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

A la vanguardia 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 son turbinas de gas y centrales de ciclo combinado, y en algunos países años individuales su participación alcanzó el 90%.

También se están construyendo grandes cantidades de GTU simples. 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. A principios de siglo (1999-2000), la capacidad total de las plantas de turbinas de gas alcanzó 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.

referencia histórica

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 plantas de turbinas de gas confiables y altamente eficientes.

Es el progreso significativo en la construcción de turbinas de gas lo que determinó el salto cualitativo moderno en la ingeniería de energía térmica. Varias empresas extranjeras han resuelto 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 de las instalaciones de turbinas de gas estaba en el nivel de 24-32%, a finales de los 80 las mejores centrales eléctricas de turbinas de gas estacionarias ya tenían un factor de eficiencia (en uso autónomo) de 36-37%. Esto hizo posible crear CCGT sobre su base, cuya eficiencia alcanzó el 50%. A principios del nuevo siglo, este indicador era igual al 40% y, en combinación con las plantas de ciclo combinado, incluso al 60%.

Comparación de turbinas de vapor y plantas 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 en el caso de una solución exitosa de una serie de complejos problemas científicos asociado con la generación y el uso de vapor supercrítico, se puede esperar una eficiencia de no más del 46-49%. Por lo tanto, en términos de eficiencia, los sistemas de turbinas de vapor son irremediablemente inferiores a los sistemas de ciclo combinado.

Las centrales eléctricas de turbinas de vapor también son significativamente inferiores 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 muchas veces menos costo kilovatio de potencia eléctrica de los sistemas de turbinas de vapor. Por ejemplo, el precio de un kilovatio instalado para centrales eléctricas de turbinas de vapor de condensación oscila entre 2000 y 3000 $/kW.

La instalación incluye tres unidades básicas: 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. El tubo de entrada se utiliza para entrar en el compresor de aire, desde turbina de gas el aire se escapa por el 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 instalaciones de turbinas de gas utilizan el principio de combustión continua o ciclo abierto:

• Primero, el fluido de trabajo (aire) es bombeado a presión atmosférica por un compresor apropiado.
• A continuación, el aire se comprime para más presión y enviado a la cámara de combustión.
• Se alimenta con combustible, que se quema a una presión constante, proporcionando un suministro de calor constante. Debido a la combustión del combustible, la temperatura del fluido de trabajo aumenta.
• Además, el fluido de trabajo (ahora ya es un gas, que es una mezcla de aire y productos de combustión) ingresa a la turbina de gas, donde, expandiéndose a presión atmosférica, realiza un trabajo útil (hace girar la turbina que genera electricidad).
• Tras 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, las plantas de combustión intermitente utilizan 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.
• Luego, se abre la segunda válvula y el fluido de trabajo ingresa a 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, abrir la primera y repetir la secuencia de acciones.

Cambiando implementación práctica de este o aquel ciclo termodinámico, los diseñadores tienen que enfrentarse a muchos obstáculos técnicos insuperables. Más ejemplo característico: a una humedad del vapor de más del 8-12%, las pérdidas en la trayectoria del flujo 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 la obtención de trabajo), hasta el momento solo se utilizan ampliamente dos ciclos termodinámicos básicos 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 de Rankine se utiliza para órganos de trabajo que, en el proceso de implementación del ciclo, realizan transición de fase, las centrales eléctricas de vapor funcionan según este ciclo. Para fluidos de trabajo que no pueden condensarse en condiciones reales y que llamamos gases, usamos el ciclo de Brayton. Las plantas de turbinas de gas y los motores de combustión interna operan de acuerdo con este ciclo.

Combustible usado

La gran mayoría de las turbinas de gas están diseñadas para funcionar con gas natural. A veces, el combustible líquido se usa 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 están relacionadas con el hecho de que el gas es una valiosa materia prima tecnológica para 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 ganando impulso activamente.

La diferencia entre un motor de combustión interna y una turbina de gas

La diferencia fundamental entre 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 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 y el aumento de su eficiencia, los sistemas GTP y STP ocupan una parte cada vez mayor en el sistema energético global del mundo. En consecuencia, el operador de instalaciones de turbinas de gas tiene cada vez más demanda. Siguiendo a los socios occidentales, un número fabricantes rusos dominó el problema económicamente instalaciones eficientes tipo turbina de gas. La primera central eléctrica de ciclo combinado de nueva generación en la Federación Rusa fue la CHPP Severo-Zapadnaya en San Petersburgo.

Una planta de turbina de gas moderna (GTU) es una combinación de un compresor de aire, una cámara de combustión y una turbina de gas, así como sistemas auxiliares que aseguran su operación. La combinación de una turbina de gas y un generador eléctrico se llama unidad de turbina de gas. La turbina, en la que el gas se expande a la presión atmosférica, convierte la energía potencial del gas comprimido y calentado a alta temperatura en energía cinética de la rotación del rotor de la turbina. La turbina impulsa un generador eléctrico que convierte la energía cinética de rotación del rotor del generador en corriente eléctrica. El generador eléctrico consta de un estator, en cuyos devanados eléctricos se genera corriente, y un rotor, que es un electroimán, que es alimentado por un excitador.

A diferencia de las plantas de turbinas de vapor (STP), donde el vapor es el fluido de trabajo, las GTP funcionan con los productos de la combustión del combustible. Además, a diferencia del GTP, el STP no incluye una caldera, más precisamente, la caldera se considera una fuente de calor separada. Una planta de turbina de vapor no puede funcionar sin una caldera como objeto físico. En las turbinas de gas, por el contrario, la cámara de combustión es su parte integral. En este sentido, la GTU es autosuficiente. Según el método de suministro de calor a presión constante. pags= constante y a volumen constante v= constante. Todas las turbinas de gas modernas funcionan con aporte de calor a pags= constante. Hay circuitos de turbina de gas abiertos (abiertos) y cerrados (cerrados)

El esquema más simple de una turbina de gas abierta en símbolos, así como su ciclo termodinámico, se muestran en la Figura 1. El aire de la atmósfera ingresa a la entrada del compresor de aire (punto 1 ), que es una turbomáquina rotativa con un recorrido de flujo formado por rejillas rotativas y fijas. La relación entre la presión detrás del compresor y la presión frente a él se denomina relación de compresión del compresor de aire y generalmente se denomina. El rotor del compresor es accionado por una turbina de gas. El flujo de aire comprimido se suministra a una, dos o más cámaras de combustión (punto 2 ). En este caso, en la mayoría de los casos, el flujo de aire proveniente del compresor se divide en dos corrientes. El primer flujo se envía a los dispositivos quemadores, donde también se suministra combustible (gas o combustible líquido), debido a la combustión del cual a presión constante pags= constante se forman productos de combustión a alta temperatura. Se mezclan con relativamente aire frio el segundo flujo para obtener gases (se les llama gases de trabajo) con una temperatura aceptable para partes de una turbina de gas.

