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