Principiul de funcționare și eficacitatea turbinelor cu gaze

Turbinele cu gaze sunt motoare de combustie alcătuite din trei componente: un compresor preliminar, camera de combustie centrală și turbina efectivă (Fig. 1). Designul, performanța și dimensiunea turbinelor cu gaze diferă în funcție de aplicație și de domeniul de utilizare. Cu toate acestea, principiul lor de funcționare rămâne întotdeauna același și se bazează pe procesul ciclului termodinamic al James Prescott Joule („procesul Joule”).

Aerul este comprimat prin una sau mai multe trepte ale compresorului, se amestecă apoi cu combustibilul gazos sau lichid în camera de combustie, se aprinde și arde. Din amestecul de aer comprimat și gaz de combustie se obține un gaz fierbinte, care atinge temperaturi de până la +1.000 °C și care iese spre turbina din aval și se dilată. Energia termică este convertită în energie mecanică.

Ulterior, în turbina de expansiune, gazul de evacuare fierbinte, bogat în energie, se dilată aproape la presiunea ambientală, pierzând din viteză. În timpul procesului de expansiune, gazele de evacuare transferă putere turbinei. Aproximativ 2/3 din această putere este necesară pentru a acționa compresorul (admisia de aer). Un generat conectat direct (Fig. 1 - pct 1 ) convertește energia mecanică în energie electrică.

Aproximativ ¹/₃ din puterea de ieșire rămâne disponibilă în partea cu presiune joasă pentru un al doilea sistem de acționare, de exemplu, pentru acționarea unui generator, rotor, compresor sau a unei pompe, înainte ca gazul fierbinte să fie redirecționat spre un cazan recuperator de căldură aflat în aval (Fig. 1 - pct 11 ) având rol de încălzire a clădirilor.
 

Fig. 1: Procesul de combustie schematic al unui turbine cu gaze cu cazan recuperator. Monitorizarea procesului de combustie în punctul de măsurare 1 (M1), monitorizarea valorilor limită ale emisiilor în punctul de măsurare 2 (M2).


Fig. 3: Gradul de eficacitate al procesului unei turbine cu gaze simple

Gradul de eficacitate al procesului unei turbine cu gaze simple

Eficacitatea unei turbine cu gaze depinde, înainte de orice altceva, de temperatura din camera de combustie. Cu cât temperatura este mare cu atât mai mare va fi gradul de eficacitate. Materialele inovatoare folosite la paletele turbinei, scuturile de căldură ceramice sau paletele turbinei cu sisteme de răcire sofisticate permit azi temperaturi de până la aprox. +1.500 °C, care într-o turbină mare pot însemna un randament de peste 300 megawați și o eficacitate de până la 40%. În comparație cu gradele de eficacitate ale turbinelor cu abur, care pot depăși 60% în domeniul de temperatură joasă, aceste valori nu par a fi mari.

Cu toate acestea, puterea turbinelor cu gaze stă în temperatura relativ mare a gazelor de evacuare și în viteza cu care ating acest randament de vârf.  Turbinele cu gaze pot porni în doar câteva minute, având o viteză mare de schimbare a randamentului, frecvent cu peste 10% din randamentul maxim per minut.  
Combinarea turbinelor cu gaze și cu abur (centrală de cogenerare cu ciclu combinat CCGT) are un nivel ridicat de eficiență electrică, întrucât gazul fierbinte din procesul de combustie al turbinei cu gaze poate fi folosit pentru încălzirea cazanului cu abur.
 

Posibilități de creștere a eficienței

Eficiența turbinelor cu gaze poate fi mărită prin măsurarea și reglarea emisiilor turbinei (O₂, CO, NO și NO₂ (Fig. 1 - pct M1 ) și prin ajustarea optimă a diferitelor puncte de sarcină. La rândul său, proiectarea afectează și ea eficacitatea unei turbine.  În turbinele cu gaze, mai complexe din punct de vedere mecanic, având un dublu sistem de acționare, compresorul și turbina funcționează pe doi arbori diferiți, care se rotesc, de regulă, la  viteze diferite.

Prin reglarea numărului de rotații, eficacitatea poate crește și mai mult. În cazul în care compresorul și turbina sunt pe același arbore, așa cum este cazul turbinelor cu un singur sistem de acționare, creșterea mecanică a eficacității nu este posibilă.