Figura 1 - El esquema más simple de una turbina de gas abierta y su ciclo termodinámico.

Los gases de trabajo con presión debido a la resistencia hidráulica de la cámara de combustión) se introducen en la ruta de flujo de la turbina de gas (punto 3 ), donde se expanden casi a la presión atmosférica (punto 4 ). Luego ingresan al difusor de salida. , desde donde, ya sea directamente a la chimenea, lo que provocará pérdidas de calor significativas, o previamente a cualquier intercambiador de calor que utilice el calor de los gases de escape de la turbina de gas.

En un circuito cerrado (Fig. 2), se usan calentadores de superficie del fluido de trabajo en lugar de la cámara de combustión, y el gas (por ejemplo, helio) que se escapa en la turbina se enfría en enfriadores especiales a la temperatura más baja, después de lo cual entra en el compresor. El ciclo termodinámico de este esquema es similar al de una turbina de gas abierta.

Debido a la expansión de los gases en la turbina de gas, esta última genera energía. Una parte importante se gasta en la transmisión del compresor y el resto se gasta en la transmisión del generador eléctrico. Esta parte se denomina potencia neta de la turbina de gas y se indica cuando se marca.

En las turbinas de gas reales, todos los procesos en curso van acompañados de pérdidas de trabajo en el compresor y la turbina, así como pérdidas de presión a lo largo de la ruta de la turbina de gas. Dadas estas pérdidas, el ciclo real difiere del ideal. La composición de una turbina de gas real incluye una cámara de combustión (calentador del fluido de trabajo en un circuito cerrado), una turbina de gas, un compresor, un motor de arranque, intercambiadores de calor para diversos fines(calentadores regenerativos, calentadores intermedios en turbinas) y diversos equipos auxiliares, así como un generador eléctrico, si la turbina de gas tiene por objeto la producción energía eléctrica. La turbina, el compresor y el generador se colocan en el mismo eje. El motor de arranque está conectado con un embrague de liberación. En las turbinas de gas más sencillas, aproximadamente el 70 % de la potencia desarrollada por la turbina se utiliza para accionar el compresor y el 30 % para accionar el generador. El grado de aumento de presión en el compresor = 6 ... 7, la eficiencia de la instalación es 24 ... 27%, la temperatura frente a la turbina es 750 ... 800 °C. El rango de temperaturas iniciales frente a la turbina de gas en la turbina de gas es de 750 ... 1150 ° C, por lo tanto, según las condiciones de resistencia, los elementos de la planta que operan a altas temperaturas están hechos de alta mayor confiabilidad previsto para refrigeración por aire.

Figura 2 - El esquema más simple de una turbina de gas cerrada

Los gases de escape de la turbina tienen una temperatura elevada, por lo que su evacuación al medio ambiente en circuito abierto de la turbina de gas provoca importantes pérdidas energéticas. Para aumentar la eficiencia de la instalación se utiliza el calentamiento regenerativo del aire comprimido por los gases de escape de la turbina. Esto aumenta el grado de aprovechamiento del calor del combustible quemado en la cámara de combustión y la eficiencia energética de la instalación.

En una turbina de gas ideal con regeneración, cuyo esquema y ciclo se muestra en la Figura 3, los gases de escape de la turbina pueden enfriarse a una temperatura igual a la temperatura del aire detrás del compresor, es decir hasta , y el aire comprimido por el compresor puede calentarse a una temperatura correspondiente a la temperatura en el escape de la turbina, es decir antes de. En una instalación real, el aire en el intercambiador de calor regenerativo se calentará a una temperatura inferior, y los gases de escape se enfriarán en el mismo intercambiador de calor a una temperatura superior al valor normalmente igual a 60 ... 80°C en circuitos abiertos. Las turbinas de gas reales que funcionan en circuito abierto a una temperatura inicial de 750 ... 850 ° C tienen un grado de regeneración y una eficiencia efectiva de 26,5 ... 30%.

Figura 3 - Esquema y ciclo de turbina de gas con regeneración

Las turbinas de gas que proporcionan generación combinada de energía eléctrica y térmica se denominan plantas de cogeneración. La energía térmica se genera utilizando el calor de los gases que salen de la turbina a alta temperatura para calentar agua y producir vapor. Calentar el agua utilizada para la calefacción y las necesidades domésticas con los gases de escape de la turbina es la forma más sencilla de aumentar la eficiencia térmica de una turbina de gas.

En las turbinas de gas se utilizan combustibles líquidos ligeros y gaseosos. Cuando se utilizan combustibles líquidos de grados pesados ​​que contienen impurezas nocivas, se necesita un sistema especial de preparación de combustible para evitar la corrosión de las piezas de la turbina bajo la influencia de los compuestos de azufre y vanadio contenidos en los combustibles pesados. El problema del uso de combustible sólido en turbinas de gas se encuentra en la etapa de desarrollo piloto intensivo.

La tecnología de arranque de la turbina depende en gran medida del estado de temperatura del equipo que se encuentra frente a ella. Hay comienzos de estados fríos, tibios y calientes. Si la temperatura de la turbina no supera los 150 °C, se considera que el arranque se ha realizado en frío. Para unidades de potencia potentes, se necesitan hasta 90 horas para enfriarse a esta temperatura. Los arranques desde un estado caliente corresponden a una temperatura de turbina de 420-450 °C y superior (alcanzada en 6-10 horas). El estado no refrigerado es intermedio. Cualquier alargamiento de la puesta en marcha conduce a costes adicionales de combustible. Por lo tanto, la puesta en marcha debe realizarse rápidamente, pero no a expensas de la fiabilidad. El arranque de la turbina está prohibido:

en caso de mal funcionamiento de los principales instrumentos que muestran el curso del proceso térmico en la turbina y su estado mecánico (tacómetros, termómetros, manómetros, etc.);

con un sistema de lubricación defectuoso que proporciona lubricación a los cojinetes;

en caso de mal funcionamiento de los sistemas de protección y regulación;

con un dispositivo de giro defectuoso.

