1

184Capitolul 10

183Capitolul 10

10. CICLUL COMBINAT GAZE-ABUR FR POSTCOMBUSTIE (STAG).10.1 Concepia general de realizare a unui STAGGazele de ardere evacuate din ITG conin suficient cldur i au un potenial termic suficient de ridicat pentru a putea fi folosite n scopul producerii de abur. n Figura 10.1 este prezentat schema de principiu pentru un ciclu combinat gaze-abur fr postcombustie.

Fig. 10.1 Schema de principiu pentru un ciclu combinat gaze-abur fr postcombustieITG - instalaie de turbin cu gaze; GR generator de abur recuperator; TA - turbin cu abur;

C - condensator de abur; PA - pomp de alimentare

a - aer; b - combustibil; c - gaze de ardere; d - abur; e - ap de alimentare

Gazele de ardere evacuate din ITG sunt introduse n generatorul de abur recuperator unde cedeaz cldur ctre agentul ap-abur. Aburul astfel produs evolueaz n ciclul termodinamic inferior, dezvoltnd lucru mecanic n turbina cu abur.

Instalaia de turbin cu abur (ITA) este total subordonat fa de ITG, neputnd funciona singur. n schimb, ITG poate s lucreze independent. n acest caz gazele de ardere vor fi evacuate n atmosfer prin intermediul unui co de by-pass, ocolind generatorul de abur.

10.2 Analiza energetic a STAG

Pentru analiza performanelor STAG se definesc urmtoarele fluxuri energetice:

Puterea termic intrat cu combustibilul n ciclul cu gaze:

(10.1)

unde: - debitul de combustibil;

- puterea calorific inferioar a combustibilului.

Puterea termic prelevat de la sursa cald de fluid de lucru al ITG:

(10.2)

unde: - randamentul camerei de ardere a ITG.

Lucrul mecanic produs de ciclul termodinamic aferent ITG:

(10.3)

unde : - randamentul termic al ITG.

Puterea electric produs la bornele generatorului electric al ITG:

(10.4)

unde: - randamentul mecanic al ITG; - randamentul transmisiei dintre ITG i generatorul electric; - randamentul generatorului electric aferent ITG.

Puterea termic evacuat din ciclul termodinamic aferent ITG:

(10.5)

Puterea termic intrat n ciclul cu abur:

(10.6)

unde este gradul de recuperare al cldurii din gazele de ardere evacuate din ITG:

(10.7)

Notaiile din relaia 10.7 corespund Figurii 10.1.

Puterea termic preluat de agentul ap-abur:

(10.8)

unde : - randamentul transferului de cldur n generatorul de abur recuperator

Lucrul mecanic produs n turbina cu abur:

(10.9)

unde : - randamentul termic al instalaiei de turbin cu abur (ITA).

Putere electric produs la bornele generatorul electric al ITA:

(10.10)

unde : - randamentul mecanic al turbinei cu abur; - randamentul generatorului electric aferent TA.

Figura 10.2 prezint n mod sintetic fluxurile energetice din cadrul STAG, exprimate prin relaiile de mai sus.

Fig. 10.2 Bilanul energetic al STAG- pierderi energetice aferente randamentelor definite n relaiile 10.1 - 10.10.

- pierderi la sursa rece a ciclului cu abur (condensator);

Combinnd relaiile 10.1 10.10, se pot exprima urmtoarele mrimi care descriu performanele unui ciclu combinat gaze-abur fr postcombustie:

Puterea electric total produs de ciclul combinat:

(10.11)

Randamentul electric brut al ciclului combinat:

(10.12)

Raportul puterilor electrice :

(10.13)

Pentru a pune mai bine n eviden relaia ntre cele dou cicluri se prezint o aplicaie numeric pentru care se cunosc urmtoarele date iniiale de calcul:

(legtur rigid ntre ITG i GE corespunztor)

Rezult:

Ordinul de mrime al valorilor din aplicaia numeric de mai sus este ntlnit n mod uzual n calculele aferente instalaiilor existente. Din analiza rezultatelor se pot trage urmtoarele concluzii generale:

Dei ciclul cu gaze, respectiv cu abur, au n general randamente mai mici de 40 %, randamentul global al STAG poate depi cu uurin 50%. Acest salt de randament este o consecin direct a efectului de cascad termodinamic n care ciclurile componente sunt nseriate.