Comportamentul emisiilor turbinelor cu gaze

Gazele de evacuare și proprietățile lor

În timpul procesului de combustie se degajă în special oxizilor de azot (NOX) și hidrocarburi (CXHY). Principalele emisii (CO₂, N₂, H₂O și O₂) sunt prezente în concentrații Vol.%. Pe lângă acestea, se formează cantități mai mici de poluanți (CO, HC, NOX, SOX) și particule în concentrații ppm, precum și compuși organici volatili (VOC), poluanți periculoși ai aerului (HAP) și particule fine (PM). În funcție de conținutul de sulf din combustibilul utilizat, apar emisii de sulf VOC (preponderent SO₂).

Formarea oxizilor de azot depinde de raportul combustibil/aer și de temperatura de combustie. NOX crește odată cu temperatura din camera de combustie, și exponențial cu creșterea temperaturii aerului de admisie al arzătorului, presiunii de intrare în camera de combustie și duratei zonei de flacără. Prin creșterea injecției de apă sau abur, NOX scade exponențial, la fel și prin creșterea umidității specifice.

Majoritatea turbinelor cu gaze funcționează cu o cantitate mare de exces de aer. O parte din acest aer poate fi dirijat spre capătul flăcării, reducând astfel temperatura flăcării. Prelungirea zonei de flacără reduce, de asemenea, lungimea flăcării și, prin urmare, scurtează durata în care o moleculă de gaz rămâne la temperaturi ce favorizează formarea de NOX.

După atingerea temperaturii stoichiometrice a flăcării, producția de NOX termic accelerează. Cea mai mare provocare în reglarea turbinelor cu gaze constă în faptul că o creștere a raportului combustibil/aer spre un amestec „slab” (mai mult oxigen) reduce formarea de NO însă crește emisiile de CO.
 

Analizarea corectă a concentrațiilor gazelor de evacuare

Concentrația de gaze de evacuare eliberate oferă informații importante despre eficiența combustiei și despre modul în care aceasta poate fi crescută. Conținutul de O₂ din gazele de ardere poate fi folosit pentru a analiza raportul combustibil/aer, de exemplu. Valorile pentru CO și NOX oferă informații despre starea curentă a sistemului și despre respectarea valorilor limită privind emisiile.

Aportul de aer și temperatura corelată a camerei de combustie influențează comportamentul emisiilor de la turbina cu gaze: crescând aportul de aer, temperatura din camera de combustie scade. Un aport de aer mare împreună cu scăderea aferentă a temperaturii din camera de combustie determină așadar o reducere a emisiilor de NOX, deoarece se formează mai puțin NOX termic. Dacă temperatura se reduce și mai mult, emisiile de NOX termic sunt eliminate în mare măsură. Valori foarte mici de CXHY (de exemplu, metan) pot fi obținute în condiții bune printr-un raport bun al amestecului de combustibil/aer. Un surplus prea mare de oxigen însă cauzează o temperatură de combustie insuficient de mare, astfel încât temperatura flăcării nu mai este suficientă pentru a arde întreaga cantitate de combustibil (HC). Drept consecință, oxidarea CO este incompletă ceea ce duce, la rândul său, la o nouă creștere a CO. Cu toate acestea, valorile mărite ale CXHY și ale poluanților precum VOC, HAP și PM sunt, în principal, rezultatul unei combustii incomplete.

Pentru a obține un comportament optim al emisiilor, domeniul de lucru trebuie să fie întotdeauna între deficit de aer („bogat”) și surplus de aer („slab”). În vederea respectării valorilor limită privind emisiile și asigurării funcționării economice a instalației, parametrii gazelor de evacuare trebuie măsurați cu regularitate și instalația trebuie reglată în consecință.  Respectarea ambelor cerințe nu este întotdeauna ușoară, deoarece poate apărea un conflict între obiectivele de respectare a valorilor limită privind emisiile și eficiența energetică maximă. Soluția este însă o instalației reglată optim.