Para arrancar la GTU, es necesario utilizar el dispositivo de arranque (PU) para girar el rotor del turbocompresor, suministrar aire del compresor simultáneamente con combustible a la cámara de combustión para su encendido y realizar operaciones adicionales para arrancar la GTU. Se pueden utilizar varios medios como dispositivo de arranque: un motor eléctrico, una turbina de vapor o gas (aire), un motor de combustión interna. Para turbinas de gran potencia, por regla general, el propio generador eléctrico de GTU se utiliza como PU, que hace girar el rotor de GTU a una velocidad igual a 0,2 - 0,3 nominal. Durante el período de puesta en marcha, las paletas de control del compresor deben estar cubiertas para reducir el consumo de aire. Las válvulas anti-oleaje están abiertas en el arranque. El combustible se suministra a la cámara de combustión y la mezcla de aire y combustible formada en el dispositivo de mezcla de la cámara de combustión se enciende utilizando un dispositivo de encendido (encendedor de plasma). El consumo de combustible aumenta al abrir la válvula de combustible. Esto provoca un aumento en la temperatura de los gases frente a la turbina, la potencia de la turbina y la velocidad del rotor. A cierta temperatura del gas frente a la turbina y cierta velocidad, la potencia de la turbina de gas es igual a la potencia consumida por el compresor de aire. En este estado, después de un ligero aumento adicional en el consumo de combustible, el dispositivo de arranque se apaga y la turbina de gas entra en modo autopropulsado. Con un aumento adicional en el consumo de combustible, la turbina de gas gira la unidad de turbina hasta que se alcanza la velocidad nominal, luego el generador eléctrico se sincroniza con la red y se conecta a la red. Por lo tanto, la unidad se pone en modo inactivo. Durante la puesta en marcha, las válvulas anti-oleaje están cerradas y las paletas guía ajustables se colocan en las posiciones prescritas por el programa de puesta en marcha.

En el proceso de carga de la turbina de gas a la potencia nominal, el consumo de combustible aumenta al abrir la válvula de control, los ángulos de instalación de las paletas guía del compresor ajustable se cambian de acuerdo con el programa correspondiente, el consumo de aire aumenta al valor nominal. Operación GTU en caso general consiste en arrancar, operar con carga eléctrica y térmica y parar. Lo más sencillo es trabajar a carga constante. La tarea principal del personal que da servicio a la planta de turbinas, durante el funcionamiento normal, es proporcionar la energía eléctrica y térmica especificada con total garantía. Operación confiable y el mayor ahorro posible.

Los modos de operación de las turbinas de gas se pueden dividir en estacionario y variable.

El modo estacionario corresponde al funcionamiento de la turbina a alguna carga fija. Puede fluir tanto a carga nominal como a carga parcial. Hasta hace poco, este régimen era el principal para las turbinas de gas. La turbina se detuvo varias veces al año debido a fallas o reparaciones programadas.

Los modos variables de la turbina de gas están determinados por las siguientes razones en relación con la turbina de gas. La primera razón es la necesidad de cambiar la potencia generada por la turbina de gas si la potencia consumida, por ejemplo, por un generador eléctrico ha cambiado debido a un cambio en la carga eléctrica de los consumidores conectados al generador. Si la turbina de gas impulsa un generador eléctrico conectado en paralelo con otros productores de energía, es decir, trabajando para red común(sistema de potencia), entonces es necesario cambiar la potencia de esta turbina de gas en caso de un cambio en el consumo de potencia total en el sistema. La segunda razón es un cambio en las condiciones atmosféricas: presión y especialmente temperatura del aire atmosférico aspirado por el compresor. El modo no estacionario más difícil es la puesta en marcha GTP, que incluye numerosas operaciones antes de la patada del rotor. Los modos no estacionarios incluyen cambios abruptos en la carga (desprendimiento o sobretensión), así como el apagado de la turbina (descarga, desconexión de la red, agotamiento del rotor para enfriamiento).

Así, para las turbinas de gas, la tarea principal del control es proporcionar la potencia necesaria, y para las turbinas de gas de potencia, la constancia de la velocidad de rotación del generador eléctrico accionado. Los modos variables de operación de la turbina de gas deben llevarse a cabo de tal manera que la eficiencia en cada modo sea lo más alta posible. El modo GTU se controla actuando sobre las válvulas de control de combustible que suministran combustible directamente a la cámara de combustión, lo que conduce a una baja inercia del proceso de suministro de calor al fluido de trabajo en la cámara de combustión. Las turbinas de gas son sensibles a los cambios en las condiciones atmosféricas. Para ellos, existe el riesgo de sobretensión del compresor. Para poner en marcha la turbina de gas, es necesario que se excluyan las sobretensiones en todos los modos de funcionamiento posibles. Para arrancar la turbina de gas, primero es necesario hacer girar el rotor usando un dispositivo de arranque.

Las grandes turbinas de gas modernas utilizan sistemas de control automatizados que realizan las siguientes funciones:

– control remoto automático del arranque, carga y apagado de la GTU;

– regulación de parámetros tales como la velocidad de rotación de la unidad de turbina con un grado dado de irregularidad, la temperatura del gas antes y después de la turbina, la carga activa del generador eléctrico, el modo de operación del compresor a la distancia requerida del límite de sobretensión;

– protección de la turbina de gas, a saber, parada y parada en situaciones de emergencia, de las cuales las más graves son, por ejemplo, un aumento inaceptable de la temperatura del gas antes y después de la turbina de gas, un aumento inaceptable de la temperatura del gas antes y después de la turbina de gas, un aumento inaceptable de la temperatura del gas antes de la turbina de gas y detrás de ella, aumento inaceptable de la frecuencia del rotor, caída inaceptable de la presión del aceite para lubricar los cojinetes, desplazamiento axial inaceptable del rotor, extinción de la llama en la cámara de combustión, aproximación a la oleada del compresor límite, un aumento inaceptable en la velocidad de vibración de los muñones del rotor y las carcasas de los cojinetes.

