365

12. SHEME I PROCESI POSTROJEJA

PLISKIH TURBIA

12.1 Uvod Radni medij u plinskim turbinama je smjesa plinovitih produkata izgaranja goriva u zraku ili je to neki pogodni plin (kao na primjer vodik, helij, zrak ili neki drugi). Princip rada plinske turbine u velikom dijelu slii onome u parnoj turbini. Kao i kod parnih turbina, radni medij (plin) ekspandira du puta strujanja, tako da se toplina pretvara u kinetiku energiju plina, a ona se nakon toga u rotoru pretvara u mehaniki rad. Obzirom da se radna svojstva plinova razlikuju od istih za paru, postoje i odreene razlike u konstrukciji izmeu plinskih i parnih turbina, tako da se, openito gledano, sheme plinsko turbinskih postrojenja i njihova oprema znaajno razlikuju od onih za parnoturbinska postrojenja. Postrojenja plinskih turbina imaju odreene prednosti u usporedbi s parnoturbinskim postrojenjima, prije svega: 1. Ona su mnogo kompaktnija, obzirom da gorivo izgara izravno u maloj komori izgaranja uz samu

plinsku turbinu, a ne u ogromnom generatoru pare. Osim toga, plinska turbina nema kondenzatora. 2. Plinske turbine moemo vrlo brzo startati i opteretiti u roku od 30 s do 30 minuta. 3. Plinske turbine su jednostavnije konstrukcije i lake za odravanje. 4. Za njihovu konstrukciju i izvedbu troi se manje materijala za istu snagu stroja. 5. Njihova cijena je manja nego za parnoturbinsko postrojenje. 6. Za razliku od parnih turbina, one nemaju potrebu za rashladnom vodom. S druge strane, plinske turbine imaju i nedostatke u usporedbi s parnim turbinama: 1. Njihova specifina snaga je manja, 2. Njihov stupanj djelovanja je manji, iako se mnogo radi na njegovu poveanju- 3. Imaju eu potrebu za servisiranjem i odravanjem. 4. Mnogo su osjetljivije na kvalitetu goriva. One na primjer nisu osjetljive na koritenje ugljena i tu

se radi na iznalaenju novih tehnologija. S druge strane one su vrlo osjetljive na koritenje tekih goriva, pri emu se susreemo s tekim i nerjeivim problemima.

Ideje o izradi plinske turbine su vrlo stare, a nisu bile mogue jer nije bilo adekvatnih materijala niti proizvodnih tehnologija. Do prvih realizacija je dolo tek pri kraju 19. stoljea. Meu pionirima su poznati njemaki inenjeri Stolze i Holzwart. Iako su ve davno izraene i ispitane prve plinske turbine, dugo vrijeme nije bilo odgovarajuih praktinih primjena. Tek u zadnjih pet desetljea svjedoci smo brzoga razvoja proizvodnih tehnologija i novih materijala, koji se zajedno s ciljanim istraivanjima koriste u izradi plinskih turbina. To je sve omoguilo izradu plinskih turbina relativno visokog stupnja djelovanja i pouzdanosti uz dovoljno dugi ivotni vijek. U razvoju plinskih turbina, posebna uloga pripada turbopropelernim motorima i mlaznim motorima, koji su unijeli novi ivot u zrakoplovstvu i nekoliko puta poveali brzine leta. Iskustva steena u zrakoplovstvu, kao najnaprednijem podruju inenjerstva, usvojena su i iskoritena u proizvodnji plinskih turbina za potrebe energetike. Plinske turbine nalaze sve iru primjenu u energetici. Zbog njihovih povoljnih startnih karakteristika, elektrane s plinskim turbinama se esto koriste za pokrivanje vrnih ili gornjih optereenja i kao jedinice za napajanje u nudi. U nekim sluajevima se smatra djelotvornim koristiti plinske turbine kao bazne jedinice u malim elektranama, s time da se otpadna toplina ispunih plinova koristi za potrebe napajanja toplinom. Obzirom na svoju malu masu, male dimenzije, visoku mobilnost i lako odravanje, plinske turbine se koriste u izvedbi pokretnih elektrana koje prevoze teretna vozila ili eljeznica.

366

Slika 12.1 Principijelna shema najjednostavnijeg postrojenja plinskom turbinom i izgaranjem pri konstantnom tlakom

1 - kompresor, 2 - elektrini generator, 3 - pumpa goriva, 4 - komora izgaranja, 5 - rasprska, 6 - aktivna komora izgaranja, 7 - starter, 8 - turbina

Slika 12.2 T-s dijagram za proces plinske turbine s izgaranjem pri konstantnom tlaku Daljnji rad u razvoju plinskih turbina je usmjeren na poveanje njihove specifine snage, stupnja djelovanja, pouzdanosti i ivotnog vijeka, to je sve povezano s napretkom u proizvodnji materijala otpornih na visoke temperature i razvoj pogodnih naina hlaenja plinskih turbina. Velike mogunosti primjene plinskih turbina otvaraju se i u nuklearnim elektranama, u kojima se koristi plin kao rashladni medij. Postoje i odreeni razlozi zato bi takve elektrane bile djelotvornije, kompaktnije i jednostavnije izvedbe u usporedbi s nuklearnim elektranama s vodom hlaenim reaktorom.

12.2 Sheme i procesi postrojenja s plinskom turbinom Shema najjednostavnijeg postrojenja s plinskom turbinom prikazana je na slici 12.1. Kompresor 1 uzima oieni zrak i komprimira ga na odreeni tlak. Zrak se dalje dovodi u komoru izgaranja 4. Pumpa goriva 3 dobavlja gorivo na rasprska 5 koji raspruje gorivo, koje se zagrijava, isparava i mijea sa zrakom u gorivu smjesu koja nastavlja izgarati i odravati plamen. Produkti izgaranja dovode se u turbinu 8. Treba napomenuti da se samo 20-40% dovedenoga zraka koristi za izgaranje goriva i ulazi u primarnu zonu izgaranja. Taj zrak nazivamo primarni zrak. Ostatak od 60-80% zraka obilazi tu zonu i mijea se s produktima izgaranja izvan zone primarnog izgaranja. Pri mijeanju s produktima izgaranja, taj zrak vri hlaenje smjese prije nego je dovedemo do turbine. Taj zrak nazivamo sekundarni ili rashladni zrak. U podruju primarne zone izgaranja temperature izgaranja iznose 1800-2100 K, to je potrebno za intenzivno i potpuno izgaranje. Doputena temperatura dovoda

Gorivo

Zrak

367

plinova na prve lopatice turbine je svega 1000-1500 K, ovisno o gorivu, koje odreuje vrstou i trajnost lopatica dananjih plinskih turbina. Snaga koju razvija turbina 8 dijelom se troi za pogon kompresora 1 i ostalih pomonih sustava postrojenja, a preostala snaga se predaje potroaima, na primjer generatoru 2 za proizvodnju elektrine energije. Postrojenje plinske turbine starta se pomou elektromotora 7, a goriva smjesa se za vrijeme startanja upaljuje u komori izgaranja pomou svjeica s elektrinom iskrom. T-s dijagram za idealni i stvarni proces plinskoturbinskog postrojenja s izgaranjem pri konstantnom tlaku prikazan je na slici 12.2. Termodinamiki proces je konstruiran uz sljedee glavne pretpostavke: 1. Proces je zatvoren i masa radnoga medija u njemu je konstantna i ista. Radni medij je idealni plin

konstantnoga sastava i konstantnih specifinih toplina. 2. Sve promjene u procesu su povrative, tj. odvijaju se bez termikih, mehanikih ili hidraulikih

gubitaka. 3. Kompresija u kompresoru i ekspanzija u turbini odvijaju se adijabatski. Obzirom da nema gubitaka, ovi se procesi odvijaju pri konstantnoj entropiji. Linija 3-4' na taj nain prikazuje izentropsku kompresiju zraka u kompresoru, koja obuhvaa poveanje temperature i tlaka od poetnog stanja p3 i T3 na p4 i T'4. U stvarnom procesu kompresija je vezana uz unutarnje gubitke u kompresoru, tako da je linija procesa pomaknuta u smjeru poveanja entropije (linija 3-4). Toplina se radnom mediju dovodi u komori izgaranja po izobari 4-1, pri emu temperatura raste od T4 na T1. Linija 1-2' prikazuje izentropsku ekspanziju radnog medija u turbini. U stvarnom procesu s unutarnjim gubicima u turbini, ekspanzija se odvija du linije 1-2, tako da se tlak smanjuje na p2, a temperatura se sputa na T2. Odvoenje topline iz termodinamikog procesa prikazano je izobarom 2'-3. U ovome procesu se temperatura radnoga medija smanjuje na svoju poetnu vrijednost T3. U stvarnome procesu, linija 2-3 prikazuje klasino zatvaranje procesa s hlaenjem ispunih plinova na njihovom izlazu u atmosferu. Termiki stupanj djelovanja termodinamikog procesa moe se izraunati po jednadbi:

1

21

1

0

q

qq

q

wt

== ( 12.1 )

gdje su q1 specifina koliina dovedene topline po jedinici mase radnoga medija, a q2 je specifino odvedena toplina iz procesa (kJ/kg). S w0 je oznaene specifini rad dobiven iz procesa, koji je jednak razlici specifino dovedene i odvedene topline, a koji je opet jednak razlici izentropskih radova turbine i kompresora:

ct www 000 = ( 12.2 ) Rad izentropske kompresije 1 kg plina u kompresoru, w0c, moe se prikazati kao razlika entalpija na poetku i na kraju kompresije:

( )34340 ' TTchhw pc == ( 12.3 ) gdje su h3 i h'4 specifine entalpije, kJ/kg, plina na poetku i na kraju kompresije, T3 i T'4 su apsolutne temperature, K, plina u tokama 3 i 4' termodinamikog procesa, a cp je specifina toplina, kJ/kgK, plina pri konstantnom tlaku. Jednadbe koje su prikazane gore, izvedene su uz pretpostavku da je specifina toplina plina konstantna u procesu plinske turbine.

