Turbine a gas: ciclo Brayton e centrali a ciclo combinato

0. Cosa spiega questo articolo

• Come funzionano in modo continuo il compressore, la camera di combustione e la turbina e cosa determina l'efficienza del ciclo Brayton.

• In che modo le varianti per applicazioni aeronautiche, industriali e di generazione di energia differiscono, tra cui GE Vernova 9HA, Siemens SGT-800 e Mitsubishi M701J/JAC.

• Perché un generatore di vapore a recupero di calore crea un ciclo di combustione continua a turbina a gas (GTCC) e come la transizione del combustibile e i vincoli operativi ne modificano la progettazione.

1. In sintesi: cos'è una turbina a gas?

Una turbina a gas comprime l'aria, brucia il combustibile in modo continuo ed espande il gas caldo e pressurizzato attraverso gli stadi della turbina per produrre energia all'albero. Parte dell'energia della turbina aziona il compressore; la restante parte aziona un generatore o una ventola. L'assenza di pistoni alternativi e di un albero motore consente la rotazione continua e un'elevata densità di potenza.

2. Perché la combustione continua?

Un motore a pistoni ripete le fasi di aspirazione, compressione, combustione e scarico in ogni cilindro. Una turbina a gas aumenta continuamente la pressione di aspirazione, inietta combustibile in una camera di combustione e mantiene una fiamma costante. Idealmente, una temperatura di combustione più elevata aumenta la potenza e l'efficienza, ma la temperatura del materiale delle pale, la richiesta di aria di raffreddamento e le emissioni di NOx ne limitano l'efficacia.

Un aereo converte la quantità di moto residua dei gas di scarico in spinta attraverso un ugello. Una centrale elettrica cerca di recuperare tale energia tramite ulteriori stadi di turbina e un generatore. Il nucleo del ciclo può essere simile; l'estrazione finale di energia è diversa.

3. Input e output: il ciclo Brayton

Il ciclo Brayton ideale consiste in compressione (1→2), apporto di calore a pressione costante (2→3), espansione (3→4) e cessione di calore (4→1). Con un rapporto di pressione r_p=p_2/p_1 e un rapporto di capacità termica \gamma, il rendimento termico ideale a ciclo semplice è

Le perdite di pressione reali nella camera di combustione, l'estrazione dell'aria di raffreddamento, l'attrito e le perdite allo scarico rendono questa relazione di progetto un limite superiore. La potenza netta all'albero può essere stimata come

Dove \dot m è la portata massica dell'aria, h è l'entalpia specifica, \eta_t,\eta_c sono i rendimenti della turbina e del compressore e P_{aux} è la potenza ausiliaria.

Figura 1 — Il compressore consuma prima l'energia prodotta dalla turbina; la parte restante è fornita dal generatore o dalla ventola.

4. Componenti e materiali principali

Il compressore utilizza più stadi assiali: le pale rotanti aumentano la velocità e gli statori la convertono in pressione. Le camere di combustione possono utilizzare fiamme premiscelate magre o fiamme di diffusione in configurazioni anulari o a camera; devono stabilizzare la fiamma limitando al contempo i punti caldi locali. Le pale della turbina ad alta pressione utilizzano canali di raffreddamento interni e rivestimenti termoisolanti. Un gioco minore tra le pale e le pale riduce le perdite, ma aumenta il rischio di contatto durante l'espansione termica.

Figura 2 — Il ciclo GTCC utilizza un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) per produrre vapore dai gas di scarico della turbina a gas ed estrarre un secondo stadio di lavoro senza aggiungere combustibile.

5. Prodotti e applicazioni

Mitsubishi Heavy Industries M701J/JAC | Generazione di grandi volumi a 50 Hz | Serie J/JAC per impianti a ciclo combinato |

Rolls-Royce Trent XWB | Aeromobili | Un turboventola ad alto rapporto di bypass convoglia il lavoro di espansione del nucleo alla spinta della ventola |

I valori dell'impianto dipendono dalle condizioni ISO, dalla composizione del combustibile, dalla temperatura dell'acqua di raffreddamento e dalla potenza ausiliaria. Non confrontare il valore massimo di catalogo con la media di un'altra macchina in esercizio. La scheda tecnica di GE è utile perché distingue tra i valori nominali per ciclo semplice e per ciclo combinato a turbina a gas (GTCC).

