Installations de turbines à gaz énergétiques. Cycles des centrales à turbine à gaz

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

Les turbines à gaz (GTP) sont un complexe énergétique unique et relativement compact, dans lequel une turbine de puissance et un alternateur fonctionnent par paires. Le système s'est répandu dans l'industrie électrique dite à petite échelle. Idéal pour l'alimentation en électricité et en chaleur des grandes entreprises, des localités éloignées et d'autres consommateurs. En règle générale, les turbines à gaz fonctionnent au carburant liquide ou au gaz.

Au bord du progrès

Dans l'augmentation de la capacité énergétique des centrales électriques, le rôle principal est transféré aux turbines à gaz et à leur évolution ultérieure - les centrales à cycle combiné (CCGT). Ainsi, dans les centrales américaines depuis le début des années 1990, plus de 60 % des capacités mises en service et modernisées étaient déjà des turbines à gaz et des centrales à cycle combiné, et dans certains pays, certaines années, leur part a atteint 90 %.

Les turbines à gaz simples sont également construites en grand nombre. La centrale à turbine à gaz - mobile, économique à exploiter et facile à réparer - s'est avérée être la solution optimale pour couvrir les pointes de charge. Au tournant du siècle (1999-2000), la capacité totaleturbines à gaz ont atteint 120 000 MW. A titre de comparaison: dans les années 1980, la capacité totale des systèmes de ce type était de 8 000 à 10 000 MW. Une part importante des turbines à gaz (plus de 60 %) était destinée à fonctionner dans le cadre de grandes centrales à cycle combiné binaire d'une puissance moyenne d'environ 350 MW.

Contexte historique

Les fondements théoriques de l'utilisation des technologies à cycle combiné ont été étudiés de manière suffisamment détaillée dans notre pays au début des années 60. Déjà à cette époque, il est devenu clair que la voie générale du développement de l'ingénierie de l'énergie thermique est précisément liée aux technologies du cycle combiné. Cependant, leur mise en œuvre réussie nécessitait des turbines à gaz fiables et très efficaces.

Ce sont les progrès significatifs dans la construction de turbines à gaz qui ont déterminé le saut qualitatif moderne dans l'ingénierie de l'énergie thermique. Un certain nombre d'entreprises étrangères ont résolu avec succès le problème de la création de turbines à gaz stationnaires efficaces à une époque où les principales organisations nationales de premier plan dans une économie dirigée faisaient la promotion des technologies de turbine à vapeur (STP) les moins prometteuses.

Si dans les années 60 l'efficacité des installations de turbines à gaz était au niveau de 24-32%, alors à la fin des années 80 les meilleures installations stationnaires de turbines à gaz avaient déjà une efficacité (avec utilisation autonome) de 36-37 %. Cela a permis de créer sur leur base des CCCG dont le rendement a atteint 50 %. Au début du nouveau siècle, ce chiffre était égal à 40 %, et en combinaison avec des centrales à cycle combiné à gaz, il était même de 60 %.

Comparaison des turbines à vapeuret centrales à cycle combiné

Dans les centrales à cycle combiné basées sur des turbines à gaz, la perspective immédiate et réelle était d'obtenir un rendement de 65 % ou plus. Dans le même temps, pour les centrales à turbine à vapeur (développées en URSS), ce n'est que si un certain nombre de problèmes scientifiques complexes liés à la génération et à l'utilisation de vapeur supercritique peuvent être résolus avec succès que l'on peut espérer une efficacité ne dépassant pas 46- 49 %. Ainsi, en termes d'efficacité, les systèmes à turbine à vapeur sont désespérément inférieurs aux systèmes à cycle combiné.

Significativement inférieur aux centrales électriques à turbine à vapeur également en termes de coût et de temps de construction. En 2005, sur le marché mondial de l'énergie, le prix de 1 kW pour une unité CCGT d'une capacité de 200 MW ou plus était de 500 à 600 $/kW. Pour les TGCC de plus petites capacités, le coût était de l'ordre de 600 à 900 $/kW. Les centrales à turbine à gaz puissantes correspondent à des valeurs de 200-250 $/kW. Avec une diminution de la puissance unitaire, leur prix augmente, mais ne dépasse généralement pas 500 $ / kW. Ces valeurs sont plusieurs fois inférieures au coût d'un kilowatt d'électricité dans les systèmes de turbines à vapeur. Par exemple, le prix d'un kilowatt installé dans les centrales électriques à turbine à vapeur à condensation varie entre 2 000 et 3 000 $/kW.

Schéma d'une centrale à turbine à gaz

L'installation comprend trois unités de base: une turbine à gaz, une chambre de combustion et un compresseur d'air. De plus, toutes les unités sont logées dans un seul bâtiment préfabriqué. Les rotors du compresseur et de la turbine sont reliés rigidement l'un à l'autre, soutenus par des roulements.

Des chambres de combustion (par exemple, 14 pièces) sont placées autour du compresseur, chacune dans son propre logement séparé. Pour l'admission àLe compresseur d'air sert de tuyau d'admission, l'air quitte la turbine à gaz par le tuyau d'échappement. Le corps de la turbine à gaz repose sur de puissants supports placés symétriquement sur un seul bâti.