368

Rad izentropske ekspanzije 1 kg plina u turbini moe se isto tako prikazati kao razlika specifinih entalpija na poetku i na kraju ekspanzije:

( )21210 TTchhw pt == ( 12.4 ) gdje su h1 i h'2 specifine entalpije, kJ/kg, plina na poetku i na kraju ekspanzije, T1 i T'2 su apsolutne temperature, K, plina u tokama 1 i 2' termodinamikog procesa. Specifina toplina q1 dovedena u proces, predstavljena je u T-s dijagramu povrinom c-4'-1-d:

( )411 TTcq p = ( 12.5 ) Uvrtavanjem zamjenskih jednadbi za w0 i qt u jednadbu (12.1), dobivamo:

( ) ( )( )

1

4

3

4

1

3

1

2

41

3421

1

11

T

T

T

T

T

T

T

T

TTc

TTcTTc

p

pp

t

=

= ( 12.6 )

Kako je poznato iz termodinamike, za izentropske procese vrijedi:

1

1

1

2

1

2 1

=

=

p

p

T

T ( 12.7 )

1

1

2

1

3

4

=

=

p

p

T

T ( 12.8 )

gdje su:

==3

4

2

1

p

p

p

p =

3

1

T

T

v

p

c

c=

Uvrtavanjem jednadbi (12.7) i (12.8) u jednadbu (12.6) dobivamo nakon sreivanja stupnja djelovanja procesa plinske turbine:

11

1

1

11

1

111

=

=t ( 12.9 )

Kako slijedi iz ove jednadbe, termiki stupanj djelovanja procesa plinske turbine pri konstantnom tlaku p se kontinuirano poveava s poveanjem omjera tlakova . To vrijedi samo za idealni termodinamiki proces u kojemu smo zanemarili unutarnje gubitke i gdje se dovod topline radnom mediju vri izvana preko izmjenjivaa topline, a odvod isto tako oduzimanjem topline. Rad kompresije zraka i ekspanzije plina u turbini u realnom procesu prikazuje se na isti nain kao i za idealni termodinamiki proces, tj. putem razlika entalpija:

369

( )34 TTcw pc = ( 12.10 )

( )21 TTcw pt = ( 12.11 ) Unutarnji gubici koji se javljaju tijekom kompresije zraka u kompresoru uzeti su u obzir u indiciranom stupnju djelovanja kompresora:

34

340

TT

TT

w

w

c

cc

== ( 12.12 )

gdje je w0c rad izentropske kompresije 1 kg zraka u termodinamikom procesu, a wc je stvarni rad kompresije 1 kg zraka u stvarnome procesu. Na isti nain, unutarnji gubici u turbini su uzeti u obzir u indiciranom stupnju djelovanja turbine:

21

21

0 TT

TT

w

w

t

tri

== ( 12.13 )

gdje je wt rad ekspanzije 1 kg plina u stvarnoj turbini, a w0t je rad izentropske ekspanzije u idealnom procesu. Prema jednadbama (12.12) i (12.13) stvarni radovi kompresije u kompresoru i ekspanzije u turbini su:

c

cc

ww

0= ( 12.14 )

( ) ritt ww 01+= ( 12.15 )

gdje je masa izgorenog goriva po 1 kg zraka dovedenog u komoru izgaranja. Ta je vrijednost obino unutar 0.01-0.018 kg/kg i moe se zanemariti. Koritenjem jednadbi (12.14) i (12.15) mogue je odrediti korisni indicirani rad plinskoturbinskog postrojenja po 1 kg usisanoga zraka u kompresor, kao razlika indiciranih radova turbine i kompresora:

( ) ( )

=

=== 11

3

43

1

21

3421

00

T

TT

T

TTc

TTcTTc

wwwww

c

rip

c

p

rip

c

critcti

( 12.16 ) Uvrtavanjem jednadbi (12.7) i (12.8) u (12.16) dobivamo:

=

c

ripi Tcw

111

1

11 ( 12.17 )

gdje je stupanj porasta temperature u procesu:

3

1

T

T=

370

12.3 Glavne karakteristike plinskoturbinskog postrojenja i naini

poveanja stupnja djelovanja Proces u plinskoturbinskom postrojenju obuhvaa odreene gubitke koji se mogu podijeliti na unutarnje i vanjske. Unutarnji gubici su usko povezani s promjenama stanja radnoga medija. Oni obuhvaaju: 1. Unutarnji gubici u kompresoru obuhvaeni su u indiciranom stupnju djelovanja kompresora c. 2. Unutarnji gubici plinske turbine obuhvaeni su u indiciranom stupnju djelovanja turbine ri. 3. Toplinski gubici u komori izgaranja obuhvaeni su u termikom stupnju djelovanja komore

izgaranja thcc. 4. Gubici zbog otpora strujanja na strani zraka (do komore izgaranja) koji obuhvaaju gubitke u

vodovima zraka, regeneratoru i hladnjaku zraka. 5. Gubici zbog otpora strujanja na strani plinova izgaranja, koji obuhvaaju gubitke u komori

izgaranja, regeneratoru i ispunim kanalima. 6. Gubici vezani uz potronju zraka za hlaenje dijelova turbine (lopatica, diskova itd.). Unutarnji gubici u plinskoturbinskom postrojenju se ocjenjuju na opi nain pomou indiciranog stupnja djelovanja postrojenja:

cc

ii

q

w= ( 12.18 )

gdje je wi specifini indicirani rad postrojenja, kJ/kg, a qcc je specifino utroena toplina dovedena u komori izgaranja za zagrijavanje 1 kg zraka s temperature T4 na T1, kJ/kg (slika 12.2):

( )41 TTc

qth

cc

p

cc = ( 12.19 )

Tu je thcc stupanj djelovanja komore izgaranja. Nakon uvrtavanja jednadbi (12.17) i (12.19) za wi i qcc u jednadbu (12.18), dobivamo:

( ) ( )thcc

c

ri

th

cc

p

c

rip

i TTTT

c

Tc

14

1

1

14

1

1111

111

1

=

=

( 12.20 )

Koristei dodatne matematike transformacije, jednadba (12.20) se svodi na novi oblik:

th

cc

c

c

ri

i

=

1

1

111

1

1

1

( 12.21 )

Prema tome, indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja ovisi o brojnim parametrima:

371

Slika 12.3 Indicirani stupanj djelovanja najjednostavnijeg plinskoturbinskog postrojenja u ovisnosti o omjeru tlakova na kompresoru i omjeru temperatura

( )thcccrii f ,,,,= Treba biti jasno da je indicirani stupanj djelovanja i vei, kada su vei i svi ostali indicirani stupnjevi djelovanja na postrojenju, odnosno kada su manji gubici na kompresoru, turbini ili komori izgaranja. Kako se moe vidjeti iz jednadbe (12.21), i je linearno proporcionalan s

thcc. Stupanj djelovanja

plinskoturbinskog postrojenja jo jae ovisi o stupnjevima djelovanja kompresora i turbine, to nas upuuje u potrebu za njihovim poboljanjem. Indicirani stupnjevi djelovanja su danas: za aksijalni kompresor c = 0.83-0.90 i za plinsku turbinu ri = 0.85-0.90. Na slici 12.3 prikazane su krivulje = f() za razliite vrijednosti za = T1/T3 pri ri = 0.87, c = 0.88,

thcc = 0.97 i konstantnoj temperaturi usisanog zraka T3 = 288 K (15

oC). Kako moemo vidjeti, stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja kontinuirano se poveava s poveanjem . U isto vrijeme, poveana je i radna sposobnost 1 kg zraka, tako da je tada za istu snagu potreban manji protok zraka. Poveanje se moe postii s poveanjem T1 ili smanjenjem T3. Poto se temperatura atmosferskog zraka moe mijenjati u irokom rasponu, njezina promjena moe znaajno utjecati na stupanj djelovanja i snagu plinskoturbinskog postrojenja. S poveanjem T3, poveava se specifini volumen zraka, ime se ujedno poveava rad kompresora. Tada se ujedno smanjuje maseni protok zraka i snaga plinske turbine. Najdjelotvornija metoda za poveanje stupnja djelovanja plinskoturbinskog postrojenja je u poveanju temperature plina T1 ispred turbine. Kako se vidi iz slike 12.3, indicirani stupanj djelovanja i je vei pri vioj temperaturi T1. Ovo vrijedi za bilo koje plinskoturbinsko postrojenje obzirom da je T1 najvia temperatura u procesu i njeno povienje ujedno poveava stupanj djelovanja. Kod stacionarnih turbina velike snage, doputene maksimalne temperature za dugi rad postrojenja su T1 = 1000 - 1400 K. Daljnje poveanje temperature je ogranieno mineralnim termikim izolacijama i vrstoom metala na visokim temperaturama koji se koriste za izradu rotora i rotorskih lopatica. Kod plinskih turbina s kratkim periodima rada, maksimalna temperatura T1 moe dosei 1600 K. U opem sluaju, odabir poetne temperature T1 ovisi o brojnim faktorima, prije svega o namjeni plinskoturbinskog postrojenja, predvienom ivotnom vijeku i vrsti goriva koje se koristi. Na primjer, poetna temperatura u plinskoj turbini koja koristi tekue gorivo, posebno s visokim sadrajem vanadija je smanjena na najvie 920 K kako bi se smanjio utjecaj visokotemperaturne korozije. Time je snien i stupanj djelovanja postrojenja.

372

Jednadba = f() ima mnogo sloeniju ovisnost, kako se koe vidjeti na slici 12.3, obzirom da stupanj djelovanja plinske turbine ima maksimalnu vrijednost za neki optimalni omjer tlakova opt. Vrijednost za opt ovisi o izvedbi postrojenja i o temperaturama T1 i T3. Stupanj djelovanja se poveava s poveanjem T1 i smanjenjem T3. Neki od dodatnih faktora koji imaju utjecaj su ri ili c i opt. Zbog toga je potrebno posebno izraunati opt za odreenu izvedbu turbine i njene glavne karakteristike. Omjer korisnog rada plinske turbine i rada same turbine oznaava se kao koeficijent korisnoga rada:

t

c

t

ct

t

i

w

w

w

ww

w

w=

== 1 ( 12.22 )

Jasno je da je vei kada je rad kompresije manji ili kada je rad turbine vei, tj. kada je rad predan potroau vei. Uvrtavanjem jednadbi (12.11) i (1217) za radove wt i wi u jednadbu (12.22), nakon sreivanja dobivamo:

cri

1

1

= ( 12.23 )

Iz ove jednadbe je vidljivo koji parametri doprinose poveanju koeficijenta korisnog rada . Pored toga, uz pretpostavku odreenih vrijednosti zari i c i uzimanjem = 0 mogue je odrediti vrijednost za pri razliitim vrijednostima kada se iz postrojenja ne dobiva nikakav korisni rad. Indicirana snaga plinskoturbinskog postrojenja moe se prikazati jednadbom:

iai wmP &= ( 12.24 ) gdje je am& maseni protok zraka u postrojenju, kg/s, a wi je indicirani korisni rad postrojenja, kJ/kg,

koji izraunavamo po jednadbi (12.16) ili (12.17). Rad wi se moe prikazati kao razlika toplinskih padova turbine i kompresora:

criti

HHw 00 = ( 12.25 )

gdje su H0t izentropski toplinski pad u kompresoru, kJ/kg, a Hc izentropski toplinski pad u turbini kJ/kg:

( )21210 TTchhH pt == ( 12.26 )

( )3434 TTchhH pc == ( 12.27 ) Toplinske padove H0t i H0c mogu se oitati u h-s dijagramu za produkte izgaranja i za plin. Vane karakteristike plinskoturbinskog postrojenja su specifine potronje zraka di, topline qi i goriva gi. Specifina potronja zraka je omjer masenog protoka zraka u jednom satu am& i korisne snage. Ona u

odreenom smislu predstavlja dimenzije postrojenja. Za odreenu snagu ostale jednake uvjete, dimenzije postrojenja su direktno proporcionalne specifinoj potronji zraka:

i

iw

d1

= kg/kJ

373

ii

ai

wP

md

36003600 ==

& kg/kWh ( 12.28 )

gdje je am& protok zraka u kompresoru, kg/s, a Pi je indicirana snaga postrojenja, kW.