Un evento que consiste en un mal funcionamiento de la turbina de gas se denomina falla. Para mantener una alta confiabilidad y una operación sin fallas, el equipo se somete a mantenimiento, reparaciones corrientes, medianas o mayores. Durante las reparaciones corrientes y medianas, las piezas y conjuntos dañados se reemplazan o restauran, y durante las reparaciones mayores, se lleva a cabo una restauración completa de la capacidad de trabajo. Durante el funcionamiento normal de la turbina de gas, es necesario un mantenimiento cuidadoso y controles regulares de los sistemas de protección y control, realizados por el personal de vigilancia y el ingeniero responsable de la operación de este sistema. La fiabilidad de su funcionamiento depende de la minuciosidad de la inspección de los componentes accesibles de los sistemas de control y protección, la comparación de los indicadores actuales de los dispositivos con los anteriores, la realización de todas las comprobaciones y operaciones previstas por las instrucciones dibujadas. teniendo en cuenta los requisitos de los fabricantes de turbinas de las reglas de tecnología operativa (PTE) y las pautas para pruebas y pruebas. Atención especial la inspección debe centrarse en las posibles fuentes de fugas de aceite. Es necesario monitorear la posición de tuercas, piezas de bloqueo y otros sujetadores en varillas, carretes, ya que estas piezas operan en condiciones de vibración que provocan que se desenrosquen y funcionen mal. Es necesario monitorear el estado mecánico de todos los componentes accesibles: mecanismos de levas, sus ejes, cojinetes, resortes, etc. Se debe prestar especial atención a las vibraciones de los elementos de mando, que pueden provocar la rotura de los ejes de transmisión por fatiga. Es necesario monitorear cambios de presión y pulsaciones en los principales oleoductos de los sistemas de control y protección: líneas de suministro de aceite para lubricación, en líneas de impulsión, líneas de protección y cavidades de servomotores. Un cambio en estas presiones indica anomalías en los sistemas de control, suministro de aceite: fuga de válvulas, sellos de pistones y varillas de servomotor, obstrucción de calzas. Las pulsaciones de los carretes son causadas por una operación anormal del impulsor, contaminación de las líneas de aceite, partículas sólidas entre los carretes y los bujes, mayor contenido de aire en el aceite y otras razones.

Se debe prestar la primera atención del personal operativo para excluir la posibilidad de aceleración de la turbina cuando el generador eléctrico está desconectado de la red, lo cual está garantizado por una densidad suficiente de válvulas de cierre y control y válvulas de retención en las tuberías. La comprobación se realiza cuando la turbina se para al menos una vez al año, y también sin falta al arrancar después de la instalación. Para que la turbina funcione correctamente, el tanque de aceite debe funcionar correctamente, asegurando la conservación a largo plazo del aceite, la separación del aire, los lodos y las partículas sólidas del mismo. El nivel de aceite en el tanque debe revisarse una vez por turno. Al mismo tiempo, es necesario monitorear la funcionalidad de la señalización del nivel mínimo permitido y la diferencia de niveles en los compartimentos sucio y limpio del tanque de aceite. Las bombas de aceite de reserva y de emergencia y los dispositivos para su activación automática deben revisarse periódicamente con una frecuencia de 2 veces al mes. La calidad de los enfriadores de aceite se verifica por la diferencia de presión en la entrada y salida del aceite y el agua de enfriamiento y calentando el agua de enfriamiento y enfriando el aceite. El laboratorio químico de la central eléctrica debe analizar regularmente el aceite de operación para regenerarlo y reemplazarlo a tiempo.

Al observar una turbina en funcionamiento, es necesario prestar atención principalmente al alargamiento relativo del rotor y su desplazamiento axial. Al instalar y reparar la turbina, el rotor en la carcasa se instala de modo que, en condiciones de funcionamiento, cuando estas partes se calientan, hay espacios lo suficientemente pequeños entre ellas, pero excluyendo el roce, de lo contrario, puede ocurrir un accidente grave.

La descarga de la turbina se realiza cerrando gradualmente las válvulas de control (utilizando el mecanismo de control). Se debe prestar especial atención a la reducción relativa del rotor, y si, a pesar de todas las medidas tomadas, la reducción se acerca a un límite peligroso, es necesario detener la descarga y posiblemente incluso aumentar la carga. La carga suele reducirse al 15-20% de la nominal, después de lo cual se detiene el suministro de gas a la turbina. A partir de ese momento, es rotado por un generador con la frecuencia de la red eléctrica. En el breve tiempo especificado en las instrucciones (generalmente unos minutos), debe asegurarse de que la parada, las válvulas de control en las líneas de extracción estén cerradas y el vatímetro muestre energía negativa (consumo de energía de la red). puede apagar el generador de la red. Después de detener el rotor de la turbina, es necesario encender inmediatamente el dispositivo de bloqueo para evitar su desviación térmica. El suministro de aceite no debe cerrarse. Durante las primeras 8 horas, el rotor gira continuamente y luego gira periódicamente 180°. La parada de emergencia de la unidad de turbina se realiza deteniendo inmediatamente el suministro del fluido de trabajo.

Una turbina parada requiere un mantenimiento cuidadoso. El mayor peligro durante el tiempo de inactividad para la turbina y algunos otros elementos de la instalación de la turbina es la corrosión por estacionamiento, cuya principal causa es la presencia simultánea de humedad y aire. Para evitar que esto suceda, es necesario abrir las válvulas que aseguran la comunicación de las piezas con la atmósfera. Cuando se detiene la turbina, se toma la reserva a largo plazo medidas adicionales. Se desconecta de todas las tuberías con tapones. El eje de la turbina también se sella con un cordón, se bombea aceite a través de los cojinetes al menos una vez a la semana para crear una capa protectora de aceite en los muñones de los cojinetes y el rotor gira varias revoluciones mediante un dispositivo de bloqueo. La conservación de turbinas es la forma más efectiva de combatir la corrosión de estacionamiento.

La GTU se ensambla en la planta de turbinas después de que las piezas individuales y los ensamblajes se hayan fabricado en sus talleres. A diferencia de una turbina de vapor, no hay pruebas después del montaje en la planta de GTU. Como resultado, varias unidades transportadas por separado salen de la planta de turbinas para el sitio de instalación de TPP: un grupo turbo (compresor y turbina), dos cámaras de combustión, un tanque de aceite con el equipo instalado, un tubo de entrada del compresor y un difusor de salida. Todas las partes están cerradas con tapones. a diferencia de turbina de vapor s, las turbinas de gas se colocan en centrales térmicas no sobre una base de marco, sino directamente sobre una base de hormigón instalada en el nivel cero de la sala de turbinas. El eje de entrada del compresor está conectado por medio de una caja de aire al KVOU, donde se lleva a cabo una filtración completa del aire, lo que excluye el desgaste de la ruta de flujo del compresor, la obstrucción de los canales de enfriamiento en las palas del rotor y otros problemas. KVOU se coloca en el techo del edificio, salvando el área del edificio. El rotor del generador eléctrico está conectado al extremo de salida del eje del compresor, y un difusor de transición está conectado al difusor de salida de la unidad de turbina de gas, que dirige los gases a la caldera de calor residual.

