Ciclu combinat cu ardere externă

1. Ciclu combinat cu ardere externă

2. Cele mai avansate sisteme pentru producerea energiei electrice utilizând cărbunele sunt ciclurile cu gazeificarea cărbunelui (IGCC) şi sistemele de ardere în strat fluidizat sub presiune (PFBC). Ambele reprezintă tehnologie de ultima oră şi produc energie electrică cu un randament de 41 – 46 %. • Totuşi, nivelul crescut de complexitate conduce la o fiabilitate mai mică şi costuri mari de întreţinere.

3. A fost propus un sistem mai simplu, bazat pe un generator de abur ce foloseşte cărbune şi o turbină. În cazul acestui sistem, cunoscut ca un ciclu combinat cu ardere exterioară (EFCC), aerul comprimat este încălzit indirect într-un schimbător de căldură plasat în focar. Aerul cald se destinde apoi în turbină şi după aceea trece prin focar pentru a înteţi arderea. Aburul din vaporizator generează putere suplimentară destinzându-se în turbina cu abur. Eliminarea produşilor arderii cărbunelui din turbina cu gaze evită cheltuielile de curăţare a turbinei şi pericolul producerii coroziunii paletelor datorită cenuşii.

4. S-a demonstrat că pentru un sistem EFCC arderea suplimentară oferă o soluţie de tranziţie. Pentru a putea intra în competiţie cu alte centrale termoelectrice sunt necesare schimbătoare din materiale ceramice rezistente la temperaturi înalte. Fig. 5.1. Schema unei centrale cu ciclu combinat cu ardere externă: cu încălzitor de aer special proiectat configuraţia cu ardere suplimentară

5. Cărbunele reprezintă aproximativ 70% din resursele de combustibil fosil ale lumii şi produce 31% din energia electrică (Rameza net al., 1996). Energia electrică produsă din cărbune este predominat generată în termocentralele cu ardere directă unde gazele de ardere fierbinţi produc aburul într-un vaporizator şi apoi aburul produce lucru mecanic destinzându-se în turbină. Datorită constrângerilor termodinamice şi metalurgice randamentul acestor centrale este relativ scăzut. Centralele moderne au un randament de 38 – 40% funcţionând la 250 – 300 bar şi 530 – 560 C. Randamente mai mari pot fi obţinute crescând parametrii aburului, dar şi în cazul schimbătoarelor supracritice ce funcţionează la presiuni de 350 bar şi temperaturi de 700 C randamentul nu depăşeşte 47%.

6. Aceste cifre contrastează cu randamentul centralelor cu cicluri combinate ce utilizează gazul natural ce au parametrii moderaţi şi transformă 45 – 52% din puterea calorifică inferioară a combustibilului în energie electrică, iar cele mai moderne ajung şi la randamente de 57% (Farmer, 1996).

7. O comparaţie cu ciclul Rankine arată avantajul utilizării ciclului cu ardere externă la folosirea căldurii (Fig. 5.2.). Deşi aerul are o căldură specifică mai mică decât aburul nu necesită presiuni mari la temperaturi mari. Transferul de căldură între aer şi gazele de ardere are loc în fază gazoasă aşadar diferenţa medie de temperatură este mai mică decât în cazul aburului. • Încălzirea aerului are loc în componenta cea mai critică a sistemului, schimbătorul de înaltă temperatură. Cu excepţia acestui schimbător celelalte echipamente sunt standard. În funcţie de temperatura la intrarea turbinei şi alţi parametrii centralele EFCC pot obţine un randament de 40 – 49%.

8. Un ciclu cu turbină cu ardere externă a fost propus de mult timp ca o realizare practică a ciclului Joule – Brayton, dar această idee a câştigat interes în ultima decadă. În Statele Unite acest concept a fost dezvoltat de mai multe companii, inclusiv Hague International, compania care a proiectat schimbătorul ceramic de înaltă temperatură. Grupul este condus de Morgantown Energy Technology Center (La Haye and Zaboltny, 1989; Parsons and Bechtel, 1991; Vandervort et al., 1993). • Alt grup, sub conducerea Pittsburg Energy Technology Center, lucrează la dezvoltarea unui proiect similar numit Sistem de producere a energiei de înaltă performanţă (HIPPS). Încălzitorul de aer este proiectat Foster Wheeler şi United Technologies teams (Ruth, 1995; Seery et al., 1995).