Ciclul cu abur este strict recuperativ. Pentru ca s aib o valoare ct mai ridicat este necesar ca temperatura apei de alimentare a cazanului recuperator s fie ct mai sczut. n felul acesta poate fi asigurat o rcire corespunztoare a gazelor de ardere evacuate la co (scade). Deci gradul de prenclzire regenerativ trebuie s fie foarte mic n cazul STAG, rezultnd un randament termic relativ cobort pentru ITA. Pe ansamblu ns, scderea temperaturii de alimentare a GR conduce la o cretere a produsului , respectiv a .

Puterea electric a ITG este de aproximativ dou ori mai mare dect a ITA. n condiiile n care puterea ITG este limitat, obinerea unei puteri unitare mari pentru STAG trebuie realizat prin cuplarea a dou sau mai multe grupri ITG - GR cu o singur ITA (vezi Figura 10.3).

Fig. 10.3 Configuraie STAG cu dou grupri ITG - GR10.3 Componentele STAG

10.3.1 Generatorul de abur recuperator

Generatorul de abur recuperator reprezint( interfaa ntre ciclul cu gaze (i cel cu abur. El este format din fascicule de evi prin care circul( agentul ap-abur, splate la exterior de fluxul de gaze de ardere. Ca (i (n cazul generatoarelor de abur convenionale, se ntlnesc patru tipuri posibile de suprafee de schimb de cldur convective:

Economizorul (ECO): apa este adus( p(n( aproape de temperatura de satura(ie.

Vaporizatorul (VAP): apa trece (n stare de vapori satura(i.

Supranclzitorul primar (S(): vaporii de ap( sunt adu(i la temperatura de ieire din cazan.

Supranclzitorul intermediar(S(I): dup( destinderea (n primul corp de turbin aburul este renclzit.

Fa de un generator de abur convenional deosebirea major const n dispunerea suprafeelor de schimb de cldur. Nivelul de temperatur al gazelor de ardere recuperate din diverse procese industriale este n general de ordinul sutelor de grade i nu favorizeaz schimbul de cldur prin radiaie. Astfel, amplasarea suprafeelor de schimb de cldur va depinde doar de nivelul termic care trebuie atins pe parte de agent ap-abur. Acestea sunt nseriate n raport cu direcia de curgere a gazelor de ardere nct, la limit, generatorul de abur poate fi considerat un schimbtor de cldur n contracurent. n Figura 10.4 este prezentat n mod schematic amplasarea suprafeelor de schimb de cldur pentru acest tip de generator de abur.

Unul din elementele care difereniaz din punct de vedere constructiv (i funcional generatoarele de abur recuperatoare este tipul circula(iei agentului ap( - abur (n sistemul vaporizator. Soluiile ntlnite (n mod uzual sunt cele cu circula(ie natural(, respectiv cu circula(ie forat( multipl.

n prima variant circula(ia (n sistemul vaporizator se face pe baza diferenei de densitate ntre apa care coboar (i emulsia ap-abur care urc( spre tambur. nlimea evilor vaporizatorului trebuie s( fie suficient de mare, impunnd o dispunere pe orizontal( a cazanului din punct de vedere al traseului de gaze de ardere (Figura 10.5). n acest caz evile care formeaz suprafeele de schimb de cldur sunt dispuse vertical, fiind suspendate de plafonul cazanului.

Pentru generatoare de abur cu circula(ie forat multipl, prezena pompei de circula(ie (n sistemul vaporizator reduce nlimea necesar( pentru evile acestuia. Cazanul recuperator poate fi dispus (n acest caz pe vertical( (Figura 10.6). evile prin care circul( agentul ap-abur sunt dispuse pe orizontal(, susinerea fiind asigurat( de supori verticali. Se menioneaz faptul c n ultima perioad de timp au fost dezvoltate i o serie de generatoare de abur recuperatoare prevzute cu circulaie forat unic n sistemul vaporizator.

Fig. 10.4 Amplasarea suprafeelor de schimb de cldur ntr-un generator

de abur recuperator

n general temperaturile pe parte de agent primar sunt suficient de mici astfel nct s nu fie necesar o protejare prin rcire a pereilor canalelor de gaze de ardere. Acetia sunt confecionai din materiale uoare care au drept principal obiectiv reducerea pierderilor de cldur n mediul nconjurtor.

Fig. 10.5 Schi(a unui generator de abur recuperator cu circula(ie natural(

T - tambur

Fig. 10.6 Schi(a unui generator de abur recuperator cu circula(ie forat multipl

T - tambur; PC - pomp de circula(ie.

