Prefacio:
En el futuro, la energía renovable será la principal generación de energía, pero la aleatoriedad, la intermitencia y la volatilidad de la propia energía renovable ponen a prueba la seguridad y estabilidad de la red eléctrica y del sistema de suministro de energía. La turbina de gas tiene las ventajas de una pequeña ocupación de terreno, buena confiabilidad, alta eficiencia, arranque y parada rápidos, etc., y desempeñará un papel vital en la etapa de transición de la red eléctrica.
En la actualidad, el modo de ciclo combinado de la turbina de gas puede aumentar la eficiencia en aproximadamente un 20% en comparación con la configuración de ciclo simple. Al adoptar una temperatura de combustión más alta y mejorar el rendimiento de los componentes, se puede mejorar significativamente la eficiencia de generación de energía de la turbina de gas. Con el objetivo de orientar el desarrollo de la tecnología de turbinas de gas en el mundo, la turbina de gas de aviación de China ha llevado a cabo una investigación en profundidad para mejorar aún más la eficiencia de generación de energía de las turbinas de gas y compiló este documento con el fin de generar pensamientos más beneficiosos en la industria.
ciclo termodinámico
Hoy en día, la mayoría de las turbinas de gas del mundo funcionan en un ciclo simple, y sólo unas pocas turbinas de gas utilizan compresores para enfriamiento intermedio, recalentamiento (combustión secuencial) o recuperación interna de calor a través de un regenerador. El ciclo simple requiere una temperatura de entrada más alta y un mayor rendimiento de los componentes, y la eficiencia de cada generación de turbinas de gas mejorará ligeramente. Sin embargo, para mejorar la eficiencia, es necesario mejorar constantemente la tecnología. En vista de la gran demanda de la termodinámica y la ciencia de los materiales, la mejora de estas eficiencias debe discutirse desde el punto de vista económico. En base a esto, ha habido algunas voces que piden en la industria que se consideren otros ciclos, como el ciclo Brayton caliente, para que futuras turbinas de gas de ciclo combinado alcancen una eficiencia similar sin alcanzar temperaturas tan altas. Es necesario explorar más a fondo la influencia de las condiciones nominales y fuera de diseño en el rendimiento del ciclo, el funcionamiento del quemador, la gestión del flujo de refrigeración, la gestión térmica de la turbina y una importante flexibilidad.
Diseño de gasoducto
En la actualidad, el diseño de la trayectoria del gas del compresor y la turbina en una turbina de gas ha alcanzado el nivel de refinamiento del flujo isentrópico central (el flujo que sale del espacio anular). Las palas altamente tridimensionales obtenidas mediante optimización multiobjetivo se utilizan ahora ampliamente, lo que da como resultado una eficiencia aerodinámica sin precedentes. La mejora adicional de la eficiencia interna será moderada, especialmente en el compresor.
Sin embargo, algunos flujos secundarios pueden mejorar aún más la eficiencia. El control del espacio libre de las turbinas es uno de ellos. Se estima que es posible lograr una ganancia de eficiencia del ciclo combinado del 0.25 % mediante un sistema de control de autorización activo. El sistema de control de autorización activo se puede utilizar para actualizar nuevas turbinas de gas y dispositivos existentes; Algunos de ellos dependen del desplazamiento axial del rotor, mientras que otros funcionan de forma radial. No importa qué método se adopte, se enfrenta al desafío de la distribución transitoria de la temperatura del motor. Estos desafíos se ven afectados por los cambios de carga y comienzan o se detienen con más frecuencia. El futuro sistema debe poder reducir aún más el flujo de fuga en el extremo del compresor y evitar el contacto físico entre las partes giratorias y las partes estacionarias.
Sistema de refrigeración
Aproximadamente el 20% del flujo del compresor se descarga de la ruta del gas para enfriar y sellar la parte caliente (alta presión) del motor. La mayoría de ellos se utilizan para enfriar los álabes de la turbina de primera etapa. En la raíz del recorrido del gas en la sección de alta presión de la turbina, la inhalación de gas caliente también puede provocar fallos mecánicos y pérdidas aerodinámicas. Cuando las partes de alta tensión de la turbina de gas (como el disco del rotor) se sobrecalientan por el gas caliente aspirado del recorrido del gas, se puede desencadenar una falla mecánica. El sello de llanta generalmente expulsa el aire de enfriamiento/sellado del compresor junto con el sello interno para evitar que fluya hacia la cavidad, pero esto también reducirá la eficiencia de la turbina de gas. El aire descargado del compresor reducirá la eficiencia térmica y, lo que es más importante, la interacción entre la salida y el flujo central en la ruta del gas provocará una mayor pérdida de energía. Estos fenómenos también se ven afectados por el funcionamiento transitorio, porque cambiará la distribución de presión y temperatura de todos los flujos relevantes, así como la tolerancia de los elementos de sellado.
Por lo tanto, el diseño mejorado de la ruta secundaria del gas, la optimización de la topología multiobjetivo y el control activo del flujo de enfriamiento son áreas que necesitan más investigación para mejorar aún más el rendimiento de las turbinas de gas nuevas y existentes.
Circulación inferior
El moderno generador de vapor con recuperación de calor genera vapor a un nivel de presión y lo combina. En la actualidad, se puede recuperar la mayor cantidad de energía posible cuando sea técnicamente viable. Limitado por la temperatura más baja de los gases de combustión, esto provocará condensación en el flujo de gases de combustión. Desde la perspectiva de la segunda ley (es decir, daño por exergía), el evaporador supercrítico de alta presión puede reducir esta irreversibilidad, pero el costo relacionado puede no ser compensado por una mejora marginal del rendimiento (se estima que el punto de eficiencia del ciclo combinado de los sistemas más avanzados). tecnología es 0.5 puntos porcentuales).
El generador de vapor con recuperación de calor de presión múltiple (HRSG) atrae la mayor atención debido a la baja temperatura de escape de la turbina de gas. Cuando la presión disminuye de presión única a presión múltiple, el rendimiento aumenta con la temperatura, y cuando la temperatura del gas caliente (entrada HRSG) es de aproximadamente 700 grados, la diferencia entre los dos diseños desaparece. Con el aumento de la temperatura de escape de las turbinas de gas (ahora por encima de los 650 grados) y el costo económico de las plantas de energía de ciclo combinado que necesitan operar con un coeficiente de capacidad más bajo, puede ser posible adoptar un ciclo de fondo de recalentamiento subcrítico de presión única.
Información adicional
En las próximas décadas, la generación eficiente de energía de las centrales eléctricas de ciclo combinado dependerá de la eficiencia de carga parcial en lugar de la eficiencia operativa nominal. Por lo tanto, mejorar el rendimiento de carga parcial y la respuesta transitoria (transicionar a una carga más alta lo más rápido posible para reducir el tiempo de funcionamiento con carga baja) será crucial para la flexibilidad de operación y los intereses de la red eléctrica. Lo mismo se aplica a la reducción de la carga ambiental mínima de la turbina de gas, reduciendo así el número de arranques y paradas, y reduciendo el consumo de combustible relacionado, prolongando la vida útil y reduciendo las emisiones. Todo ello está relacionado con la mejora de la eficiencia global de las turbinas de gas de ciclo combinado y ciclo simple.
