Turbine cu Gaz

1. Consideraţii generale

Instalaţia de turbină cu gaze (ITG) este o maşină termică care realizează conversia energiei chimice a combustibilului în energie mecanică, utilizând ca agent termic un gaz. Gazele utilizate în acest scop pot fi: aer, gaze de ardere, dioxid de carbon, heliu, etc.

Ciclul termodinamic după care evoluează instalaţiile moderne de turbine cu gaze este ciclul Brayton, întâlnit în literatura de specialitate şi sub denumirea de Joule. În figura 1 este prezentată în coordonate temperatură-entropie (T-s) forma ciclului Brayton teoretic, pentru care se disting următoarele transformări termodinamice:

1 - 2 compresie izentropă

2 - 3 încălzire izobară

3 - 4 destindere izentropă

4 - 1 răcire izobară

Fig. 1. Ciclul Brayton teoretic

Din punct de vedere al modului de interacţiune între agentul termic şi produsele de ardere corespunzătoare sursei calde a ciclului, se disting:

• ITG în circuit deschis

Agentul de lucru se amestecă cu produsele de ardere la sursa caldă şi apoi se destind împreună în turbină, pentru a fi ulterior eşapate în atmosferă. Din punct de vedere termodinamic nu se poate vorbi în acest caz despre un ciclu propriu-zis. Închiderea acestuia se realizează prin intermediul atmosferei, care reprezintă în acelaşi timp şi sursa rece a ciclului. În mod exclusiv, la ITG în circuit deschis se utilizează ca agent termic aerul.

• ITG în circuit închis

Spre deosebire de cazul anterior, atât sursa caldă, cât şi sursa rece a ciclului se caracterizează prin prezenţa unor suprafeţe de schimb de căldură. Agentul termic nu intră în contact direct nici cu produsele de ardere, nici cu fluidul de răcire. Masa de agent termic se conservă în interiorul ciclului, deci se pot utiliza în acest scop gaze mai scumpe, dar cu proprietăţi termodinamice mai bune decât ale aerului: CO2, He.

Într-o proporţie covârşitoare, în centralele termoelectrice se utilizează ITG în circuit deschis. ITG în circuit închis au o răspândire limitată, putând fi întâlnite în cadrul unor filiere de centrale nuclearo-electrice. În prezenta lucrare se abordează ITG din prima categorie.

În figura 2 sunt prezentate schema de principiu pentru o ITG în circuit deschis şi procesul real în coordonate T-s.

a) b)

Fig. 2 ITG în circuit deschis

a) Schema de principiu; b) Reprezentarea procesului în coordonate T-s

K- compresor; CA - cameră de ardere; TG - turbină cu gaze; FA - filtru de aer;

AZ - amortizor de zgomot; G - generator electric

Pe scurt, modul de funcţionare al unei ITG în circuit deschis poate fi descris astfel:

• Aerul este aspirat de compresor prin intermediul unui filtru FA. Acesta are rolul de a opri eventualele impurităţi mecanice care ar conduce la degradarea paletajului compresorului.

• După compresie, aerul pătrunde în camera de ardere unde se amestecă cu combustibilul. Energia necesară compresiei este furnizată de turbina cu gaze (compresorul şi turbina cu gaze sunt dispuse pe aceeaşi linie de arbori).

• Produsele de ardere ies din CA şi se destind în turbina cu gaze producând lucru mecanic. O parte din lucrul mecanic produs este utilizat pentru antrenarea compresorului, iar cealaltă parte este transmisă către generatorul electric.

• Gazele de ardere sunt eşapate în atmosferă prin intermediul unui amortizor de zgomot care are rolul de a reduce poluarea fonică.

2. Parametrii caracteristici de proiect ai ciclului ITG

Principalii parametrii care caracterizează ciclul termodinamic ce stă la baza funcţionării ITG sunt:

• Temperatura înainte de turbina cu gaze ( conform figurii 1)

• Raportul de compresie:

. (1)

Aceşti doi parametri sunt utilizaţi de furnizorii de ITG în cataloagele de prezentare a produselor proprii.

Din punct de vedere al modului în care este definită temperatura înainte de turbina cu gaze, există trei variante posibile:

• reprezintă temperatura medie a gazelor de ardere pe bordul de fugă al ajutajelor primei trepte din turbină ( ). Firma General Electric şi licenţiaţii ei utilizează această definiţie. O astfel de temperatură indică punctul de la care începe extracţia de lucru mecanic.

• este determinată conform normelor International Standards Organisation (ISO) ( ). Este o temperatură fictivă ce rezultă în urma unui bilanţ termic pe sistemul de combustie. Reprezintă temperatura de intrare într-o turbină cu gaze echivalentă, fără răcire cu aer a paletelor rotorice şi statorice, care produce acelaşi efect ca şi turbina reală.

• reprezintă temperatura reală de intrare în ajutajele primei trepte a turbinei ( ). Practic, acest mod de definire nu este utilizat de către constructorii de ITG.