ridicat, ar putea fi necesar, în cazul unor turbine cu gaz, să se utilizeze convertizoare catalitice selective pentru a reduce și mai mult nivelul de NOx și CO. Combustibilul ales pentru turbina cu gaz este gazul natural curat și uscat, care produce cele mai curate gaze de eșapament.

Căldura de eșapament

La turbinele cu gaz, cea mai mare parte a pierderilor de căldură din ciclu iese prin evacuare. Această căldură poate fi recuperată și utilizată pentru a crește eficiența termică globală a combustibilului ars. Cea mai comună metodă de utilizare a căldurii de evacuare este producerea de abur.

Utilizați această secțiune pentru citarea elementelor la care se face referire în text pentru a vă arăta sursele.

Articole demne de luat în seamă în OnePetro

Utilizați această secțiune pentru a enumera articolele din OnePetro pe care un cititor care dorește să afle mai multe ar trebui neapărat să le citească

Utilizați această secțiune pentru a oferi linkuri către materiale relevante pe alte site-uri web decât PetroWiki și OnePetro

Vezi și

Motori de primă intenție

Motori de recirculare

PEH:Prime_Movers

.