Specifina potronja topline, kJ/kWh, odreuje stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja:

i

iq 3600

= kJ/kWh ( 12.29 )

gdje je i indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja. Kada usporeujemo stupnjeve djelovanja razliitih plinskoturbinskih postrojenja, relativnu utedu u potronji topline moemo prikazati jednadbom:

i

ii

i

iii

q

qqq

=

= ( 12.30 )

gdje su qi i i specifina potronja topline i indicirani stupanj djelovanja postrojenja kojega usporeujemo, a q'i i 'i su to isto za djelotvornije postrojenje. Uz poznatu donju ogrjevnu mo Hd za gorivo koje koristi turbina, mogue je izraunati specifinu potronju goriva, kg/kWh:

d

g

did

ii

H

m

HH

qg

&3600

3600===

( 12.31 )

gdje je gm& maseni protok goriva, kg/s.

Vanjski gubici plinskoturbinskog postrojenja nemaju izravni utjecaj na stanje radnoga medija. Oni obuhvaaju gubitke zbog trenja u leajevima turbine i kompresora i u reduktoru (ako se koristi), gubitke zbog proputanja plina na brtvama i gubitke za pogon pomone opreme (pumpa ulja, regulator itd.). Svi vanjski gubici obuhvaeni su mehanikim stupnjem djelovanja postrojenja:

i

em

w

w= ( 12.32 )

gdje je we specifini efektivni rad plinskoturbinskog postrojenja, kJ/kg:

mie www = ( 12.33 ) gdje je wm specifini rad mehanikih gubitaka, kJ/kg. Nakon nekoliko transformacija dobivamo:

( ) ( )

i

cmc

ctmrit

i

cmc

ctmt

mw

ww

w

ww

+

=

+

=

11

1

1

11

1

1

00

0

( 12.34 )

gdje su tm i cm mehaniki stupnjevi djelovanja turbine i kompresor.

374

Unutarnji i vanjski gubici plinskoturbinskog postrojenja obuhvaeni su efektivnim stupnjem djelovanja, koji je omjer efektivnog predanoga rada i specifino dovedene topline u proces po 1 kg zraka u komori izgaranja.

cc

ee

q

w= ( 12.35 )

mie = ( 12.36 ) Specifina toplina dovedena u komori izgaranja qcc moe se nai po jednadbi (12.19) ii po jednadbi:

a

dg

ccm

Hmq

&

&= ( 12.37 )

Efektivna snaga plinskoturbinskog postrojenja, kW, je:

aee mwP &= ( 12.38 )

mie PP = ( 12.39 ) Specifina efektivna potronja goriva, kg/kWh, je:

dedmim

i

mi

g

e

g

eHH

g

P

m

P

mg

36003600

36003600 =====&&

( 12.40 )

Osim poveanja temperature plina pred ulazom u turbinu, postoje i druge metode za poveanje stupnja djelovanja postrojenja: 1. Regeneracija topline ispunih plinova, 2. Kompresija zraka u vie serijski povezanih stupnjeva s hlaenjem zraka u hladnjacima izmeu

stupnjeva, 3. Primjenom izgaranja (ili grijanja plina) u vie stupnjeva, 4. Koritenjem turbina s vie vratila, to daje vii stupanj djelovanja n smanjenim optereenjima, 5. Primjenom kombiniranog postrojenja parne i plinske turbine, 6. Koritenjem topline ispunih plinova za proizvodnju pare ili vrele vode. Ove metode sadre esto i vrlo sloene sustave, sheme i opremu.

12.4 Jednoosovinsko plinskoturbinsko postrojenje s regeneracijom Jedna od moguih metoda za poveanje stupnja djelovanja je utilizacija topline ispunih plinova za zagrijavanje komprimiranog zraka koji se dovodi u komoru izgaranja. Za tu namjenu se zrak iza kompresor 1 (slika 12.4a) dovodi u regenerator koji je u biti povrinski izmjenjiva topline. Tu se dio topline ispunih plinova iza turbine 4 predaje zraku, a ohlaeni ispuni plinovi se odvode u dimnjak i u atmosferu. Zagrijani zrak se dovodi u komoru izgaranja 3. Pogledajmo T-s dijagram procesa plinske turbine s regeneracijom (slika 12.4b). Glavne linije koje pokazuju odvijanje procesa u plinskoj turbini su sljedee: 3 - 4, je kompresija zraka u kompresoru, 4 - 5, je zagrijavanje zraka u regeneratoru pri konstantnom tlaku, 5 - 1, je dovod topline u komori izgaranja pri konstantnom tlaku, 1 - 2, je ekspanzija plinova u turbini, 2 - 6, je odvod topline od ispunih plinova u regeneratoru pri konstantnom tlaku, 6 - 3, je izobarni odvod topline od plinova pri ispuhu u atmosferu.

375

Slika 12.4 Regenerativno plinskoturbinsko postrojenje a - glavna shema regenerativnog postrojenja s jednim vratilom, b - T-s dijagram procesa turbine

rafirana povrina a-4-5-b predstavlja toplinu qa dovedenu 1 kg zraka u regeneratoru, a povrina d-6-2-e koliinu topline odvedenu od ispunih plinova i predanu 1 kg zraka. Ove dvije povrine su uzajamno jednake ako pretpostavimo da nemamo nikakve gubitke u okoli. Toplina ispunih plinova turbine bi bila potpuno iskoritena ako bi zrak u regeneratoru zagrijali na temperaturu T5' = T2, tj. na temperaturu s kojom ispuni plinovi izlaze iz turbine. Ova je koliina topline u T-s dijagramu prikazana povrinom a-4-5'-c. Omjer:

Rq

qa ==5'-c-4-a povrina

b-5-4-a povrina

max

( 12.41 )

je omjer stvarno prenesene koliine u regeneratoru prema idealno moguoj, koji nazivamo omjer regeneracije. Pretpostavimo da qa i qmax moemo izraziti parametrima procesa:

( )45 TTcq pa = ( 12.42 )

( )42max TTcq p = ( 12.43 ) gdje je T2 temperatura ispunih plinova na izlazu iz turbine, T4 je temperatura zraka prije regeneratora, a T5 iza regeneratora. Sada moemo napisati jednadbu za omjer regeneracije:

42

45

TT

TTR

= ( 12.44 )

Zanemarujui pad tlaka pri strujanju plina ili zraka kroz regenerator, mogli bi pretpostaviti da regenerator nema nikakvog utjecaja na korisni rad wi plinskoturbinskog postrojenja, koji izraunavamo po jednadbi (12.17). S druge strane, koliina topline qr koju dovodimo u komori izgaranja u procesu s regeneracijom je manja za qa od koliine topline qcc koju dovodimo u procesu bez regeneracije, tj.:

accr qqq = ( 12.45 ) Supstitucijom jednadbi (12.19) i (12.42) za qcc i qa u jednadbu (12.45) i uzimajui u obzir gubitke za qa u komori izgaranja pomou thcc, dobivamo:

376

( ) ( ) ( )

===

1

41514541 1

T

TTcTT

cTT

cTT

cq

th

cc

p

th

cc

p

th

cc

p

th

cc

p

r ( 12.46 )

Dakle, indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja s regeneracijom je:

th

cc

c

ri

r

iir

T

Tq

w

1

5

1

1

1

111

1

==

( 12.47 )

Izrazimo sada T5 pomou R po jednadbi (12.44):

( ) 4425 TTTRT += Uvrtavanjem ove jednadbe u jednadbu (12.47) dobivamo:

( )[ ]th

cc

c

ri

ir

T

TRRT

1

42

1

1

11

111

1

+

=

( 12.48 )

Nakon odreenih transformacija, jednadbu (12.48) moemo zapisati u bezdimenzijskom obliku:

th

cc

c

ri

c

c

ri

ir

RT

+

+

=

11

111

1111

1

1

111

1

1

14

1

1

1

( 12.49 )

Krivulje ( ) fir = za razliite vrijednosti od R su prikazane na slici 12.5. One su iscrtane za temperaturu plina ispred turbine T1 = 1023 K, temperaturu zraka ispred kompresora T3 = 288 K i stupnjeve djelovanja ri = 0.87 i thcc = 0.97. Sve krivulje se sijeku u toki A koja odgovara omjeru tlakova pri kojemu temperatura iza kompresora postaje jednaka temperaturi plina iza turbine, tj.

24 TT = . U tom sluaju je regeneracija nemogua. Regeneracija smanjuje optimalni omjer tlakova opt na kompresoru, koji je manji pri vioj vrijednosti R. Iz tog razloga, regeneracija uzrokuje porast koeficijenta korisnog rada , koji izraunavamo po jednadbi (12.23). Pri R < 0.5, utjecaj regeneracije na stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja postaje zanemariv. Vrijednost od R se aktualno izraunava po ogrjevnoj povrini regeneratora. U najmodernijim plinskoturbinskim postrojenjima s regeneracijom je R = 0.6-0.8. U tom je sluaju uteda na gorivu zbog regeneracije na razini od 22-28%. Pri R > 0.8, regenerator ima jako veliku ogrjevnu povrinu i prema tome velike dimenzije. Iz toga razloga, najbolje vrijednosti od R nalazimo ovisno o shemi i primjeni plinskoturbinskog na temelju tehniko-ekonomskih prorauna koji uzimaju u obzir T1, ri, c, masu i veliinu, trokove i izvedbu postrojenja. Osim toga, ugradnja regeneratora stvara dodatne hidraulike otpore na putu zraka i plina, pa prema tome i odgovarajue smanjenje stupnja djelovanja postrojenja. Pri velikim otporima strujanja moe doi i do ponitavanja efekta regeneracije.

377

Slika 12.5 Indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja u ovisnosti o omjeru tlakova na kompresoru pri razliitim vrijednostima stupnja regeneracije R

Moemo napomenuti u zakljuku da regeneracija omoguuje poboljanje stupnja djelovanja postrojenja ne samo za uvjete nazivnog optereenja, ve i pri djelominim optereenjima, obzirom da se stupanj djelovanja postrojenja s regeneracijom smanjuje pri smanjenju optereenja sporije nego stupanj djelovanja postrojenja bez regeneracije. Osim kod plinskoturbinskih postrojenja s jednim vratilom rotora, koja smo ovdje opisali, regeneracija se koristi i kod razvijenih postrojenja s vie vratila i u svim sluajevima gdje je njena primjena ekonomski isplativa.