GTU es un motor universal con varios propósitos. Son los más utilizados en la aviación y el suministro de gas a larga distancia. En la ingeniería de energía estacionaria, las turbinas de gas para diversos fines se utilizan en centrales térmicas. Las turbinas de gas de pico operan durante los períodos de máximo consumo de energía eléctrica. Las turbinas de gas de reserva satisfacen las necesidades propias de las TPP durante el período en que el equipo principal no está en funcionamiento. Las industrias en las que el uso de turbinas de gas crea grandes ventajas incluyen la producción de altos hornos, donde la turbina de gas, siendo el accionamiento del soplador que suministra aire al alto horno, utiliza gas de alto horno, que es un subproducto del alto horno. En el transporte ferroviario, las locomotoras de turbina de gas (locomotoras de turbina de gas) han recibido algún uso en líneas largas. En la marina mercante y marina se utilizan varias turbinas de gas, principalmente en patrulleros ligeros y de alta velocidad, donde significado especial tiene compacidad y pequeña masa del motor El automóvil de turbina de gas se encuentra en la etapa de investigación de muestras experimentales. Los mejores motores experimentales han alcanzado el nivel de los modernos motores de automóviles de gasolina en términos de eficiencia con menos peso.

PLANTAS DE TURBINAS DE GAS (GTU)

Flujo de trabajo de GTU. En las turbinas de gas modernas, se usa un ciclo de combustión en p = const (Fig. 6.5).

El GTP suele incluir una cámara de combustión, una turbina de gas, un compresor de aire, intercambiadores de calor para diversos fines (enfriadores de aire, enfriadores de aceite del sistema de lubricación, intercambiadores de calor regenerativos) y dispositivos auxiliares (bombas de aceite, elementos de suministro de agua, etc.) .

El cuerpo de trabajo de la turbina de gas son los productos de la combustión del combustible, que se utiliza como gas natural, gases artificiales bien purificados (alto horno, horno de coque, generador) y combustible líquido especial para turbinas de gas (motor diesel procesado y aceite solar) .

La mezcla de trabajo se prepara en la cámara de combustión. El volumen de fuego de la cámara (Fig. 20.9) se divide en una zona de combustión, donde el combustible se quema a una temperatura de aproximadamente 2000 ° C, y una zona de mezcla, donde el aire se mezcla con los productos de combustión para reducir su temperatura a 750-1090 ° C en turbinas estacionarias y hasta 1400 ° С - en turbinas de aviación.

El principio de funcionamiento de las turbinas de gas y vapor es el mismo, pero el diseño de la ruta de flujo de las turbinas de gas es mucho más simple. Operan con una caída de calor disponible relativamente pequeña y, por lo tanto, tienen una pequeña cantidad de pasos.

Debido a la alta temperatura de los productos de combustión, los detalles de la trayectoria del flujo de las turbinas (toberas, palas del rotor, discos, ejes) están hechos de aceros aleados de alta calidad. Para un funcionamiento fiable, la mayoría de las turbinas proporcionan un enfriamiento intensivo de las partes más cargadas de la carcasa y el rotor.

En condiciones reales, todos los procesos en una turbina de gas están en desequilibrio, lo que está asociado con pérdidas de trabajo en la turbina y el compresor, así como con la resistencia aerodinámica en el conducto de la turbina de gas. En la fig. 20.10, el proceso de compresión real en el compresor se muestra en la línea 1-2, y el proceso de expansión en la turbina se muestra en la línea 3-4. Los puntos 2a y 4a marcan el estado del fluido de trabajo, respectivamente, al final de la compresión y expansión adiabática de equilibrio, punto O: parámetros ambientales. Debido a las pérdidas de presión en la ruta de succión del compresor (línea 01), el proceso de compresión comienza en el punto 1.

Así, se gasta mucho trabajo en comprimir aire en un ciclo real, y al expandir gas en una turbina se obtiene menos trabajo en comparación con ciclo perfecto. La eficiencia del ciclo es menor. Cuanto mayor sea el grado de aumento de presión π (es decir, cuanto mayor sea p 2), mayor será la suma de estas pérdidas en comparación con el trabajo útil. A un cierto valor de π (cuanto mayor sea, mayor será la Tg y la eficiencia relativa interna de la turbina y del compresor, es decir, menor será la pérdida en ellos), el funcionamiento de la turbina puede llegar a ser igual al trabajo invertido en el accionamiento del compresor, y el trabajo útil es cero.

Por lo tanto, la mayor eficiencia del ciclo real, en contraste con el ideal, se logra en un cierto grado (óptimo) de aumento de presión, y cada valor de Tz tiene su propio π opt (Fig. 20.11). La eficiencia de las turbinas de gas más simples no supera el 14-18%, y para aumentarla, las turbinas de gas se realizan con varias etapas de suministro de calor y enfriamiento intermedio de aire comprimido, así como con calentamiento regenerativo de aire comprimido por escape. gases después de la turbina, acercando así el ciclo real al ciclo de Carnot.

GTP con recuperación de calor residual. El calor de los gases que salen de la turbina de gas se puede utilizar para producir vapor y agua caliente en intercambiadores de calor convencionales. Por lo tanto, las unidades GT-25-700 LMZ están equipadas con calentadores que calientan el agua en el sistema de calefacción hasta 150-160 °C.

Sin embargo, comparativamente nivel alto coeficiente de exceso de aire en la turbina de gas le permite quemar suficiente un gran número de combustible adicional en el entorno de los productos de combustión. Como resultado, de la cámara de combustión adicional posterior a la turbina de gas, salen gases con una temperatura suficientemente alta, adecuados para obtener vapor de parámetros energéticos en un generador de vapor especialmente instalado para este fin. En Karmanovskaya GRES, se está construyendo una caldera para una unidad con una potencia eléctrica de 500 MW de acuerdo con este esquema.

Aplicación de GTU. En los últimos años, las turbinas de gas han sido ampliamente utilizadas en diversos campos: en el transporte, en el sector energético, para el accionamiento de instalaciones estacionarias, etc.

Turbinas de gas de potencia. Una turbina de gas es más pequeña y liviana que una turbina de vapor, por lo que alcanza las temperaturas de funcionamiento mucho más rápido durante el arranque. La cámara de combustión se pone en funcionamiento casi instantáneamente, a diferencia de una caldera de vapor, que requiere un calentamiento lento a largo plazo (muchas horas e incluso decenas de horas) para evitar un accidente debido a alargamientos térmicos desiguales, especialmente un gran tambor. a 1,5 m de diámetro, hasta 15 m de largo, con un espesor de pared superior a 100 mm.

Por lo tanto, las turbinas de gas se utilizan principalmente para cubrir picos de carga y como reserva de emergencia para las necesidades propias de grandes sistemas de potencia, cuando es necesario poner en funcionamiento la unidad con mucha rapidez. La menor eficiencia de la turbina de gas en comparación con la fuente de alimentación no juega ningún papel en este caso, ya que las unidades operan por períodos cortos de tiempo. Tales turbinas de gas se caracterizan por arranques frecuentes (hasta 1000 por año) con un número relativamente pequeño de horas de uso (de 100 a 1500 horas por año). El rango de capacidades unitarias de tales turbinas de gas es de 1 a 100 MW.