9. Huang şi Naumowicz (1992) au concluzionat că randamentul creşte cu creşterea temperaturii la intrarea în turbină, în timp ce raportul presiunilor ciclului nu influenţează considerabil randamentul. Un raport al presiunilor de 12 – 15 a fost ales în cele mai multe studii. Temperatura la intrarea în turbină este limitată de materialul schimbătorului de înaltă temperatură. Super aliaje bazate pe nichel permit funcţionarea la 800 – 825 C. Schimbătoare mai avansate fabricate din aliaje de dispersii de oxizi pot rezista la temperaturi de 950 C (Klara, 1995). Un schimbător ceramic fabricat din silicon carbid este capabil să funcţioneze la temperaturi mai înalte. Temperaturi de 1075 C au fost atinse în experimente prezentate de Solomon et al. (1996), se anticipează temperaturi mai ridicate de 1370 C (Vandervort, 1993; Seery et al., 1995).

10. Un număr de configuraţii a fost definit pentru a estima performanţele EFCC pentru diferite tipuri de încălzitoare de aer: (1) schimbător metalic fabricat din aliaje de nichel ce poate funcţiona la 800 C; (2) schimbător metalic fabricat din aliaje de dispersie de oxizi ce poate funcţiona la 980 C; (3) schimbător ceramic (carbid de siliciu ce poate funcţiona până la 1165 C, o parte din schimbător este metalică.

11. Configuraţiile studiate sunt: • PC centrală cu cărbune pulverizat, • EFCC 800 EFCC – încalzitor de aer la 800 C • Arzător suplimentar la 1165 C, • EFCC 980 EFCC – încalzitor de aer la 980 C • Arzător suplimentar la 1165 C, • EFCC 1165 EFCC – încalzitor de aer la 1165 C • Fără arzător suplimentar, • GTCC centrală cu gaz natural, • IGCC centrală cu ciclu combinat cu gazeificarea cărbunelui. Opţiunile cu turbină cu gaze s-au bazat pe specificaţiile tehnice ale turbinei Siemens V 94.2: • Randament izentropic al compresorului: 88% • Randament izentropic al turbinei: 85,6% • Raportul presiunilor: 13,7 • Temperatura la intrarea în turbină: 1165 C, • Căderea de presiune în camera de ardere: 0,27 bar • Randamentul arzătorului: 99%

12. Rezultatele simulării arată o creştere considerabilă a performanţelor centralelor EFCC faţă de centralele cu pulverizarea cărbunelui, acestea consumă cu aproape 30% mai puţin combustibil (tab. 5.2).

13. După cum se observă din fig. 5.3, opţiunile cu ardere externă sunt mai avantajoase decât PC sau GTCC. Domeniul lor este între 5,6% pentru EFCC 800 şi 10,7% pentru EFCC 1165. Când le comparăm cu centralele mai avansate avantajele devin mult mai mici iar pentru EFCC 800 sunt aproape neglijabile. Acest lucru arată că efectul arderii suplimentare în centralele EFCC este limitat pe termen lung şi doar realizarea schimbătoarelor de căldură de înaltă temperatură pentru EFCC “doar cu cărbune” poate determina creşterea competitivităţii în raport cu alte tipuri de centrale, de exemplu IGCC.

14. Fig. 5.3 Randamentul centralelor raportat la procentul de cărbune din totalul de combustibil • Cu cât mai mult cărbune este utilizat în arderea externă se observă o scădere a randamentului. Aceasta este cauzată de reducerea consumului de gaz natural. Alt motiv este creşterea consumului cu desulfurarea gazului ce duce la scăderea randamentului odată cu creşterea consumului de cărbune.

15. Referitor la suprafeţele schimbătoarelor de căldură, suprafaţa vaporizatorului este comparabilă la toate configuraţiile în timp ce suprafaţa încălzitorului de aer variază considerabil (fig. 5.4).

16. Pentru EFCC “doar cu cărbune” reprezintă 34% din suprafaţa totală în timp ce pentru EFCC 800 este de 14%. Pe acelaşi graphic este trecut consumul specific de gaz natural în kW termici pe kW electrici. Acesta permite o comparaţie între consumul de gaz şi suprafaţă. De exemplu 0,5kW de gaz natural consumat de EFCC 800 echivalează cu 63 m2 de suprafaţă ceramică în cazul EFCC 1165. O analiză economică trebuie efectuată pentru determinarea optimului în momentul în care se vor cunoaşte preţul aliajelor metalice şi al materialului ceramic. • Pentru a menţine temperature la intrarea în fierbător la 630 C în toate configuraţiile procentul din debitul ieşit din turbină trimis în focar a fost setat la 0,355, 0,494 şi 0,66 pentru EFCC 800, EFCC 980 respectiv EFCC 1165. Diferenţa este datorată încărcării diferite a încălzitorului de aer. Un încălzitor de aer cu sarcină mai mare necesită mai mult aer preîncălzit de la ieşirea din turbină.