12.5 Plinskoturbinsko postrojenje s kompresijom i izgaranjem u vie

stupnjeva Kao to nam je poznato iz termodinamike, rad kompresije plina je najmanji ako se on odvija izotermno. Ovakav se proces ne moe ostvariti u kompresoru. Kako bi stvarni proces u kompresoru pribliili izotermnom procesu i na taj nain smanjili rad kompresije, koristimo kompresiju u vie stupnjeva s hlaenjem zraka meu stupnjevima. Hlaenje se odvija u meuhladnjacima. Jasno je da e proces biti sve blii izotermnom procesu, to vie stupnjeva kompresije koristimo. Vei broj stupnjeva iziskuje sloenije i skuplje postrojenje uz vee gubitke strujanja na putu zraka. Iz tih razloga se obino koriste dva stupnja kompresije, a mnogo rjee tri ili vie stupnjeva kompresije. Ponekada se iza zadnjeg stupnja kompresije, prije komore izgaranja, stavlja regenerator. Shema procesa plinske turbine s dva stupnja kompresije zraka i regeneracijom prikazana je na slici 12.6. Prvi stupanj kompresije C1 sie zrak i komprimira ga na tlak p*. Njegova temperatura porasla je s T3 na T*4 (linija 3-4*). Zrak se tada vodi u hladnjak zraka AC kako bi ga ohladili po liniji konstantnoga tlaka na temperaturu T*3 (linija 4*-3*), nakon ega ga usisava drugi stupanj kompresora C2 i komprimira ga na tlak p4. Njegova temperatura poveala se kompresijom na T4 (linija 3*-4). Nakon toga zrak prolazi kroz regenerator R, u kojemu se grije s T4 na T5 i ulazi u komoru izgaranja CC. Produkti izgaranja na temperaturi T1 i tlaku p1 dolaze u turbinu T, u kojoj ekspandiraju na tlak p2 i temperaturu T2, nakon ega ulaze u regenerator R u kojemu se hlade na konanu temperaturu ispuha T6. Indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja s regeneracijom s kompresijom zraka u dva stupnja prikazan je jednadbom:

378

Slika 2.6 Plinskoturbinsko postrojenje s kompresijom u dva stupnja i meuhladnjakom zraka a - principijelna shema, b - T-s dijagram procesa turbine

+==

2

20

1

100

1

c

c

c

crit

cccc

iicr

www

qq

w

( 12.50 )

gdje je wi indicirani rad plinskoturbinskog postrojenja, koji je jednak razlici rada turbine i rada za kompresiju u kompresorima C1 i C2. Veliina qcc je specifina toplina dovedena 1 kg zraka u komori izgaranja. Specifini radovi w0c1 i w0c2 su radovi izentropske kompresije u kompresorima C1 i C2, a c1 i c2 su stupnjevi djelovanja ovih kompresija. w0t i ri su specifini izentropski rad i indicirani stupanj djelovanja za ekspanziju u turbini. Sukladno T-s dijagramu na slici 12.6b, radovi izentropske kompresije u kompresorima C1 i C2 su:

( )

== 1

3

*4

33*

410T

TTcTTcw ppc ( 12.51 )

( )

== 1

*3

4*3

*3410

T

TTcTTcw ppc ( 12.52 )

Neka su omjeri tlakova na prvom i drugom kompresoru:

3

*

1p

p=

*4

2p

p= ( 12.53 )

gdje je p3 tlak ispred kompresora C1, p

* je tlak izmeu kompresora i u meuhladnjaku, a p4 je tlak iza kompresora C2. Za toke 3 i 4'* te za 3* i 4' koje lee na izentropskim linijama kompresije moemo zapisati jednadbe:

1

1

1

*3

*

3

*4

=

=

p

p

T

T

1

2

1

*4

3

4

=

=

p

p

T

T ( 12.54 )

Nakon uvrtavanja jednadbi (12.54) u jednadbe (12.51) i (12.52), dobivamo:

=

11

1310

Tcw pc ( 12.55 )

379

=

11

2*

310

Tcw pc ( 12.56 )

Rad izentropske ekspanzije u turbini, w0t i specifino dovedena toplina u komori izgaranja mogu se izraunati po jednadbama:

( )

==

11210

11TcTTcw ppt ( 12.57 )

( )

==

1

5151 1

T

TTcTT

cq

th

cc

p

th

cc

p

cc ( 12.58 )

gdje je ukupni omjer tlakova u procesu:

213

4 ==p

p

Supstitucijom vrijednosti iz jednadbe (12.55) uvrtavanjem (12.58) u (12.50), dobivamo jednadbu za indicirani stupanj djelovanja:

th

cc

cc

ri

icr

T

T

1

5

2

1

2

1

1

11

1

1111

+

=

( 12.59 )

gdje su: 3

1

T

T=

*3

1

T

T= , pa moemo dobiti:

( )

th

cc

c

ri

cc

ri

icr

RR

+

+

=

2

1

21

2

1

2

1

1

11

11

11111

1111

( 12.60 )

gdje je R omjer regeneracije. Kako slijedi iz analize jednadbe (12.60), stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja se poveava pri poveanju i ', tj. pri poveanju poetne temperature plina T1 i smanjenju temperature zraka T3 i T*3 prije kompresora. Stupanj djelovanja procesa se poveava i s poveanjem omjera regeneracije i stupnja djelovanja turbostrojeva (turbine i svakoga kompresora) ri, c1 i c2. Stupanj djelovanja postrojenja icr ima maksimum na odreenim vrijednostima za 1 i . Utjecaj omjera tlakova na kompresoru i icr su prikazani u obliku krivulja icr = f( ) na slici 12.7, koje su prikazane za razliite omjere regeneracije R po jednadbi (12.60).

380

Slika 12.7 Indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja s dva stupnja kompresije i meuhlaenjem ovisno o omjeru tlakova i omjeru regeneracije R

Krivulje su iscrtane uz pretpostavku da su: 1 = 2, = ' = 3.55, ri = 0.88 i c1 = c2 = 0.85. Za usporedbu, crtkane linije na slici prikazuju iste krivulje za iste vrijednosti od R,, ', ri, c1 i c2 za plinskoturbinsko postrojenje bez meuhladnjaka. Usporedbom krivulja, moemo vidjeti da meuhlaenje poveava stupanj djelovanja postrojenja, s time da je dobitak to vei to je vei omjer regeneracije R. Pored toga, za odreeni omjer regeneracije R, meuhlaenje donosi poveanje optimalnog omjera tlakova opt i prema tome smanjenje specifine potronje plina i poveanje specifine snage postrojenja. Mogue je takoer poveati stupanj djelovanja i specifinu snagu, te smanjiti specifinu potronju plina primjenom izgaranja u vie stupnjeva u nekoliko komora izgaranja koje su smjetene du puta plina meu plinskim turbinama. U tom sluaju, proces ekspanzije plina se vie pribliava izotermnom procesu, ime se poveava stupanj djelovanja procesa i korisni rad postrojenja. Shema postrojenja s regeneracijom i izgaranjem u dva stupnja uz meupregrijanje plina prikazana je na slici 12.8a. Zrak iz kompresora C prolazi kroz regenerator R pri tlaku p4 i temperaturi T5 te ulazi u prvu komoru izgaranja CC1. Produkti izgaranja iz ove komore, pri temperaturi T1 i tlaku p1 dovode se u prvu turbinu T1 u kojoj ekspandiraju na tlak p*2 i pritom se ohlade na T*2. Ispuni plinovi iz turbine T1 ulaze u drugu komoru izgaranja CC2 gdje njihova temperatura naraste na T*1 zbog dodatnog izgaranja goriva. Obzirom na visoki pretiak zraka za izgaranje u komori CC1, dodatno gorivo moe izgarati u komori CC2 bez dovoda dodatnog zraka. Produkti izgaranja iz te druge komore odvode se na drugu turbinu T2 i u njoj ekspandiraju na tlak p2 i temperaturu T2, nakon ega se kroz regenerator R odvode u ispuh u atmosferu.

Slika 12.8 Plinskoturbinsko postrojenje s izgaranjem u vie stupnjeva a - principijelna shema, b - T-s dijagram procesa

381

T-s dijagram ovoga procesa prikazan je na slici 12.8b. Linije u dijagramu prikazuju sljedee procese: 3 - 4 je kompresija u kompresoru C, 4 - 5 je zagrijavanje zraka u regeneratoru R, 5 - 1 je dovod topline u prvoj komori izgaranja CC1, 1 - 2* je ekspanzija u prvoj plinskoj turbini T1, 2* - 1* je dovod topline u drugoj komori izgaranja CC2, 1* - 2 je ekspanzija plina u drugoj turbini T2, 2 - 6 je odvod topline u regeneratoru R, 6 - 3 je odvod topline ispuhom ispunih plinova u atmosferu. Indicirani stupanj djelovanja postrojenja s plinskom turbinom s regeneracijom i dovodom topline u dva stupnja je:

21

0202101

21 hh

cctritri

hh

iihr

qq

www

qq

w

++

=+

=

( 12.61 )

gdje su wi specifini indicirani rad radnoga medija u plinskoturbinskom postrojenju, qh1 i qh2 su specifine dovedene topline u komorama izgaranja CC1 i CC2, w0t1 i w0t2 su specifini radovi izentropske ekspanzije na turbinama T1 i T2, indicirani stupnjevi djelovanja za ekspanzije na turbinama su ri1 i ri2, a w0c i 0c su specifini izentropski rad i indicirani stupanj djelovanja za kompresiju u kompresoru C. Sukladno slici 12.8b, moemo sastaviti jednadbu u sljedeem obliku:

( ) ( ) ( )

( ) ( )*2*151

3*

12

*12

*211

TTcTTc

TTcTTcTTc

pp

c

p

pripri

ihr +

+

=

( 12.62 )

ili nakon sreivanja:

( )

+

+

+

=

1

1

11

2

21

3

1

1

3

1

1

2

121

1

1

11

1111

1

11

11

riri

c

c

riri

ihr

R

TR

T

( 12.63 )

gdje je R omjer regeneracije; 31 TT= je stupanj poveanja temperature u procesu, 1*

11 TT= je omjer apsolutnih temperatura ispred prve i druge turbine, T1 i T2; 1 = p1/p*1 je stupanj ekspanzije pare u prvoj turbini; 2 = p*1/p2 je stupanj ekspanzije pare u drugoj turbini; = 12 je ukupni stupanj ekspanzije, koji je jednak omjeru tlakova na kompresoru = p1 / p2 = . Kako slijedi iz analize po jednadbi (12.63), indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja sa stupnjevitim izgaranjem se poveava kada se poveavaju T1, T*1, R, ri1, ri2, i c i kada se smanjuje T3. Pri fiksnim vrijednostima ovih parametara, ihr poprima maksimalnu vrijednost pri optimalnom omjeru tlakova na kompresoru opt i stupnju ekspanzije u prvoj ili drugoj turbini, 1opt ili 2opt.