Las turbinas de gas también se utilizan para impulsar un generador eléctrico y generar electricidad en instalaciones móviles (por ejemplo, en barcos). Estas turbinas de gas suelen funcionar en un rango de carga del 30 al 110 % de la carga nominal, con arranques y paradas frecuentes. La potencia unitaria de dichas turbinas de gas oscila entre decenas de kilovatios y 10 MW. El rápido desarrollo de las centrales nucleares con reactores refrigerados, por ejemplo, con helio, abre la posibilidad de utilizar GTU de circuito único que funcionen en un ciclo cerrado (el fluido de trabajo no sale de la central).

Un grupo específico de unidades de turbinas de gas de potencia está compuesto por instalaciones que operan en los esquemas tecnológicos de plantas químicas, de refinación de petróleo, metalúrgicas y otras (tecnología energética). Operan en el modo de carga base y, en la mayoría de los casos, están diseñados para impulsar un compresor que proporciona aire comprimido o gas al proceso debido a la energía de expansión de los gases generados como resultado del proceso mismo.

Las turbinas de gas de accionamiento se utilizan ampliamente para impulsar sopladores centrífugos de gas natural en las estaciones de compresión de los oleoductos principales, así como bombas para el transporte de petróleo y productos derivados del petróleo y sopladores en plantas de ciclo combinado. La potencia útil de tales turbinas de gas oscila entre 2 y 30 MW.

Las turbinas de gas de transporte se utilizan ampliamente como motores principales y de poscombustión de aeronaves (turborreactores y turbopropulsores) y barcos de la marina. Esto se debe a la posibilidad de obtener cifras récord en términos de potencia específica y dimensiones totales en comparación con otro tipo de motores, a pesar de un consumo de combustible algo sobreestimado. Las turbinas de gas son muy prometedoras como motores de locomotoras, donde su pequeño tamaño y la falta de requisitos de agua son especialmente valiosos. Las turbinas de gas de transporte operan en una amplia gama de cargas y son adecuadas para forzar a corto plazo.

La potencia unitaria de la turbina de gas aún no supera los 100 MW, y la eficiencia de la planta es del 27-37%. Con un aumento de la temperatura inicial del gas a 1200 °C, la capacidad de la turbina de gas aumentará a 200 MW y la eficiencia de la planta será de hasta 38-40%.

Planta de turbinas de gas es un dispositivo modular universal que combina: un generador eléctrico, una caja de cambios, una turbina de gas y una unidad de control. También, hay equipamiento opcional, tales como: compresor, dispositivo de arranque, intercambiador de calor.

Una planta de turbina de gas puede operar no solo en el modo de generar electricidad, sino también para producir producción conjunta de energía eléctrica con energía térmica.

Según los deseos del cliente, la producción de plantas de turbinas de gas se puede realizar con un sistema universal, cuando los gases de escape se utilizan para producir vapor o agua caliente.

Diagrama de una planta de turbina de gas

Este equipo tiene dos bloques principales: una turbina de tipo potencia y un generador. Se colocan en un bloque.

El esquema de una planta de turbina de gas es muy simple: el gas formado después de que se quema el combustible comienza a contribuir a la rotación de las palas de la propia turbina.

Por lo tanto, se genera un par. Esto conduce a la generación de energía eléctrica. Los gases salientes convierten el agua en vapor en la caldera de calor residual. El gas en este caso funciona con un doble beneficio.

Ciclos de plantas de turbinas de gas

Este equipo se puede hacer con diferentes ciclos trabajo.

Planta de turbina de gas de ciclo cerrado implica lo siguiente: el gas se suministra a través del compresor al calentador (intercambiador de calor), donde el calor se suministra desde fuentes externas. Luego se alimenta a una turbina de gas donde se expande. Esto da como resultado una menor presión de gas.

Después de eso, los gases ingresan a la cámara de refrigeración. El calor se extrae de allí para ambiente externo. Luego, el gas se envía al compresor. A continuación, el ciclo se reinicia. Hoy en día, casi nunca se utilizan equipos similares en el sector energético.

La producción de plantas de turbinas de gas de este tipo se lleva a cabo en tallas grandes. Además, hay pérdidas y bajas valor de eficiencia, que depende directamente de los indicadores de temperatura del propio gas antes de la turbina.

Planta de turbina de gas de bucle abierto se utilizan con mucha más frecuencia. En este equipo, el compresor suministra aire del ambiente, el cual, cuando alta presión entra en una cámara de combustión especialmente diseñada. Aquí es donde se quema el combustible.

La temperatura del combustible orgánico alcanza los 2000 grados. Si lo hace, puede dañar el metal de la cámara. Para evitar esto, se le suministra mucho aire del que necesita (alrededor de 5 veces). Esto reduce significativamente la temperatura del propio gas y protege el metal.

Esquema de una planta de turbina de gas de ciclo abierto

El esquema de una planta de turbina de gas de ciclo abierto es el siguiente: se suministra combustible a quemador de gas(boquilla) ubicada dentro del tubo resistente al calor. Allí también se inyecta aire, tras lo cual se lleva a cabo el proceso de combustión del combustible.

Hay varios de estos tubos y están dispuestos concéntricamente. El aire ingresa a los espacios entre ellos, creando una barrera protectora y evitando el agotamiento.

Gracias a las tuberías y al flujo de aire, la cámara está en protección confiable del sobrecalentamiento. Al mismo tiempo, la temperatura de los gases a la salida es inferior a la del propio combustible.

El metal puede soportar 1000 - 1300°C. Son estos indicadores de temperatura del gas de la cámara los que están presentes en los aparatos modernos de turbinas de gas.

Diferencias entre plantas de turbinas de gas de tipo cerrado y abierto.

La principal diferencia entre las plantas de turbinas de gas de tipo cerrado y abierto se basa en el hecho de que en el primer caso no hay cámara de combustión, sino que se utiliza un calentador. Aquí el aire se calienta, mientras que no participa en el proceso de generación de calor en sí.

Dicho equipo se realiza exclusivamente con combustión, a un valor de presión constante. Aquí se utiliza combustible orgánico o nuclear.

Las unidades nucleares no usan aire, sino helio, dióxido de carbono o nitrógeno. Las ventajas de dicho equipo incluyen la capacidad de utilizar el calor de la descomposición atómica, que se libera en los reactores nucleares.

