Sisteme de conversie şi c ogenerare a energiei

1. Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea de Inginerie Mecanica Sisteme de conversie şi cogenerare a energiei Cicluri avansate

2. Ciclul unei turbine cu aer umed • Propus mai intai ca ciclu regenerativ-evaporativ, turbina cu ciclu cu aer umed (HAT) furnizeaza o crestere substantiala a puterii sistemului si o crestere a randamentului cu cateva procente. Un concept mai avansat cu racitor intermediar (intercooler) poate furniza un randament si mai mare. Aerul este mai intai comprimat in compresorul de joasa presiune al turbinei cu ardere si apoi patrunde in racitorul intermediar. Caldura rezultata in urma comprimarii este recuperata pentru saturarea aerului de catre apa de circulatie care este trecuta prin saturator. Aerul rece comprimat este apoi comprimat in compresorul de inalta presiune, racit in racitorul final si apoi acesta alimenteaza saturatorul de aer. Aerul intra in legatura in tot acest timp cu apa incalzita de catre diverse surse de caldura. Aerul umed ce paraseste saturatorul, dupa preincalzirea in evacuarea turbinei si alimenteaza camera de ardere. • Gazul incins ce paraseste camera de ardere se destinde in turbina pe gaz, aceasta pune in functiune compresoarele si produce energie. Caldura gazelor de ardere este mai apoi recuperata in recuperator si in economizor pentru preincalzirea apei pentru saturarea aerului. Continutul de apa creste masa si caldura specifica ale debitului, ceea ce conduce la un aport suplimentar de energie. Prin varierea continutului de apa HAT-ul poate functiona si la incarcari partiale fara a rezulta afectarea randamentului si de asemenea se poate porni intr-un timp mult mai scurt decat o instalatie cu ciclu combinat conventionala.

3. Turbina cu ciclu cu aer umed

4. Turbina pe gaz cu ciclu semi-inchis • Intr-o turbina pe gaz cu ciclu semi-inchis gazul de ardere evacuat este racit pana la temperatura de condensare a vaporilor de apa si o parte din gazul evacuat este recirculat prin compresor . Schema de circulatie este similara cu cea a ciclului cu comprimare umeda, cu adaugarea unui generator de aburi recuperator de caldura inaintea separatorului de condens, injectia cu apa fiind optionala. Avantajele unei turbine cu ciclu semi-inchis sunt: • o ardere in conditii aproape stoechiometrice; • emisii scazute de noxe; • energie specifica mare; • randament bun la incarcari partiale; • dimensiuni mai mici comparativ cu turbinele cu ciclu combinat deschis; • Randamentul este insa cu 2-3% mai mic decat la cele conventionale.

5. Recuperarea apei • Ciclurile studiate in capitolele anterioare cu injectie de apa/abur consuma mari cantitati de apa. Raportul dintre abur/combustibil se afla undeva intre 2:1 si 4:1. De aici reiese un consum de apa de aproximativ 3-5 tone/h pentru o turbina de 25 MW. In afara de apa injectata in evacuarea turbinei pe gaz, se mai gaseste apa si in aerul insuflat cat si formata in procesul de ardere. Daca este necesar, aceasta apa poate fi recuperata intr-o unitate de recuperare unde o parte din continutul de umiditate condenseaza, este separata de gazele de ardere, tratata si refolosita. (dupa cum se arata in urmatoare) • Pentru a putea furniza apa in continuu fara folosirea unor surse exterioare, gazele de ardere trebuiesc racite pana la 30-40°C. Datorita continutului acid existent in gazele de ardere suprafata de condensare trebuie protejata corespunzator impotriva coroziunii, de exemplu printr-un invelis de teflon. Se poate lua in considerare si posibilitatea folosirii unui condensator cu o suprafata de schimb de caldura cu contact direct sau indirect. Performantele unui condensator cu contact direct cu circulatia in contra curent in relatie cu diversi factori (temperatura de intrare a apei, continutul de apa in gazele de ardere ale turbinei, etc) pot fi gasite intr-un studiu realizat de catre Bettagli si Fachini in 1994.

6. Turbina pe gaz cu injectie de apa in compresor

7. Turbina pe gaz cu recuperare chimica • Turbina pe gaz cu recuperare chimica (CRGT) foloseste un proces tehnologic cu caracter de ameliorare pentru a transforma metanul, apa si uneori dioxidul de carbon intr-un amestec combustibil format din hidrogen si monoxid de carbon, amestec ce poate fi ars in camera de ardere. Aceasta reactie endoterma absoarbe caldura la o temperatura mai joasa decat cea din camera de ardere si in acest fel crescand valoarea calorifica a combustibilului. Aceasta recuperare duce la reactii termice si chimice, fiind o recuperare de caldura mai buna decat in schemele standard de recuperare. Mai mult, combustibilii bogati in hidrogen au o inflamabilitate mai mare decat metanul si ard la o temperatura a flacarii mai joasa, fapt ce reduce formarea de NOx. Janes (1990) a estimat productia de NOx ca fiind mai mica de 1 ppm. Oricum, temperatura gazelor arse evacuate ale turbinei pe gaz nu este indeajuns de inalta pentru a se reforma reactia. La 550°C doar 20% din combustibil este refolosit. Pentru a creste aceasta temperatura se poate apela la ardere suplimentara. • Diferite scheme cu caracter de ameliorare au fost propuse. • In figura de mai jos avem doua dintre ele, in a - schema cu ameliorare cu aburi, aburul generat intr-o HRSG este amestecat cu gazul natural in instalatia de reformare catalitica, iar in b - schema foloseste recuperarea din gazul evacuat