382

Slika 12.9 Indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja pri izgaranju u dva stupnja ovisno o omjeru tlakova na kompresoru i omjeru regeneracije R

Utjecaj omjera tlakova na kompresoru na stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja s izgaranjem u dva stupnja prikazan je na slici 12.9. Pri crtanju dijagrama uzete su sljedee pretpostavke: = 3.55, 1 =1, ri1 = ri2 = 0.87, c = 0.86, 1 = 2, = 12. Usporedba ovih krivulja s krivuljama za stupanj djelovanja najjednostavnije plinske turbine (crtkane linije na slici 12.9) za iste zadane parametre ukazuju na utjecaj izgaranja u dva stupnja na poveanje stupnja djelovanja, osobiti kod velikih omjera regeneracije R. Pored svega, za istu vrijednost od R, izgaranje u vie stupnjeva poveava optimalni omjer tlakova opt i smanjuje specifinu potronju plina. Iz analize je jasno da se pri poveanju broja stupnjeva izgaranja pribliavamo izotermnom dovodu topline u proces. Kao i kod uvoenja veeg broja stupnjeva kompresije s meuhlaenjem, vidjeli smo da nije isplativo ii na veliki broj stupnjeva i da je najpogodnije ako kompresiju vrimo u dva stupnja s meuhlaenjem zraka meu stupnjevima kompresije. Slino emo se i kod izgaranja ograniiti na dva stupnja izgaranja, jer su oprema za ubrizgavanje goriva i same komore vrlo skupi elementi turbine. Veliki broj komora ujedno poveava i gubitke strujanja u plinskoj turbini i smanjuje joj stupanj djelovanja. Kod plinskih turbina u praksi se esto koriste turbine s podjelom kompresije u dva stupnja s meuhlaenjem i na izgaranje u dva stupnja s dva stupnja ekspanzije na turbini. Iako ovakva izvedba turbine komplicira njenu konstrukciju i poskupljuje ju, vrlo se esto koristi u suvremenim turbinama. To sve zajedno, u kombinaciji s optimalno odabranim parametrima, kao to su optimalni omjer tlakova i omjer regeneracije, omoguuju poveanje stupnja djelovanja plinskoturbinskog postrojenja.

12.6 Plinska turbina s vie vratila Meu proizvoaima plinskih turbina je veliki trend u poveanju snage turbina, kako bi smanjili trokove investicija i trokove odravanja. Snaga jedne parne turbine je poveana do 1200 MW, ali se snage plinskih turbina vrlo rijetko penju na vrijednosti vee od 300 MW. Vezano uz to, analizirati emo koje su krajnje mogunosti postizanja snage za plinsku turbinu i nai veliine koje ograniavaju tu snagu. Ako uzmemo jednadbe (12.24), (12.25), (12.35) i (12.39), korisnu snagu plinske turbine moemo prikazati ne sljedeom jednadbom:

=

cmc

ctmritgef

HHmP

00& ( 12.64 )

383

gdje je gm& protok plina na turbini, kg/s, H0t i H0c su izentropski padovi entalpije na turbini i

kompresoru, kJ/kg, ri i c su indicirani stupnjevi djelovanja za turbinu i kompresor, a tm i cm su mehaniki stupnjevi djelovanja turbine i kompresora. Iz jednadbe (12.64) vidimo da se dio rada dobivenog ekspanzijom plina na turbini troi za pogon kompresora. U najjednostavnijim shemama postrojenja plinske turbine ovaj dio ini 70 do 75%, tako da se samo 35 do 30% dobivenog rada na turbini koristi za pogon potroaa. Poto smjesa produkata izgaranja goriva na bazi ugljikovodika ima specifinu toplinu cp niu od one za vodenu paru (skoro 4 puta) obzirom da ispuni plinovi iz turbine izlaze s visokom temperaturom T2, raspoloivi (izentropski) toplinski pad za istu razliku temperatura je jednak 1/4 do 1/6 onoga za vodenu paru. Da bi dobili dovoljno visoku snagu na plinskoj turbini je potrebno znaajno poveati maseni protok plinova. Ovaj cijeli problem moemo rijeiti mnogo lake na postrojenjima s plinskom turbinom u zatvorenom procesu (vidi poglavlje 12.7) gdje se maseni protok plina moe poveati primjenom viih tlakova plina u cirkulaciji u zatvorenom sustavu. U postrojenju plinske turbine s otvorenim procesom, tlak p1 na ulazu u turbinu odreen je tlakom iza kompresora, iju smo optimalnu vrijednost opt odredili za odreeno postrojenje ovisno o shemi sustava i temperaturama na ulazu u turbinu i ulazu u kompresor, stupnjevima djelovanja turbine i kompresora te nekim drugim faktorima (vidi poglavlje 12.3). U najjednostavnijim izvedbama plinskih turbina s jednim vratilom, optimalni omjer tlakova obino nije vii od opt = 4 ... 6. Zbog toga je maseni protok kroz turbinu moemo poveati samo poveanjem volumnog protoka, tako da je onda potrebno znaajno poveati promjer turbine i visinu lopatica. S druge strane, naprezanja u lopaticama rotora se poveavaju s poveanjem visine lopatica i brzine vrtnje. Prema tome, visina lopatica i brzina vrtnje su dodatni faktori koji ograniavaju snagu turbine. Za razliku od parnih turbina, gdje je snaga turbine ograniena visinom lopatica na zadnjim stupnjevima, snaga plinske turbine je ograniena visinom lopatica prvoga stupnja, obzirom da upravo te lopatice rade na najviim temperaturama i nalaze se u najteim radnim uvjetima, tako da su doputena naprezanja na njima mnogo manja nego na lopaticama drugoga stupnja. Treba napomenuti da je obraeni pad entalpije na akcijskom stupnju dvaput vei od onoga za isti reakcijski stupanj. Kod plinskih turbina velike snage s lopaticama velike visine, za razliku, reakcijski stupnjevi omoguuju vii stupanj djelovanja, obzirom da reakcijske lopatice imaju bolji aerodinamiki profil. Za poveanje snage i stupnja djelovanja, postrojenja s plinskom turbinom s otvorenim procesom se izvode s vie koncentrinih vratila s kompresijom zraka u vie stupnjeva, s izgaranjem u vie stupnjeva, regeneracijom itd. Snaga ovakvih turbina moe biti ograniena s maksimalnim masenim protokom kompresora, ili kod kompresije u vie stupnjeva, s maksimalnim protokom na niskotlanom kompresoru. Odabir izvedbe s vie vratila moe biti diktiran i drugim okolnostima od posebnog znaaja, naime s mogunosti da poveamo stupanj djelovanja postrojenja u radu na smanjenim optereenjima. To se jasno moe vidjeti na slici 12.10, koja prikazuje krivulje relativnoga stupnja djelovanja ovisno o optereenju Pel za tri vrste plinskih turbina; na slici je stupanj djelovanja pri smanjenom optereenju, a f je isto za puno optereenje. Moe se zapaziti da je smanjenje stupnja djelovanja pri smanjenom optereenju najmanje kod plinske turbine sa zatvorenim procesom (krivulja 3), ija se snaga regulira s promjenom masenog protoka plina pri konstantnoj temperaturi pred turbinom. Suprotno tome je veliko smanjenje stupnja djelovanja na smanjenom optereenju kod najjednostavnije turbine s otvorenim procesom i jednim vratilom rotora (krivulja 1), obzirom da se ovdje snaga regulira samo promjenom toplinskog pada Ht u turbini. Da bi to uinili na smanjenom optereenju, smanjujemo poetnu temperaturu plina ispred turbine, ime znaajno smanjujemo stupanj djelovanja procesa. Smanjenje stupnja djelovanja je mnogo manje u plinskoj turbini s otvorenim procesom i s dva vratila rotora (krivulja 2). To nam sugerira da postrojenja plinskih turbina s vie vratila preporuujemo u sluajevima gdje turbina mora raditi u irokom podruju optereenja ili uglavnom na smanjenim optereenjima.

384

Slika 12.10 Relativni stupanj djelovanja plinske turbine na razliitim optereenjima 1 - najjednostavnija plinska turbina s otvorenim procesom i jednim vratilom rotora,

2 - plinska turbina otvorenog procesa s dva vratila rotora, 3 - plinska turbina sa zatvorenim procesom

Slika 12.11 Principijelna shema plinske turbine s dva vratila rotora

Slika 12.12 Principijelna shema plinske turbine s dva vratila rotora (GT-100-750-2) Najjednostavnija izvedba plinske turbine s vie vratila je izvedba s podijeljenim vratilom (slika 12.11). Turbina je podijeljena na dva dijela koji su uzajamno povezani pomou cijevi. Visokotlani dio turbine 4 pokree kompresor 2 i moe raditi na proizvoljnoj brzini vrtnje. Niskotlani dio turbine 5 vrti se na konstantnoj brzini vrtnje radi pogona elektrinog generatora. Snaga za pogon generatora 6 regulira se uglavnom promjenom masenog protoka kroz niskotlanu turbinu 5, tako da mijenjamo protok zraka iz kompresora 2 u komoru izgaranja 3. Protok kroz kompresor ovisi o brzini vrtnje visokotlane turbine 4, koju reguliramo promjenom koliine goriva koje dovodimo u komoru izgaranja 3. Turbinu iz mirovanja pokreemo elektromotorom 1. U tom sluaju se poetna temperatura plina ispred turbine 5, koja pokree elektrini generator 6, smanjuje manje nego kod plinske turbine s jednim vratilom, tako da se stupanj djelovanja postrojenja moe odravati na visokoj razini. S druge strane, obzirom da je turbina podijeljena na dva dijela, postrojenje ponekada ima manji stupanj djelovanja na punom optereenju. Tipini promjer sloenog plinskoturbinskog postrojenja s vie vratila je plinska turbina GT-100-750-2. To je plinska turbina s dva vratila za pogon elektrinog generatora snage 100 MW (slika 12.12). Niskotlani kompresor 7 ima pogon s vratila niskotlane turbine 6, koja istovremeno pokree i elektrini generator 8. Zrak se u kompresoru 7 tlai na 0.42 MPa. Kapacitet kompresora je 435 kg/s, a

385

njegov stupanj djelovanja je 0.88. Zrak se iza kompresora 7 hladi u hladnjaku 5 i vodi dalje u visokotlani kompresor 1 u kojemu se zrak tlai na 2.55 MPa. Zrak se vodi u visokotlanu komoru izgaranja 2. Visokotlana turbina 3 pokree visokotlani kompresor. Plinska turbina ima meuhlaenje zraka izmeu niskotlanog i visokotlanog kompresora, kao i izgaranje u dva stupnja. Niskotlana komora 4 smjetena je izmeu plinskih turbina 6 i 3. Temperatura plina ispred turbina pod nazivnim optereenjem se odrava na 1020 K (oko 750 oC). Stupanj djelovanja postrojenja pod tim uvjetima je 0.28. Obzirom da ova plinska turbina nema regeneraciju, toplina ispunih plinova iz niskotlane turbine se koristi za grijanje vode u zagrijau 9 prije nego ispune plinove ispustimo u okoli. Za bolji rad sustava grijanja vode, voda se u poetku zagrijava u meuhladnjaku zraka 5. Kompresija zraka u dva stupnja s meuhladnjakom i primjena izgaranja u dva stupnja omoguuje postizanje omjera tlakova = 26, ime je mogue dobiti veliku snagu uz relativno visoki stupanj djelovanja. Primjena izvedbe s dva vratila omoguuje da se visoki stupanj djelovanja odri i na smanjenim optereenjima. Ove plinske turbine mogu kao gorivo koristiti plinovita ili tekua goriva.