Debido a la alta concentración del "fluido de trabajo", fue posible lograr lecturas altas del coeficiente de transferencia de calor dentro del propio regenerador. Esto también contribuye a un aumento en el nivel de regeneración en tamaños pequeños. Sin embargo, tal equipo aún no ha sido ampliamente utilizado.

Instalaciones de turbinas de gas de potencia

Las centrales eléctricas de turbinas de gas también se denominan "minicentrales eléctricas de turbinas de gas". Se utilizan como fuentes de suministro permanentes, de emergencia o de respaldo para ciudades y áreas de difícil acceso.

Las centrales eléctricas de turbinas de gas se utilizan en muchas industrias:

• refinación de petróleo;
• producción de gas;
• metalurgia;
• silvicultura y carpintería;
• metalúrgico;
• Agricultura;
• eliminación de desechos, etc

¿Qué tipos de combustibles se utilizan en las turbinas de gas?

Este equipo es capaz de operar con diferentes tipos de combustible.

Las turbinas de gas utilizan los siguientes tipos de combustible:

• gas natural;
• queroseno;
• biogás;
• combustible diesel;
• gas de petróleo de tipo asociado;
• coque, madera, gas de mina y otros tipos.

Muchas de estas turbinas también son capaces de operar con combustibles bajos en calorías que contienen pequeñas cantidades de metano (del orden del 3 por ciento).

Otras características de las plantas de turbinas de gas

Características distintivas de las plantas de turbinas de gas:

• Daño menor causado ambiente. Esto es bajo consumo de aceite. La capacidad de trabajar sobre los residuos de la propia producción. La emisión de sustancias nocivas a la atmósfera es de 25 ppm.
• Pequeñas dimensiones y peso. Esto le permite ubicar este equipo en áreas pequeñas, lo que ahorra dinero.
• Nivel insignificante de ruido, y también vibraciones. Este indicador está en el rango de 80 - 85 dBA.
• La capacidad de los equipos de turbinas de gas para operar con varios combustibles hace posible su uso en casi cualquier industria. Al mismo tiempo, la empresa podrá elegir un tipo de combustible económicamente rentable, en función de las características específicas de sus actividades.
• Funcionamiento continuo con carga mínima. Esto también se aplica al modo inactivo.
• Durante un minuto, este equipo es capaz de soportar un exceso de la corriente nominal en un 150 por ciento. Y dentro de 2 horas - 110%.
• Con un "cortocircuito" simétrico trifásico, el sistema generador puede soportar durante 10 segundos aproximadamente el 300 por ciento de la corriente continua nominal.
• Sin refrigeración por agua.
• Alta fiabilidad operativa.
• Larga vida útil (unas 200.000 horas).
• Uso del equipo en cualquier condición climática.
• Coste de construcción moderado y costes reducidos durante la propia obra, reparaciones y mantenimiento.

La potencia eléctrica de los equipos de turbinas de gas varía desde decenas de kW hasta varios MW. La máxima eficiencia se logra si la planta de turbina de gas opera en el modo de producción simultánea de calor y electricidad (cogeneración).

Debido a la recepción de energía tan económica, es posible amortizar rápidamente este tipo de equipo. La central eléctrica y la caldera de recuperación de gases de escape contribuyen a un uso más eficiente del combustible.

Con las máquinas de turbina de gas, la tarea de obtener alta potencia se ha simplificado mucho. Y cuando se cumplen todas las características térmicas de las turbinas de gas, el valor de una gran eficiencia eléctrica se desvanece en un segundo plano. Si tenemos en cuenta gran importancia temperatura de los gases de escape de los equipos de turbinas de gas, es posible llevar a cabo una combinación del uso de turbinas de gas y vapor.

Dado solución de ingeniería ayuda a las empresas a aumentar significativamente la productividad a partir del uso de combustible y aumentar la eficiencia eléctrica a una marca de 57 a 59 por ciento. Este método es muy bueno, pero genera costos financieros y complejidad en el diseño del equipo. Por lo tanto, a menudo es utilizado solo por grandes industrias.

La relación entre la energía eléctrica producida y la energía térmica en una planta de turbina de gas es de 1 a 2. Así, por ejemplo, si una planta de turbina de gas tiene una capacidad de 10 megavatios, entonces es capaz de generar 20 MW de energía térmica. Para convertir Megavatios a gigacalorías, debes usar un coeficiente especial, que es igual a 1.163.

Dependiendo de las necesidades exactas del cliente, los equipos de turbinas de gas pueden equiparse adicionalmente con calentamiento de agua y calderas de vapor. Esto le permite obtener vapor con diferentes presiones, que se utilizarán para resolver varios problemas de producción. Además, te permite obtener agua caliente, que tendrá una temperatura estándar.

Durante la operación combinada de dos tipos de energía, es posible obtener un aumento en el factor de utilización de combustible (FUFR) de una central térmica de turbina de gas de hasta un 90 por ciento.

Al utilizar plantas de turbinas de gas en forma de equipos de tipo energético para potentes centrales térmicas, así como mini-CHP, obtendrá una solución económica justificada. Esto se debe al hecho de que hoy en día casi todas las centrales eléctricas funcionan con gas. Tienen un costo unitario muy bajo para el consumidor en términos de construcción y bajos costos durante el uso posterior.

Superfluo, e incluso gratuito, energía térmica le permite configurar la ventilación (aire acondicionado) sin ningún costo de electricidad locales industriales. Y esto se puede hacer en cualquier época del año. El refrigerante enfriado de esta manera se puede utilizar para diversas necesidades industriales. Este tipo de tecnología se denomina "trigeneración".

Plantas de turbinas de gas en la exposición

El complejo central del Expocentre Central Exhibition Complex es un sitio muy cómodo, que se encuentra en Moscú, cerca de las estaciones de metro Vystavochnaya y Delovoy Tsentr.

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Tal modernización de la producción no puede ser ignorada por los consumidores de sus servicios y bienes. Dicho equipo puede reducir significativamente el costo y los costos de la energía eléctrica.

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PLANTA DE TURBINAS DE GAS

INTRODUCCIÓN

En las primeras etapas del desarrollo de las turbinas de gas, se utilizaron dos tipos de cámaras de combustión para la combustión de combustible. En la cámara de combustión del primer tipo, el combustible y el oxidante (aire) se suministraron continuamente, su combustión también se mantuvo continuamente y la presión no cambió. En la cámara de combustión, el segundo tipo de combustible y comburente (aire) se suministraron en porciones. La mezcla se encendió y quemó en un volumen cerrado, y luego los productos de combustión ingresaron a la turbina. En una cámara de combustión de este tipo, la temperatura y la presión no son constantes: aumentan considerablemente en el momento de la combustión del combustible.