10.3.2 Instalaia de turbin cu abur

n cadrul unui STAG se disting dou posibiliti de dispunere a turbinei cu abur:

Turbina cu abur este dispus( pe o linie de arbori separat( (n raport cu ITG

ITG (i turbina cu abur sunt dispuse pe aceea(i linie de arbori.

Cea de-a doua soluie prezint( o serie de avantaje (n raport cu prima:

Permite realizarea unor scheme compacte ale STAG.

Se obine o reducere a investi(iei iniiale de 2 - 4 procente. Reducerea se datoreaz (n primul rnd faptului c( se folosete o singur( gospodrie de ulei, un singur generator electric (i un singur transformator bloc

n Figura 10.7 sunt prezentate diferite modaliti pentru o astfel de amplasare, iar n Figurile 10.8 - 10.11 sunt date vederi pentru diverse tipuri de cicluri combinate.

Fig.10.7 Modaliti de dispunere a ITG (i TA pe aceea(i linie de arbori1 - lagr axial; 2 - cupl rigid(; 3 - ambreiaj; 4 - cupl elastic(;

TA - turbin cu abur; G generator electric

n cazul dispunerii pe o singur linie de arbori una din problemele importante este comportarea turbinei cu abur la pornire. Lansarea acestuia are loc pe baza energiei primite de la ITG, nainte de admisia aburului. Exist pericolul ca (n zona corpului de joas presiune s( apar( supranclziri datorit( frecrii paletelor cu aerul care staioneaz. Ca urmare, este nevoie de o surs exterioar de abur pentru rcirea acestui corp (n momentele de pornire. O alt( variant o reprezint( utilizarea unui cuplaj de tip ambreiaj ntre turbina cu abur (i generatorul electric, astfel nct ITG s( porneasc independent. Ulterior, dup( ce a demarat produc(ia de abur (n GR, urmeaz s( intre (n funciune (i TA.

Unul din elementele care pot diferenia turbinele cu abur caracteristice STAG, fa(( de cele convenionale, este dispunerea condensatorului. Astfel, pe lng dispunerea clasic(, cu condensatorul suspendat sub corpul de joas presiune, se mai pot adopta (i variantele cu dispunere axial( la e(apare (cazul cu un singur flux de joas presiune) sau lateral(. In Figura 10.12 sunt prezentate aceste ultime dou variante.

Fig. 10.8 STAG cu dou linii de arbori (dou ITG pentru o ITA)

Fig. 10.9 STAG cu o linie de arbori (o ITG pentru o ITA)

Fig. 10.10 Vedere de sus STAG cu dispunere pe mai multe linii de arbori

Fig. 10.11 Seciune printr-un STAG cu dispunere pe o singur linie de arbori

1 aspiraie aer n ITG; 2 ITG; 3 generator electric; 4 generator de abur;

5 turbin cu abur; 6 condensator de abur cu dispunere axial

Fig. 10.12 Moduri de dispunere a condensatorului turbinei cu abura - dispunere axial(; b - dispunere lateral(K - condensator, G - generator electric, TA - turbin cu abur; CJP - corp de joas presiune.

n varianta cu condensator axial, acesta este parte integrant( a CJP, participnd mpreun la procesul de deplasare axial(. n acest caz, generatorul electric este situat la partea dinspre corpul de (nalt( presiune.

Aceste dou moduri de dispunere a condensatorului permite poziionarea turbinei cu abur la o cot( foarte joas, rezultnd economii (n ceea ce privete partea de construcii. n plus, se obine o form simetric( a turbinei, cu efecte favorabile asupra tensiunilor termice care pot apare (n cursul unei porniri rapide.

n dorina de a recupera o cot( c(t mai mare din cldura gazelor de ardere, temperatura apei de alimentare a GR trebuie meninut la valori c(t mai cobor(te. Meninerea unei temperaturi de alimentare a GR relativ sczut va influena (i modul de realizare al degazrii. Unele variante propun renunarea la degazorul termic, degazarea efectundu-se parial (n condensator, parial (n tamburul generatorului de abur. Nu este exclus( (i folosirea unei degazri chimice. Alt( modalitate ar fi utilizarea degazoarelor subatmosferice, ns acestea pun probleme din punct de vedere al gabaritului (i al meninerii vidului.

10.4 Realizri n domeniul STAG

Fa de alte filiere de producere a energiei pe baz de combustibili fosili STAG prezint o serie de avantaje certe: STAG atinge cele mai mari valori privind eficiena de conversie a energiei nglobate ntr-un combustibil fosil n energie electric (vezi Figura 10.13).