12.7 Plinske turbine sa zatvorenim procesom Principijelna shema plinske turbine sa zatvorenim procesom prikazana je na slici 12.13. Za razliku od plinskih turbina s otvorenim procesom, ispuni plinovi iz turbine 3, nakon prolaza kroz regenerator 8, se ne odvode u okoli, ve se odvode u hladnjak 4, koji slui kao ponor topline. Plinovi se na taj nain ohlade na poetnu temperaturu procesa T4 pri tlaku p4. Ohlaeni plinovi se vode u kompresor 5 i komprimiraju se na tlak p5 i temperaturu T5. Plin se iz kompresora vodi kroz regenerator 8, u kojemu temperatura naraste na T6, a tlak zbog gubitaka strujanja padne na p6. U plinskim turbinama sa zatvorenim procesom, komora izgaranja je zamijenjena zagrijaem 1 u kojemu se radni medij (plin ili zrak) zagrijava dovodom topline izvana. Toplinu za grijanje moe stvarati izgaranje goriva ili neki drug izvor topline. Temperatura radnog medija poveava se u zagrijau 1 na T1 pri tlaku p1. Plin s tim parametrima ulazi u turbinu 3 i predaje joj rad u procesu ekspanzije na tlak p2 i temperaturu T2. Nakon toga se cijeli proces ponavlja. Turbina 3 pokree kompresor 5, a viak snage predaje se za pogon elektrinog generatora 2. Ugradnjom regeneratora u proces poveavamo stupanj djelovanja i time postiemo smanjenje povrina izmjenjivaa topline (zagrijaa i hladnjaka). Rashladna voda se nakon hladnjaka 4 koristi kao voda za grijanje. Ona se moe zagrijati na temperaturu od 200 do 230 oC bez da utjee na stupanj djelovanja postrojenja. Jasno moemo uoiti da se jedna te ista masa radnoga medija vrti u zatvorenom procesu plinske turbine, ako zanemarimo mala proputanja u sustavu. Ova se proputanja automatski kompenziraju dodavanjem dodatnog plina iz visokotlanoga spremnika 6.

Slika 12.13 Principijelna shema plinske turbine sa zatvorenim procesom

386

Snagu plinske turbine reguliramo promjenom tlaka u sustavu, a time i promjenom masenog protoka radnoga medija uz odravanje maksimalnoga omjera tlakova i najnie temperature procesa na konstantnim vrijednostima. Tada toplinski padovi, trokuti brzina i indicirani stupnjevi djelovanja ostaju praktino isti. Kada se optereenje povea, automatski sustav regulacije dodaje u sustav odreenu masu dodatnog plina iz visokotlanoga spremnika 6 i na taj nain povea tlak u sustavu. Ako se optereenje smanjuje, iz sustava se odvodi dio mase radnoga medija u niskotlani spremnik 7. Visokotlani spremnik se napaja pomou malog pomonog kompresora koji uzima plin iz niskotlanoga spremnika i tlai ga u visokotlani spremnik, u kojemu se tlak odrava viim od najveega tlaka koji se javlja u radu turbine u njenom visokotlanom dijelu. Zatvoreni termodinamiki proces plinske turbine ima odreene prednosti u usporedbi s otvorenim procesom: 1. Pouzdanost turbine je znatno via, a njen ivotni vijek znatno dui, obzirom da radni medij ne

sadri tvari koje bi mogle izazvati koroziju ili eroziju na dijelovima turbine. 2. Turbine sa zatvorenim procesom mogu raditi na goriva bilo koje vrste ili mogu koristiti druge

izvore topline, kao to je na primjer plinom hlaeni nuklearni reaktor. 3. Poveanjem poetnog tlaka ispred kompresora mogue je poveati maseni protok u sustavu i na

taj nain poveati snagu postrojenja. 4. Obzirom da snagu plinske turbine sa zatvorenim procesom reguliramo promjenom tlaka plina u

procesu, stupanj djelovanja postrojenja ostaje gotovo konstantan u irokom podruju optereenja. 5. Osim zraka mogu se koristiti razliiti drugi radni mediji u zatvorenom procesu plinske turbine.

Neki od njih imaju pogodna termofizikalna svojstva, primjenom kojih moemo poveati stupanj djelovanja sustava ili donijeti neke druge pogodnosti.

U usporedbi s otvorenim procesom, postrojenja plinske turbine sa zatvorenim procesom su mnogo sloenija, imaju velike dimenzije za istu snagu, troe vie materijala za njihovu izvedbu i mnogo su skuplja. Umjesto komore izgaranja, vrlo malih dimenzija, koriste se zagrijai s vrlo velikim dimenzijama i koji pomalo slie generatorima pare. Osim toga, sustav sadri hladnjak zraka kao dodatni dio, ije su dimenzije usporedive s kondenzatorom pare kod parnih turbina. Zbog svih navedenih razloga, postrojenja plinske turbine sa zatvorenim procesom jo uvijek ne nalaze iru primjenu, osim u sluajevima kada se kao gorivo koriste nepogodna goriva kao to su biomasa, teka goriva, kruta goriva itd. Glavna karakteristika suvremenih postrojenja s plinskom turbinom u zatvorenom procesu, koja rade s organskim gorivima prikazane su u tablici 12.1. Kako moemo vidjeti, njihove snage najee nisu velike, a njihov je stupanj djelovanja mnogo manji od onoga za parne turbine. Plinskoturbinska postrojenja sa zatvorenim procesom u usporedbi s parnoturbinskim postrojenjima imaju mnogo manje dimenzije i manju uporabu materijala za njihovu gradnju, tako da su jeftinije od parnih termoelektrana. Obzirom na te prednosti, ove se plinske turine esto koriste za male elektrane koje mogu raditi na lokalna goriva niske kvalitete. U novije vrijeme postrojenja s plinskom turbinom u zatvorenom procesu izazivaju sve veu pozornost obzirom na njihovu moguu promjenu u nuklearnim elektranama s reaktorom koji bi bio hlaen plinom. Termofizikalna svojstva nekih plinova dana su u tablici 12.2. Lista obuhvaa sljedee plinove: He, Ar, Ne, CO2, N2, koji su inertni na metalne materijale i kod visokih temperatura. To eliminira problem nune otpornosti na stvaranje naslaga i znaajno poveava listu moguih materijala koje moemo koristiti u gradnji ovih postrojenja. To ujedno omoguuje da moemo znaajno poveati temperaturu na ulazu u turbinu. Meu plinovima koji su navedeni u tablici 12.2 helij je najpogodniji obzirom na svoja termofizikalna svojstva. Njegova specifina toplina je oko 4.5 puta vea od one za zrak, Zbog toga za istu razliku temperatura, od temperature T1 na ulazu u turbinu do temperature T2 na izlazu iz turbine helij moe imati mnogo vii toplinski pad H0t od onoga za zrak.

387

Tablica 12.1 Glavne karakteristike postrojenja plinske turbine sa zatvorenim procesom pri radu na organska goriva Tablica 12.2 Termofizikalna svojstva plinova pri tlaku od 0.1 MPa Helij je jednoatomni plin, tako da njegova specifina toplina ne ovisi o temperaturi. Toplinska vodljivost helija je gotovo 6 puta vea od one za zrak, to nam omoguuje da znaajno smanjimo dimenzije izmjenjivaa topline, obzirom da toplinska vodljivost plina izravno utjee na koeficijent prijenosa topline. Sljedee vano svojstvo je da je brzina zvuka u heliju oko tri puta vea od one za zrak, tako da moemo znaajno poveati obodnu brzinu na rotorima kompresora i turbine bez rizika da nam se pojave udarni valovi u strujanju fluida. Nedostatak helija je u velikoj fluidnosti, zbog ega treba mnogo veu panju posvetiti brtvljenju turbine i druge opreme u zatvorenom procesu plinskoturbinskog postrojenja. Pored toga, helij je mnogo skuplji i nije ga mogue uvijek nabaviti, za razliku od ostalih plinova u tablici 12.2.

Proizvoa Karakteristika

Gorivo

Snaga, kW Ulazna temp. u kompresor, K Ulazni tlak u kompresor, MPa Ulazna temp. u turbinu, oC Ulazni tlak u turbinu, MPa St. djelovanja na sabirnicama generatora, % Brzina vrtnje generatora, s-1 Vrsta kompresora Dovod topline, GJ/h U radu od

Helij kao radni medij

Centrifugalni Aksijalni i centrifugalni Aksijalni

Ugljen Ugljen Ugljen Prirodni plin

Plin iz pei

Plin iz pei i tekue gorivo

Ugljen Tekue gorivo i plin

Plin iz pei

Zrak

Molarna masa , kg/kmol Plinska konstanta R, kJ/kg.K Eksponent adijabate Brzina zvuka a, m/s Specifina toplina cp, kJ/kg.K Toplinska vodljivost , W/m.K

Zrak

'apomena: Brojevi u nazivniku odnose se na temperaturu 20 oC, a oni u brojniku na 600 oC

388

Slika 12.14 Principijelna shema plinskoturbinskog postrojenja sa zatvorenim procesom i helijem kao radnim medijem, snaga 50 MW, Oberhausen, Njemaka

Prvo postrojenje s plinskom turbinom u zatvorenom procesu s helijem izgraeno je 1961. godine u Oberhausenu u Njemakoj. Turbine su imale snagu od 14 MW sa stanjem na ulazu u turbinu 983 K pri 3.2 MPa. Iskustva steena u gradnji prve takve elektrane iskoritena su u gradnji druge iste elektrane sa snagom od 50 MW, koja je stavljena u pogon 1974. godine. Njene glavne karakteristike prikazane su u tablici 12.1, a principijelna shema postrojenja prikazana je na slici 12.14. Postrojenje je izvedeno s plinskom turbinom s dva vratila. Jedno vratilo rotora spaja visokotlanu turbinu 3 s kompresorima niskog 1 i visokoga 2 tlaka, koji se vrte pri 90 s-1 (5400 min-1). Niskotlana turbina 5 na drugom vratilu pokree generator 6 pri brzini vrtnje 50 s-1 (3000 min-1). Vratilo turbine spojeno je na generator pomou reduktora 4 i sve vrijeme se vrti konstantnom brzinom vrtnje. Cjevovod za napajanje turbine helijem izveden je po principu "cijev u cijevi". Helij iz zagrijaa prolazi unutarnjom cijevi, dok se hladni helij iz visokotlanoga kompresora vodi kroz prstenasti prostor izmeu unutarnje i vanjske cijevi. Na ulazu u visokotlanu turbinu helij ima temperaturu 750 oC pri tlaku 2.7 MPa. Nakon ekspanzija u obje turbine, temperatura helija je 460 oC i on pri toj temperaturi ulazi u regenerator 8, nakon kojega pri temperaturi 150 oC ulazi u hladnjak 11 koji slui kao zagrija vode. Voda se prije toga zagrijava u meuhladnjaku 10 i drugim izmjenjivaima topline. Toplina se u postrojenju ne koristi samo u obliku tope vode ve i kao niskotlane zasiene pare. Ukupni kapacitet zagrijavanja u postrojenju je 193 GJ/h. Nakon hladnjaka 11, helij se pri temperaturi od 25 oC i tlaku 1.05 MPa dovodi u niskotlani kompresor u kojemu se tlak podie na 1.55 MPa. U meuhladnjaku se helij ohladi na 25 do 83 oC, nakon ega se dovodi u visokotlani kompresor 2 u kojemu se tlak podie na 2.85 MPa. Stlaeni helij se vodi u regenerator 8 u kojemu se zagrijava s temperature 125 oC na 420 oC. Plinska turbina je izvedena s tri kuita kuglastog oblika (slika 12.15). Kuita su zavarena iz prethodno kovanih dijelova. Visokotlani kompresor ima 15 stupnjeva, niskotlani kompresor 7 stupnjeva. Rotor visokotlanoga kompresora je izveden kao bubanj, izraen sastavljanjem otkivaka iz niskolegiranog elika. Otkivci su povezani vijcima na rotor visokotlane turbine koji je izraen kao sastavljeni rotor s diskovima iz austenitnog elika. Protok helija u nazivnim radnim uvjetima (puno optereenje) je 84 kg/s. Gorivo koje se koristi je plin iz pei, koji izgara u zagrijau 7. Optereenje turbine se regulira promjenom protoka helija na dva naina. Po prvom nainu, optoni (by-pass) ventil 9 na slici 12.14 se otvara kako bi dio helija (do jedne treine ukupnog protoka) propustio mimo turbine u krug ispred hladnjaka 11. Optoni ventil se obino otvara kada treba nago rasteretiti plinsku turbinu. Zatvaranjem optonog ventila snaga moe naglo porasti. Ovaj nain upravljanja osigurava visoku manevrabilnost postrojenja, ali pogorava stupanj djelovanja obzirom da pri otvorenom optonom ventilu kompresor i dalje radi punim kapacitetom i troi veliku snagu. Zbog tih razloga ovakva regulacija nije pogodna za dui rad postrojenja.