8. Recuperarea chimica la turbinele pe gaz a) cu reformare catalitica cu vapori b) cu reciclarea gazelor de ardere

9. Turbine pe gaz cu ardere in mai multe trepte • Accesul la plusul de caldura izotermica intr-o turbina pe gaz poate fi realizat prin cresterea numarului de trepte de expansiune, asa cum se procedeaza in ciclul de reincalzire. De obicei, racirea aerului este folosita pentru a tine temperatura de lucru in limitele metalurgice (ce tin de material). Alternativ, acest lucru poate fi obtinut cu ajutorul arderii stoechiometrice. Amestecul bogat in combustibil este ars intr-o prima etapa intr-unul sau mai mutli combustori., si ultima ardere are loc in ultimul combustor. (figura de mai jos). Atunci, caldura evacuata este recuperata intr-un ciclu blocat. Neutralizarea excesului de aer are rezultate in scaderea duratei functionarii compresorului, dimensiuni reduse ale instalatiei si emisii reduse de NOx.

10. Turbina cu dioxid de carbon • O centrala energetica unde dioxidul de carbon poarta rolul de fluid de lucru intr-o turbina pe gaz a fost propusa de catre mai multi autori. Oxigenul rezultat din unitatea de separare a aerului este livrat arzatorului la o presiune de 240 bar, impreuna cu combustibilul si cu dioxidul de carbon reciclat. Fluidul de lucru se destinde intr-o trubina cu dubla preincalzire (240/60/15/4 bar), gazele de ardere sunt racite intr-un schimbator de caldura si separarea apei intervine. • Intr-un compresor cu mai multe raciri intermediare fluidul este adus la o presiune de 60 bar si la 20°C apare fenomenul de lichefiere. Dioxidul de carbon lichid este pompat intr-o zona de stocare si reintors partial in ciclu. Presupunand ca temperatura la intrarea in turbina este de 1300°C, randamentul izentropic al treptelor turbinei sunt de 80%, 85% si 90% si randamentul izentropic al compresorului de oxigen este de 80%, Yantovsky (1994) a raportat un randament total al instalatiei de 55%. Deoarece o turbina pe gaz care funcioneaza la 240 bar si 1300°C nu este realizabila, a fost propusa o optiune simplificata si realizabila in mod practic la 60 bar, care poate atinge un randament de 52%.

12. Discutii si concluzii Alaturi de conceptele ciclului Rankine descrise in acest capitol, trei tehnologii par sa prezinte interes pentru consideratii viitoare: recomprimarea aburului si vaporizarea brusca a apei cu rolul de a creea un nivel secundar de presiune in cazan si debitul “despicat” al aburului cu rolul de a avea un control flexibil asupra centralelor cu cogenerare. Primele doua sunt atractive la centralele mici cu ciclu combinat, acolo un cazan conventional duplex sau triplex nu se justifica din punct de vedere economic. O analiza din punct de vedere al performantelor acestor sisteme arata competitivitatea si practicitatea lor. Folosirea debitului de abur “despicat” ne permite sa marim puterea instalatiei fara a suferi pierderi importante ale randamentului. Acest lucru este realizabil prin recomprimarea excesului de abur pana la presiunea initiala a cazanului. Ca si la ciclul Joule, cateva imbunatatiri ale turbinelor pe gaz au fost luate in considerare. Procesul de reformare catalitica abur/metan, care este binecunoscut in industrie poate fi deasemenea aplicat aici.

13. Turbina Heron poate fi considerata un bun candidat pentru recuperarea chimica, atata timp cat temperatura gazelor de ardere evacuate este relativ ridicata (peste 600°C), temperatura favorabila procesului de reformare catalitica. Mai mult, reformarea cu dioxidul de carbon reciclat reduce cu mult descarcarea acestui gaz in atmosfera. Aceste cicluri cu recuperare chimica sunt privite ca optionale in programul NECT. • Ciclul HAT a primit mai multa atentie din anii 1990, si cateva turbine pe gaz dedicate au fost dezvoltate de producatorii de gen (Day and Rao, 1993; Nakhamkin, 1995). Acest ciclu promoveaza absenta echipamentului de abur voluminos (cazan, turbina pe abur, condensator), un bun randament la incarcari partiale si un nivel foarte mic de emisii NOx. Cu toate acestea, ciclul HAT nu este considerat de viitor, datorita dezvoltarii altor cicluri de catre alte grupuri de cercetare. • Un ciclu mai putin dezvoltat este cel cu oxidare partiala intr-o turbina cu gaz in mai multe trepte. Procesul de ardere substoechiometrica poate aborda surplusul izotermic de caldura, poate reduce noxele si ofera un design compact datorita absentei excesului de aer. Eficientele raportate de 60-66% sugereaza ca ciclul merita mai multa consideratie.