6. Funzionamento e controllo

L'avviamento utilizza un motorino di avviamento per far ruotare l'albero, spurgare, accendere, aggiungere combustibile, sincronizzare e caricare il generatore. Il combustibile non può essere aumentato bruscamente perché la temperatura di combustione e le sollecitazioni termiche subirebbero un'impennata; il tasso di accelerazione e la differenza di temperatura dei gas di scarico sono limitati. Il carico segue le coordinate delle palette direttrici di ingresso, del flusso di combustibile, dell'aria di spurgo e del bypass lato vapore. Nel ciclo combinato, la turbina a gas risponde rapidamente, mentre il sistema a vapore presenta inerzia termica, pertanto un singolo anello PID non può controllare entrambe le scale temporali.

7. Ciclo semplice vs. ciclo combinato a turbina a gas (GTCC)

Avviamento e inseguimento | Veloce | Più vincolato dalla temperatura del vapore |

Rendimento nominale | Il calore di scarico viene disperso | Il calore di scarico produce lavoro aggiuntivo |

| Impianto | Piccolo e semplice | Più grande; sistemi ad acqua, condensatore e vapore | | Ideale | Centrali di picco, fornitura di emergenza, propulsione aeronautica | Carico di base/intermedio, generazione di energia per utenze |

8. Limiti e quesiti di ricerca

L'aria ambiente calda è meno densa, riducendo la portata massica e la potenza erogata alla stessa velocità. Il raffreddamento in ingresso può ripristinare la potenza erogata, ma consuma energia frigorifera e acqua. A carico parziale, il margine di pompaggio del compressore, la stabilità della fiamma, gli NOx e la temperatura dei gas di scarico interagiscono. Gli avviamenti rapidi che bilanciano le fonti rinnovabili variabili aumentano i cicli termici e i costi di manutenzione.

La ricerca e i prodotti si concentrano su rivestimenti termobarriera e pale monocristalline, raffreddamento variabile, combustione magra, previsione della durata di vita tramite gemello digitale, co-combustione idrogeno/ammoniaca e cattura di CO2. GE Vernova descrive la 9HA come una turbina in grado di funzionare con il 50% di idrogeno, con un percorso verso il 100%, mentre Mitsubishi descrive la tecnologia di combustione a idrogeno per la famiglia JAC. Il potere calorifico del combustibile, il ritorno di fiamma, gli NOx, i materiali delle tubazioni e le distanze di sicurezza richiedono ancora una validazione a livello di impianto.

9. Scelte pratiche

• Domanda in rapida evoluzione: selezionare un'unità a ciclo semplice o ad avviamento rapido e considerare il numero di avviamenti e i costi di manutenzione per stress termico.

• Generazione di energia ad alta efficienza per le utenze: scegliere una turbina a gas a ciclo combinato (GTCC), ma considerare acqua, condensatore, turbina a vapore e tempi di costruzione.

• Cogenerazione industriale: scegliere una macchina in grado di produrre vapore, come la SGT-800, e ottimizzare contemporaneamente la produzione stagionale di calore ed elettricità.

• Propulsione aeronautica: valutare il diametro della ventola, il rapporto di bypass, la massa, la rumorosità e la velocità di volo; l'efficienza di generazione da sola non è sufficiente.

La transizione al nuovo combustibile deve specificare la modifica della camera di combustione, la pressione di alimentazione, lo stoccaggio, il rilevamento delle perdite, il post-trattamento degli NOx e l'arresto di emergenza, non semplicemente un nuovo nome per il combustibile.

10. Riepilogo in tre righe

Una turbina a gas è una macchina a ciclo Brayton che comprime, brucia ed espande continuamente il gas. Gli aeromobili convogliano il lavoro di espansione in spinta; le centrali elettriche lo convogliano a un albero e recuperano il calore di scarico, con le turbine a gas a ciclo combinato (GTCC) che aggiungono una turbina a vapore. Materiali, comportamento a carico parziale, cicli termici e transizione al nuovo combustibile determinano se l'efficienza dichiarata si traduce in prestazioni reali sul campo.