389

390

Slika 12.15 Postrojenje plinske turbine sa zatvorenim procesom s helijem u elektrani u Oberhausenu

a - niskotlani kompresor, b - visokotlana turbina i kompresor, c - niskotlana turbina U sluaju kada turbina treba raditi due vremena, koristimo drugi nain regulacije, koji mijenja maseni protok kroz turbinu i u cijelome sustavu, na nain da se iz sustava odvodi ili se u njega dovodi masa helija i na taj nain mijenja trenutna masa helija unutar proces. U elektrani u Oberhausenu helij je pohranjen u pet spremnika (B1 - B5 na slici 12.14). Helij se uzima iz procesa i odvodi u niskotlane spremnike s mjesta iza visokotlanoga kompresora 2 ili ispred niskotlanoga kompresora 1. Helij se u proces dodaje ispred hladnjaka 11. Za dodavanje slue dva pomona kompresora 12 iji je kapacitet takav da se puna snaga moe postii za najvie 5 minuta. Od posebnog znaaja za primjenu u zatvorenim procesima su plinovi koji mogu disocirati, kao to su N2O4, Al2Cl6, Al2Br6 itd., koji se zagrijavaju u kompresoru, disociraju u jednostavnije sastojke uz apsorpciju velikih koliina topline. Na taj je nain mogue smanjiti snagu za pogon kompresora i time poveati efektivnu snagu i stupanj djelovanja. Hlaenjem disociranog plina u hladnjaku dolazi do rekombinacije molekula uz oslobaanje topline. Meu navedenim plinovima, duikov tetraoksid je najizgledniji za takvu primjenu.

12.8 Postrojenje plinske turbine sa zatvorenim procesom za nuklearne

elektrane U novije se vrijeme provode intenzivna istraivanja u veem broju zemalja obzirom na mogunost da se izvede plinskoturbinsko postrojenje sa zatvorenim procesom s koritenjem topline iz nuklearnoga reaktora. Najizgledniji radni medij za takve namjene je helij, koji je idealno inertni plin i ima vrlo pogodna termofizikalna svojstva (tablica 12.2). Helij ima i svojstva malog poprenog presjeka za hvatanje neutrona, tako da se ne aktivira izlaganjem nuklearnom zraenju u nuklearnom reaktoru. Ova injenica nam omoguuje da se izvedu ne previe sloena postrojenja s relativno niskom cijenom. Shema ideje jednoga takvog postrojenja prikazana je na slici 12.16 za nuklearnu elektranu snage 300 MW sa zatvorenim procesom s helijem. Helij se u reaktoru A zagrijava na temperaturu od 800 oC pri tlaku 5.88 MPa i odvodi se u plinsku turbinu T u kojoj ekspandira na tlak 2.18 MPa temperaturu 485 oC. Plin se nakon toga odvodi u regenerator R i hladnjak GC u kojemu se hladi na temperaturu od 15

391 oC. Ohlaeni helij se pri tlaku 2.18 MPa vodi u prvi niskotlani kompresor, meuhladnjak, pa u drugi kompresor s meuhlaenjem i konano trei kompresor. Helij se sada pod tlakom 6.14 MPa i na temperaturi od 42 oC odvodi u regenerator R u kojemu e se zagrijati na 460 oC i dalje se odvodi u reaktor A.

Slika 12.16 Zatvoreni proces plinske turbine u nuklearnoj elektrani snage 300 MW Ovisno o snazi i parametrima plina, plinsku turbinu sa zatvorenim procesom moemo izvesti s jednim ili vie vratila. Varijanta s dva vratila se moe izvesti s vie kuita turbine. Visokotlana turbina tada slui za pogon visokotlanih kompresora, a niskotlana turbina pogoni niskotlane kompresore i generator. Snaga za jednu plinsku turbinu u takvom postrojenju moe biti do 1200 - 1500 MW. Oekuje se da bi stupanj djelovanja mogao biti el = 40-42%, a u nekim sluajevima moe dosegnuti 46-49% pri relativno niskim temperaturama plina od 800 oC. Za istu snagu nuklearne elektrane postrojenje s plinskom turbinom moe biti mnogo manjih dimenzija od parnoturbinskog postrojenja. Potronja rashladne vode u nuklearnoj elektrani s plinskom turbinom u zatvorenom procesu je 2 do 4 puta manja nego za parnoturbinsko postrojenje. Voda nakon hlaenja plina ima visoku temperaturu (105 oC) i moe se efikasno koristiti za potrebe grijanja i ne utjee na stupanj djelovanja procesa. Praktine izvedbe nuklearnih elektrana sa zatvorenim procesom i plinskom turbinom jo uvijek su suoene s brojnim nerijeenim problemima. Jedan od njih je na primjer u tome kako garantirati potrebnu pouzdanost rada i kako sprijeiti potpuni gubitak helija iz sustava.

12.9 Kombinirana postrojenja plinske i parne turbine Plinskoturbinska postrojenja imaju karakteristino veliki protok ispunih plinova s vrlo visokom temperaturom od 400 do 550 oC. Toplina tih ispunih plinova moe se koristiti u utilizacijskom kotlu za proizvodnju zasiene i pregrijane pare niskih parametara koja se moe koristiti kao procesna para ili u kotlovima za pripremu vrele vode sa zagrijavanjem do 150 oC ili vie. Pored toga, moe se koristiti i toplina koju je voda pokupila na sebe hlaenjem zraka u meuhladnjacima. Kod plinskih turbina s regeneracijom, generator pare koji koristi otpadnu toplinu ispunih plinova ugrauje se odmah nakon regeneratora. Dodavanje tih utilizacijskih kotlova poveava gubitke strujanja na putu plinova i mogu smanjiti efektivni stupanj djelovanja procesa za priblino 1 - 2%. Treba nam isto tako biti jasno da ovi pomoni ureaji poskupljuju postrojenje i poveavaju njegovu investicijsku cijenu. Zbog toga je potrebno problem koritenja utilizacijskih kotlova ili zagrijaa vode rijeiti za pojedine sluajeve primjenom tehniko-ekonomske analize uz uzimanje u obzir svih potrebnih utjecajnih faktora. U plinskim turbinama sa zatvorenim procesom, ulogu zagrijaa vode imaju hladnjaci zraka (vidi poglavlje 12.7). Ova jedinica postrojenja ne poveava niti gubitke strujanja niti kapitalna ulaganja, tako da se uvijek isplati. Primjena utilizacijskih kotlova kod plinskih turbina je mogua u principu za bilo koji raspored elektrinih optereenja (osnovno, polu-vrno i puno vrno). Utilizacijski kotao treba raditi na odgovarajui nain pri: 1. istom reimu utilizacije, tj. bez dodatnog loenja generatora pare, 2. u reimu s dodatnim loenjem, tako da se u struju ispunih plinova dodaje gorivo koje se

izgaranjem vee na slobodni kisik uz oslobaanje dodatne topline,

392

3. u reimu uz dodatno loenje odvojeno od struje ispunih plinova, gdje se za loenje dovode posebni zrak i gorivo.

Posljednji od ova tri reima rada se predvia tamo gdje je potrebno pokrivati vrna optereenja. Kapacitet proizvodnje pare u utilizacijskom kotlu prikazujemo jednadbom:

( )fwsswb hhmQ = & ( 12.65 )

gdje je Qwb toplinski tok potreban za stvaranje pare s masenim protokom sm& , kg/s s entalpijom hs,

kJ/kg, a hfw je entalpija napojne vode na ulazu u generator pare. S druge strane, toplinski tok koji su ispuni plinovi predali generatoru pare je:

( )wbexgingpgagwg TTcmQ ,, = & ( 12.66 )

gdje je gm& maseni protok ispunih plinova u kotlu, kg/s, Tg,in i Tg,ex su temperature ispunih plinova na

ulazu i na izlazu iz generatora topline, cpga je srednja vrijednost specifine topline plina na rasponu temperatura u utilizacijskom kotlu pri konstantnom tlaku; wb je stupanj djelovanja kotla. Kada kotao radi u reimu s dodatnim loenjem, tada maseni protok plinova i temperaturu na ulazu u kotao u jednadbi (12.66) treba usvojiti uzimajui u obzir i maseni protok goriva i svjeega zraka za izgaranje. Zajedniko rjeenje jednadbi (12.65) i (12.66) daje nam kapacitet proizvodnje pare u utilizacijskom kotlu:

( )wb

fws

exgingpgag

vhh

TTcmm

= ,,

&& ( 12.67 )

Toplina ispunih plinova se moe najbolje iskoristiti pri niim temperaturama plinova na izlazu iz utilizacijskog kotla. Minimalna temperatura s kojom izlazimo iz utilizacijskog kotla i iz zagrijaa vode ovisi o vrsti goriva koje se koristi i utvrena je na nain da se izbjegne djelovanja niskotemperaturne korozije na metalnim povrinama u svim uvjetima rada. Razlika minimalne i sigurne temperature na hladnom kraju pri izlazu ispunih plinova je u prosjeku 30-40 oC. Primjena zagrijaa vode je najdjelotvornija u plinskim turbinama za bazna optereenja. Prorauni pokazuju da su mogue znaajne utede goriva i na postrojenjima koja pokrivaju vrna i poluvrna optereenja ako vrijeme rada pod punim optereenjem nije krae od 1500 h/a (sati godinje). U tom sluaju plinskoturbinsko postrojenje treba opremiti dodatnim akumulatorima topline (u obliku spremnika velikoga kapaciteta) za kontinuiranu dobavu topline potroaima i im bolje koritenje raspoloivih otpadnih toplina ispunih plinova. Principijelni dijagram plinskoturbinskog postrojenja za kombiniranu proizvodnju elektrine energije, procesne pare i vrele vode prikazan je na slici 12.17. Elektrinu energiju proizvodi generator 5 kojega pokree plinska turbina 4. Procesnu paru stvara utilizacijski kotao 8, a vrelu vodu za grijanje proizvodi zagrija vode 11. Voda se dijelom zagrijava u meuhladnjaku zraka 6 koji je smjeten izmeu niskotlanoga i visokotlanog kompresora 1 i 2. Voda koja prolazi kroz sekciju 7 hladi se u rashladnom tornju. Podjela meuhladnjaka u dva dijela, 6 i 7, omoguuje da se zrak efikasno hladi na zadanu temperaturu te da se dijelom iskoristi toplina rashladne vode nakon hladnjaka zraka. Ostali elementi prikazani na slici 12.17 su: 3 - komora izgaranja, 9 - posebni bubanj kotla, 10 - cirkulacijska pumpa kotla, 12 - pumpa vrele vode.