Provocări în punerea în funcțiune, operarea și întreținerea turbinelor cu gaze

Măsurarea cu precizie la concentrații ale gazelor foarte mici și foarte mari

În măsurarea emisiilor la turbinele cu gaze, provocarea constă în măsurarea nu doar a concentrațiilor foarte mari ci și a celor foarte mici.  La punctul de operare corect, turbinele cu gaze reglate în mod optim emit doar niveluri reduse de CO și NOX. Cu toate acestea, pot apărea concentrații mari de gaze, de exemplu atunci când instalația este pornită în vederea verificării și emisiile se măsoară la diferite niveluri de sarcină.  În special în etapa de pornire are loc un maxim al concentrației de gaze care nu poate fi compensat printr-un senzor de tip low fără diluție.

Pentru a obține o precizie de măsurare cât mai mare posibil în domeniul de măsurare redus, factorii de influență asupra umidității gazelor de evacuare trebuie reduși. Acești factori de influență includ, în principal, diluția parametrilor gazelor de evacuare (starea gazoasă) precum și lixivierea datorată reacțiilor chimice dintre gazele de ardere și condens (starea lichidă). Sistemele cu funcția de pregătire a gazului precum analizorul de emisii testo 350 previn o diluție a valorilor măsurate prin acțiunea umidității, precum și absorbția de NO₂ de către condensul din gazele de evacuare.

Reducerea emisiilor de oxizi de azot

Arzătoarele cu poluare redusă emit niveluri scăzute de NOX, negru de fum și CO. În special cerințele pentru NOX devin din ce în ce mai stringente. Pentru a preveni sau reduce formarea de NOX, se pot folosi proceduri umede sau uscate.

În cazul combustibililor lichizi, oxizii de azot se pot reduce doar prin proceduri umede. În acest caz, combustibilul este pre-amestecat cu apă sau vapori de apă. Modernizarea acestor instalații nu este complicată, însă trebuie să se asigure că apa preparată are un conținut redus de sare. Procedurile umede au un consum de apă mare de aproximativ 25 m³/h la 100 MW , și reduc eficiența instalației cu 5 % – cu excepția producției de abur cu recuperarea căldurii.

Procedurile uscate sunt comparativ mai ușoare deoarece nu necesită niciun efort în ceea ce privește aparatajul sau logistica. Acest proces este frecvent denumit „denitrificare” cu toate că nu azotul este cel care face obiectul procesului de spălare ci oxizii de azot. În denitrificarea gazelor de evacuare (cunoscută și ca DeNOX), NO și NOX sunt scoși din gazele de evacuare ale turbinei cu gaze prin măsuri primare sau secundare. Prin măsurile primare, formarea de NO termic este suprimată în mare măsură prin optimizarea procesului de combustie. Măsurile secundare constau în procese de separare. NOX din gazele de evacuare este redus prin absorbție, prin injectarea unui solvent sau prin reducerea NO elementar (de exemplu prin injectarea de amoniac).

Pierderea de presiune în camera de combustie

Întrucât căldura nu se degajă uniform pe parcursul procesului de combustie, apar modificări de presiune în camera de combustie.  La anumite frecvențe, aceste modificări de presiune se pot amplifica în impulsuri cu efecte distructive, deteriorând instalația.  

Pierderea de presiune în camera de combustie este o provocare fundamentală, deoarece are efecte asupra consumului de combustibil și puterii de ieșire. Pierderea totală de presiune este de regulă în intervalul 2-8% din presiunea statică.  Această pierdere corespunde cu cea a reducerii randamentului compresorului. Rezultă o creștere a consumului de combustibil și un randament redus al instalației.
La fel de importanți sunt și factorii privind funcționarea satisfăcătoare și durata de viață utilă a camerei de combustie. Flacăra trebuie să fie auto-sustenabilă și combustia stabilă în domeniul raporturilor combustibil/aer pentru a preveni pierderea aprinderii în timpul operării tranzitorii.

Pentru a asigura o durată de viață lungă, este nevoie de temperaturi moderate ale metalelor, iar gradientele de temperatură abrupte care cauzează fisuri trebuie evitate.  Depunerile de calamină pot deforma secțiunea intermediară și pot modifica tiparul de curgere cauzând pierderi de presiune.  Fumul, pe de altă parte, trebuie evitat din rațiuni de mediu, la fel și contaminarea schimbătorului de căldură. Reducerea la minim a depunerilor de calamină și emisiilor de fum asigură totodată și o funcționare satisfăcătoare.