STAG are o durat relativ scurt de construcie i montaj fa de celelalte tipuri de centrale. n plus, exist posibilitatea ca partea de ITG (care reprezint aproximativ 2/3 din puterea total) s fie pus n exploatare mai repede, urmnd ca ulterior s fie conectat i partea de abur. Recuperarea investiiei poate ncepe foarte repede, odat cu punerea n funciune a ITG.

Tendina actual, regsit i n legislaie, este de a minimiza impactul pe care o central electric l are asupra mediului nconjurtor. Unul din principalele obiective este reducerea emisiilor de noxe n atmosfer. Din acest punct de vedere STAG prezint anumite avantaje:

Funcionarea ITG, respectiv STAG, este condiionat de existena unui combustibil "curat", emisiile de SO2, cenu, metale grele etc., fiind sensibil diminuate.

n domeniul reducerii emisiei de NOX deosebit de eficiente s-au dovedit tehnicile aplicate la ITG: injecii cu ap sau abur n camera de ardere, camere de combustie cu ardere n trepte etc.

Eficiena deosebit de ridicat a STAG contribuie la reducerea emisiilor de CO2. Acelai efect l are i utilizarea unor combustibili cu raport mic ntre numrul de atomi de carbon, respectiv hidrogen (ex. gazul metan).

O alt problem este constituit de evacuarea cldurii din central. Din nou STAG, prin nalta sa eficien, este avantajat. O mare parte din energia primar este transformat n energie electric, reducndu-se corespunztor cota de cldur evacuat n mediul nconjurtor. Necesarul de ap de rcire n cazul STAG este sensibil mai mic dect la CCA.

Toate cele artate mai sus relev faptul c STAG prezint reale avantaje fa de alte categorii de centrale electrice bazate pe combustibili fosili. Totui, evoluia ascendent a preului gazului natural reprezint un impediment important n calea dezvoltrii acestei filiere energetice.

Dintre realizrile deosebite realizate n domeniul STAG se pot aminti:I. La momentul punerii n funciune (anul 1991), Ambarli (Turcia), realizare a firmei Siemens, reprezenta cea mai mare central din Europa echipat cu STAG (1350 MW). Aceasta cuprinde trei uniti, fiecare avnd dou ITG i o ITA. n aprilie 1991, (n decursul probelor de garanie pentru prima unitate, s-a atins un randament net de 52,5 % pentru regim de baz, respectiv 53,17 % pentru regim de vrf, ceea ce reprezenta la ora respectiv( un record mondial.

II. STAG echipate cu ITG de tip GT24 (Agawam, SUA) i GT26 (Taranaki, Noua Zeeland), de fabricaie Alstom s-au dovedit a fi performante. n cel de-al doilea caz eficiena net depete 58 %.

III. Firma General Electric a realizat o central echipat cu STAG la Baglan Bay, n Marea Britanie. n acest scop a fost utilizat noul model de ITG de tip 9H. Principala noutate const n faptul c o parte din rcirea componentelor turbinei cu gaze este realizat, n circuit nchis, cu abur prelevat de la ieirea din corpul de nalt presiune al turbinei cu abur. Puterea centralei este de 480 MW, iar eficiena acesteia poate atinge 60 %.

Fig. 10.13 Randamente pentru diverse tipuri de cicluri termodinamicea - hidrocarburi; b- crbune, 1,2 - CCA; 3 - STAG; 4 - CCFF; 5 - ITG

camer de comand i control

ITG

GR

generatoare electrice

turbin cu abur

transformator electric

turbin cu abur

evacuare putere electric

admisie aer

ITG

generator de abur

GR

GR

GR

b)

a)

CJP

K

G

TA

K

G

K

instalaii de automatizare

generator electric

ITG

eapare gaze de ardere

generator de abur

instalaii de automatizare

evacuare putere electric

generator electric

eapare gaze de ardere

co

gaze de ardere

SI, SI

VAP

ECO

EMBED Equation.3

EMBED Word.Picture.8

EMBED Equation.3

_1224164535.unknown

_1224164536.unknown

_1105189568.doc

gaze de ardere

T

Abur

Ap

Co

SI

VAP

ECO

_1224164532.doc

CA

Q

_1224164534.unknown

_1224164529.unknown

_1105189549.doc

gaze de ardere

T

Abur

Ap

Co

PC

SI

VAP

ECO