393

Slika 12.17 Principijelna shema plinskoturbinskog postrojenja za istovremenu proizvodnju elektrine energije, vrele vode i procesne pare

Protok vode u sustavu zagrijavanja vode moemo nai po jednadbi slinoj (12.67):

( )( ) hw

exgingpgag

swTTc

TTcmm

21

,,

=

&& ( 12.68 )

gdje su T1 i T2 temperature vode na ulazu i na izlazu iz zagrijaa, cw je specifina toplina vode i h je stupanj djelovanja zagrijaa vode. U bilanci topline za sustav vrele vode za grijanje imamo temperature T1 = 150

oC i T2 = 70 oC, iako se

one mogu i mijenjati, ovisno o potrebama potroaa topline. Obzirom da temperatura T1 gotovo nema utjecaja na plinskoturbinsko postrojenje, u mnogim se sluajevima isplati dignuti je na 200 do 230 oC. Ako s vodom prolazimo najprije kroz meuhladnjak zraka (na plinskim turbinama s kompresijom u vie stupnjeva), ona e se tamo zagrijati za 10 do 15 oC, pa tada u jednadbi (12.68) uzimamo da je T2 = 80-85 oC. Trend poboljanja tehniko ekonomskih parametara potaknuo je razmiljanja o kombiniranim postrojenjima plinske i parne turbine pri kojemu se mogu najdjelotvornije iskoristiti prednosti obje vrste strojeva. U svijetu su izvedena brojna postrojenja sa snagama od 12 MW do 500 MW s visokotlanim generatorima pare. Prikupljeno iskustvo je ukazalo na visoki stupanj djelovanja i veliku pouzdanost u radu na plinovita goriva. Pozitivna iskustva su prikupljena u radu na tekua goriva s visokim sadrajem sumpora i niskim sadrajem pepela i vanadija. Izvreni su i pokusi sa izgaranjem tekih tekuih goriva. Na slici 12.18 prikazana je shema jednog takvog kombiniranog postrojenja s plinskom i parnom turbinom ukupne snage 200 MW. Postrojenje sadri sljedee glavne dijelove: visokotlani generator pare s meupregrijanjem, koji proizvodi 450 do 500 t/h pare pri tlaku 14.0 MPa i 570/570 oC, parna turbina s parametrima pare 13.0 MPa i 565/565 oC te plinsku turbinu s tlakom 0.65 MPa i 770 oC. Parna turbina ima snagu 165 MW, dok plinska turbina ima snagu od 35 MW. Postrojenje radi na sljedei nain. Zrak iz okolia se u kompresoru 1 komprimira na tlak od 0.6 do 0.67 MPa i dobavlja ga u loite generatora pare 10, kamo se dovodi plinovito ili tekue gorivo. Izgaranje goriva u loitu se vri pri temperaturi od oko 2000 oC a produkti izgaranja naputaju generator pare pri temperaturi 770 oC. Toplina produkata izgaranja se koristi za proizvodnju pregrijane pare koja se dovodi u parnu turbinu pri 13.0 MPa i 565 oC, u kojoj e ekspandirati do vrlo niskoga tlaka u kondenzatoru 14.

Gorivo

Ispuni plinovi

u okoli

Para za potroae

Sustav vrele vode

Voda za rashladni

toranj

Zrak

394

Slika 12.18 Principijelna shema kombiniranog postrojenja plinske i parne turbine Kondenzat se pumpom kondenzata 13 dobavlja kroz niskotlane zagrijae 12 i 7 i ekonomajzer 6 s tri stupnja u otplinja 11. Voda iz otplinjaa se napojnom pumpom 8 kroz visokotlani zagrija 9 i 2. i 3. stupanj ekonomajzera, 4 i 5,u kojima se zagrijava do temperature vrenja, nakon ega voda ulazi u krug isparavanja. Time se zatvara krug pare u sustavu. Dio postrojenja vezan za plinsku turbinu radi s otvorenim procesom. Ispuni plinovi iz generatora pare 10 se pri tlaku 0.54 MPa i temperaturi 770 oC dovode na plinsku turbinu 2 u kojoj e ekspandirati na tlak okoline. Ispuni plinovi izlaze z turbine pri temperaturi 445 oC i odvode se u ekonomajzer 4-6 gdje svoju toplinu predaju rashladnoj vodi, nakon ega se ohlaeni na 140 oC izbacuju u okoli. Plinska turbina 2 pokree kompresor 1 i elektrini generator 3. Opisano postrojenje izgraeno je u dananjoj Rusiji 1973. godine. postignuti stupanj djelovanja je iznosio 37 do 40%. Postrojenje se je pokazalo kao vrlo pouzdano. Ovakvo kombinirano postrojenje troi 6-8% manje goriva nego ista parnoturbinska elektrana. To moemo objasniti na sljedei nain: Kombinirano postrojenje sastoji se iz dvije povezane jedinice: plinske i parne turbine. Obzirom da plinska turbina koristi vie temperature (700-800 oC) nego su to temperature u parnoturbinskom postrojenju (540-565 oC), tako da se prosjena temperatura dovoda topline u proces podie u usporedbi s procesom parne turbine. U opisanom postrojenju se toplina ispunih plinova iz plinske turbine koristi za predgrijanje napojne vode kotla. Rezultat toga je da se ispuni plinovi isputaju u okoli pri mnogo nioj temperaturi nego to je klasini ispuh iz plinske turbine. Treba napomenuti da se visoka poetna temperatura izgaranja u generatoru pare (oko 2000 oC) smanjuje na temperaturu od 770 oC na ulazu u plinsku turbinu bez potrebe da dodajemo sekundarni zrak, kao to je to sluaj kod klasine plinske turbine. Poto se izgaranje goriva odvija pri visokom tlaku od 0.6-0.7 MPa, time je povean koeficijent prijelaza topline, kao i brzinu izgaranja u loitu. Na taj je nain mogue smanjiti ogrjevne povrine za 50-60%, a time i masu i dimenzije generatora pare, tako da je on jeftiniji nego kod klasinih postrojenja. Specifina masa kombiniranog postrojenja je u ovom sluaju 17.9 kg/kW, dok je specifina masa parnoturbinskog postrojenja iste snage jednaka 28.4 kg/kW. Nedostatak ovih generatora pare s loitem pod tlakom je da smiju koristiti samo skupa goriva namijenjena plinskim turbinama. Moemo napomenuti da su, za razliku od opisanog, razvijene i brojne druge izvedbe kombiniranih postrojenja, meu kojima su najrairenije sljedee izvedbe:

395

1. Kombinirano postrojenje s parnom turbinom koju pokree para proizvedena u utilizacijskom kotlu na ispune plinove plinske turbine. O takvom postrojenju je ve bilo govora.

2. Kombinirano postrojenje s ispunim plinovima iz jedne ili vie plinskih turbina koji se odvode u generator pare s dodatnim loenjem. Zbog odravanja niske temperature na ulazu u plinsku turbinu, namjerno se mijea dodatni zrak u produkte izgaranja iz komore izgaranja plinske turbine. Takvi ispuni plinovi imaju jo uvijek visoki udio slobodnog kisika i odgovaraju izgaranju goriva pri pretiku zraka od 4 do 8. Bitna prednost ovih izvedbi je da u loitu generatora pare moemo kao gorivo izgarati bilo koja goriva, koja se inae ne bi mogla koristiti u plinskim turbinama.

3. Parna turbina kojoj se napojna voda prije generatora pare zagrijava do toke vrenja pomou topline ispunih plinova iz plinske turbine.

Principijelna shema i proces kombiniranog postrojenja s dovodom ispunih plinova plinske turbine u utilizacijski kotao prikazana je na slici 12.19. Ispuni plinovi iz plinske turbine odvode se u utilizacijski kotao 5 pri temperaturi od oko 700-800 oC uz maseni udio slobodnog kisika u ispunim plinovima od 0.14-0.18. Dio topline ispunih plinova predaje se vodi i vodenoj pari kojom se pokree parna turbina 9. Po potrebi se u ispune plinove iz plinske turbine u loitu utilizacijskog kotla moe vriti izgaranje dodatnog goriva za intenziviranje proizvodnje pare. Shema parnoga dijela postrojenja jednaka je uobiajenim izvedbama s regenerativnim zagrijavanjem napojne vode. shemi prikazanoj na slici 12.19, kondenzat se grije parom proputenom na brtvama parne turbine 9 u niskotlanom zagrijau vode 10 i ispunim plinovima iz parnoga kotla 5 u donjem stupnju zagrijaa vode na ispune plinove 7. Napojna voda se dalje zagrijava u visokotlanom zagrijau 8 i gornjem stupnju izmjenjivaa topline 6.

Slika 12.19 Kombinirano postrojenje plinske i parne turbine a - shema, b - T-s dijagram proces

396

Za neovisni rad plinskoturbinskog postrojenja 1 i parnoturbinskog postrojenja 9 shema postrojenja sadri i rezervno puhalo 4 i glavne ventile 2 i 3 u cjevovodima plina i zraka. Postrojenje plinske turbine moe raditi neovisno kada je to potrebno s odvodom ispunih plinova kroz glavni ventil 2 u okoli. Postrojenje s parnom turbinom moe isto tako djelovati samo za sebe. U tom sluaju u loite generatora pare 5 dovodimo zrak pomou rezervnog puhala. Na ovoj shemi kombiniranog postrojenja, parna turbina moe nositi osnovno optereenje, dok se plinska turbina moe brzo staviti u pogon i pokriti vrna optereenja. T-s dijagram na slici 12.19b prikazuje proces 1-2-3-4-1 postrojenja plinske turbine, koji predstavlja gornji proces u kombiniranom postrojenju. Kada pri konstantnom tlaku odvodimo toplinu na dijelu 1-4 (trokut 4-7-8) dio topline se koristi u donjem procesu parne turbine m-b-c-d-e-f-g-l-m. Toplina odvedena u okoli (atmosferu) prikazana je trokutom 1-8-9. Trokut 4-5-6 predstavlja koliinu topline koja se oslobaa loenjem dodatnog goriva u loitu generatora pare.