Con el tiempo, se revelaron las indudables ventajas del primer tipo de cámaras de combustión. Por lo tanto, en las turbinas de gas modernas, el combustible se quema en la mayoría de los casos a una presión constante en la cámara de combustión.

Las primeras turbinas de gas tenían baja eficiencia, ya que las turbinas de gas y los compresores eran imperfectos. Con la mejora de estas unidades, las plantas de turbinas de gas aumentaron su eficiencia y se volvieron competitivas con respecto a otro tipo de motores térmicos.

En la actualidad, las unidades de turbina de gas son el principal tipo de motores utilizados en la aviación, debido a la simplicidad de su diseño, la capacidad de ganar carga rápidamente, alta potencia con bajo peso y la posibilidad de automatización total del control. Un avión propulsado por un motor de turbina de gas voló por primera vez en 1941.

En el sector de la energía, las turbinas de gas funcionan principalmente en un momento en que el consumo de electricidad aumenta considerablemente, es decir, durante los picos de carga. Aunque la eficiencia de las turbinas de gas es menor que la de las plantas de turbinas de vapor (a una potencia de 20–100 MW, la eficiencia de las turbinas de gas alcanza el 20–30 %), su uso en modo pico resulta beneficioso, ya que hasta toma mucho menos tiempo.

En algunas turbinas de gas pico, los motores turborreactores de aviones que han cumplido su tiempo en la aviación se utilizan como fuentes de gas para la turbina que hace girar el generador eléctrico. Junto con los motores de combustión interna, las turbinas de gas se utilizan como motores principales en las centrales eléctricas móviles.

En procesos tecnológicos de refinería de petróleo y industrias químicas residuos combustibles se utilizan como combustible para turbinas de gas.

Las plantas de turbinas de gas también se utilizan ampliamente en el transporte ferroviario, marítimo, fluvial y por carretera. Entonces, en hidroalas y aerodeslizadores de alta velocidad, las GTU son motores. En vehículos pesados, se pueden utilizar como motor principal y auxiliar, diseñados para suministrar aire al motor de combustión interna principal y funcionar con sus gases de escape.

Además, las turbinas de gas funcionan como impulsores de los sopladores de gas natural en los gasoductos principales y como generadores eléctricos de respaldo para las bombas contra incendios.

! La dirección principal en la que se está desarrollando la industria de turbinas de gas es aumentar la eficiencia de las turbinas de gas aumentando la temperatura y la presión del gas frente a la turbina de gas. Para ello, se desarrollan sistemas de refrigeración complejos para las partes más solicitadas de las turbinas o se utilizan nuevos materiales de alta resistencia: a base de níquel resistente al calor, cerámica, etc.

Las plantas de turbinas de gas suelen ser confiables y fáciles de operar, sujetas a la estricta observancia de las reglas y modos de operación establecidos, cuya desviación puede causar la destrucción de las turbinas, falla del compresor, explosiones en las cámaras de combustión, etc.

ELEMENTOS PRINCIPALES DE LA PLANTA DE TURBINA DE GAS

INFORMACIÓN GENERAL SOBRE LA PLANTA DE TURBINAS DE GAS

motor de turbina de gas(GTE): uno de los tipos de motores térmicos en los que el gas se comprime y calienta, y luego la energía del gas comprimido y calentado se convierte en Trabajo mecánico en el eje de la turbina de gas. Una planta de turbina de gas consta de tres elementos principales: una turbina de gas, cámaras de combustión y un compresor de aire.

La transformación del calor en trabajo se realiza en varios equipos GTE (Fig. 1)

Arroz. 1. Esquema de un motor de turbina de gas:

TN - bomba de combustible; CS - cámara de combustión; K - compresor; T - turbina; EG - generador eléctrico.

El combustible y el aire comprimido son suministrados a la cámara de combustión por una bomba de combustible después del compresor. El combustible se mezcla con aire, que sirve como agente oxidante, se enciende y se quema. Productos puros de combustión también se mezclan con aire para que la temperatura del gas obtenido después de la mezcla no supere un valor predeterminado. Desde las cámaras de combustión, el gas ingresa a la turbina de gas, que está diseñada para convertir su energía potencial en trabajo mecánico. Al realizar trabajo, el gas se enfría y su presión disminuye a la presión atmosférica. Desde la turbina de gas, se libera gas al medio ambiente.

El aire limpio entra al compresor desde la atmósfera. En el compresor, su presión aumenta y la temperatura sube. El accionamiento del compresor tiene que tomar una parte significativa de la potencia de la turbina.

Las plantas de turbinas de gas que operan de acuerdo con este esquema se denominan plantas de circuito abierto. La mayoría de las turbinas de gas modernas funcionan de acuerdo con este esquema.

Arroz. 2. Ciclo del motor de turbina de gas.

Reemplazando la combustión de combustible con aporte de calor isobárico (línea 2-3 en la Fig. 2), y el enfriamiento de los productos de combustión emitidos a la atmósfera con la eliminación de calor isobárico (línea 1-4), obtenemos el ciclo GTE:

1-2 - compresión del fluido de trabajo desde la presión atmosférica hasta la presión en el motor;

2-3 - combustión en la cámara;

3-4 - el proceso de expansión adiabática del fluido de trabajo;

4-1 - los gases de escape se liberan a la atmósfera

Además, aplicar turbinas de gas cerradas(Fig. 3). Las turbinas de gas cerradas también tienen compresor 3 y turbina 2 . Se utiliza la fuente de calor 1 en lugar de la cámara de combustión , en el que se transfiere calor al fluido de trabajo sin mezclarse con el combustible. Se puede utilizar aire, dióxido de carbono, vapor de mercurio u otros gases como fluido de trabajo.

El fluido de trabajo, cuya presión aumenta en el compresor, se calienta en la fuente de calor 1 y entra en la turbina 2 , en el que da su energía. Después de la turbina, el gas ingresa al intercambiador de calor intermedio 5 (regenerador), en el que calienta el aire y luego se enfría en el enfriador 4 , ingresa al compresor 3 y se repite el ciclo.Como fuente de calor, se pueden usar calderas especiales para calentar el cuerpo de trabajo con la energía del combustible quemado o los reactores nucleares.

Arroz. 3. Esquema de un motor de turbina de gas que funciona en un ciclo cerrado: 1 - calentador de superficie; 2 - turbina; 3 - compresor; 4 - enfriador; 5 - regenerador; 6 - acumulador de aire; 7 - compresor auxiliar.