Principe de fonctionnement

La plupart des turbines à gaz utilisent le principe de la combustion continue, ou cycle ouvert:

• D'abord, le fluide de travail (air) est pompé à la pression atmosphérique par le compresseur approprié.
• De plus, l'air est comprimé à une pression plus élevée et envoyé à la chambre de combustion.
• Il est alimenté en carburant, qui brûle à une pression constante, fournissant un apport constant de chaleur. En raison de la combustion du carburant, la température du fluide de travail augmente.
• Ensuite, le fluide de travail (maintenant c'est déjà un gaz, qui est un mélange d'air et de produits de combustion) entre dans la turbine à gaz, où, se dilatant à la pression atmosphérique, il fait un travail utile (fait tourner la turbine qui génère électricité).
• Après la turbine, les gaz sont rejetés dans l'atmosphère, à travers laquelle le cycle de travail se ferme.
• La différence entre le fonctionnement de la turbine et du compresseur est perçue par un générateur électrique situé sur un arbre commun avec la turbine et le compresseur.

Installations de combustion intermittente

Contrairement à la conception précédente, la combustion intermittente utilise deux soupapes au lieu d'une.

• Le compresseur force l'air dans la chambre de combustion à travers la première soupape tandis que la deuxième soupape est fermée.
• Lorsque la pression dans la chambre de combustion augmente, la première soupape se ferme. En conséquence, le volume de la chambre est fermé.
• Lorsque les soupapes sont fermées, le carburant est brûlé dans la chambre, naturellement, sa combustion se produit à volume constant. En conséquence, la pression du fluide de travail augmente encore.
• Ensuite, la deuxième vanne est ouverte et le fluide de travail entre dans la turbine à gaz. Dans ce cas, la pression devant la turbine diminuera progressivement. Lorsqu'il s'approche de l'atmosphère, la deuxième vanne doit être fermée et la première doit être ouverte et répéter la séquence d'actions.

Cycles de turbines à gaz

En ce qui concerne la mise en œuvre pratique de l'un ou l'autre cycle thermodynamique, les concepteurs doivent faire face à de nombreux obstacles techniques insurmontables. L'exemple le plus caractéristique: lorsque l'humidité de la vapeur est supérieure à 8-12%, les pertes dans le trajet d'écoulement de la turbine à vapeur augmentent fortement, les charges dynamiques augmentent et une érosion se produit. Cela conduit finalement à la destruction du circuit d'écoulement de la turbine.

En raison de ces restrictions dans le secteur de l'énergie (pour obtenir un emploi), seuls deux cycles thermodynamiques de base sont largement utilisés jusqu'à présent: le cycle de Rankine et le cycle de Brayton. La plupart des centrales électriques sont basées sur une combinaison d'éléments de ces cycles.

Le cycle de Rankine est utilisé pour les fluides de travail qui effectuent une transition de phase lors de la mise en œuvre du cycle; les centrales à vapeur fonctionnent selon ce cycle. Pour les fluides de travail qui ne peuvent pas être condensés dans des conditions réelles et que nous appelons des gaz, le cycle de Brayton est utilisé. A travers ce cycleles turbines à gaz et les moteurs à combustion interne fonctionnent.

Carburant utilisé

La grande majorité des turbines à gaz sont conçues pour fonctionner au gaz naturel. Parfois, les combustibles liquides sont utilisés dans les systèmes de faible puissance (moins souvent - moyenne, très rarement - haute puissance). Une nouvelle tendance est la transition des systèmes de turbines à gaz compacts vers l'utilisation de matériaux combustibles solides (charbon, moins souvent tourbe et bois). Ces tendances sont dues au fait que le gaz est une matière première technologique précieuse pour l'industrie chimique, où son utilisation est souvent plus rentable que dans le secteur de l'énergie. La production de turbines à gaz capables de fonctionner efficacement avec des combustibles solides prend de l'ampleur.

Différence entre ICE et GTU

La différence fondamentale entre les moteurs à combustion interne et les complexes de turbines à gaz est la suivante. Dans un moteur à combustion interne, les processus de compression de l'air, de combustion du carburant et d'expansion des produits de combustion se produisent dans un élément structurel, appelé cylindre du moteur. Dans les turbines à gaz, ces processus sont séparés en unités structurelles distinctes:

• la compression est effectuée dans le compresseur;
• combustion de carburant, respectivement, dans une chambre spéciale;
• l'expansion des produits de combustion est réalisée dans une turbine à gaz.

En conséquence, structurellement, les turbines à gaz et les moteurs à combustion interne ont peu de similitudes, bien qu'ils fonctionnent selon des cycles thermodynamiques similaires.

Conclusion

Avec le développement de la production d'électricité à petite échelle, augmentant son efficacité, les systèmes GTP et STP occupent une part croissante dans le totalsystème énergétique du monde. En conséquence, le métier prometteur d'opérateur de turbine à gaz est de plus en plus demandé. Après des partenaires occidentaux, un certain nombre de fabricants russes ont maîtrisé la production d'unités de turbines à gaz rentables. Severo-Zapadnaya CHPP à Saint-Pétersbourg est devenue la première centrale électrique à cycle combiné d'une nouvelle génération en Russie.