Ciclu combinat cu ardere Ciclu combinat cu ardere externăexternă

Cele mai avansate sisteme pentru Cele mai avansate sisteme pentru producerea energiei electrice utilizând producerea energiei electrice utilizând cărbunele sunt ciclurile cu cărbunele sunt ciclurile cu gazeificarea cărbunelui (IGCC) şi gazeificarea cărbunelui (IGCC) şi sistemele de ardere în strat fluidizat sistemele de ardere în strat fluidizat sub presiune (PFBC). Ambele sub presiune (PFBC). Ambele reprezintă tehnologie de ultima oră şi reprezintă tehnologie de ultima oră şi produc energie electrică cu un produc energie electrică cu un randament de 41 – 46 %. randament de 41 – 46 %.

Totuşi, nivelul crescut de complexitate Totuşi, nivelul crescut de complexitate conduce la o fiabilitate mai mică şi conduce la o fiabilitate mai mică şi costuri mari de întreţinere. costuri mari de întreţinere.

A fost propus un sistem mai simplu, bazat A fost propus un sistem mai simplu, bazat pe un generator de abur ce foloseşte pe un generator de abur ce foloseşte cărbune şi o turbină. În cazul acestui cărbune şi o turbină. În cazul acestui sistem, cunoscut ca un ciclu combinat cu sistem, cunoscut ca un ciclu combinat cu ardere exterioară (EFCC), aerul comprimat ardere exterioară (EFCC), aerul comprimat este încălzit indirect într-un schimbător de este încălzit indirect într-un schimbător de căldură plasat în focar. Aerul cald se căldură plasat în focar. Aerul cald se destinde apoi în turbină şi după aceea trece destinde apoi în turbină şi după aceea trece prin focar pentru a înteţi arderea. Aburul din prin focar pentru a înteţi arderea. Aburul din vaporizator generează putere suplimentară vaporizator generează putere suplimentară destinzându-se în turbina cu abur. destinzându-se în turbina cu abur. Eliminarea produşilor arderii cărbunelui din Eliminarea produşilor arderii cărbunelui din turbina cu gaze evită cheltuielile de turbina cu gaze evită cheltuielile de curăţare a turbinei şi pericolul producerii curăţare a turbinei şi pericolul producerii coroziunii paletelor datorită cenuşii. coroziunii paletelor datorită cenuşii.

S-a demonstrat că S-a demonstrat că pentru un sistem pentru un sistem EFCC arderea EFCC arderea suplimentară oferă suplimentară oferă o soluţie de o soluţie de tranziţie. Pentru a tranziţie. Pentru a putea intra în putea intra în competiţie cu alte competiţie cu alte centrale centrale termoelectrice sunt termoelectrice sunt necesare necesare schimbătoare din schimbătoare din materiale ceramice materiale ceramice rezistente la rezistente la temperaturi înalte.temperaturi înalte.

Fig. 5.1. Schema unei centrale cu Fig. 5.1. Schema unei centrale cu ciclu combinat cu ardere externă:ciclu combinat cu ardere externă:cu încălzitor de aer special proiectatcu încălzitor de aer special proiectatconfiguraţia cu ardere suplimentarăconfiguraţia cu ardere suplimentară

Cărbunele reprezintă aproximativ 70% din Cărbunele reprezintă aproximativ 70% din resursele de combustibil fosil ale lumii şi produce resursele de combustibil fosil ale lumii şi produce 31% din energia electrică (Rameza net al., 1996). 31% din energia electrică (Rameza net al., 1996). Energia electrică produsă din cărbune este Energia electrică produsă din cărbune este predominat generată în termocentralele cu predominat generată în termocentralele cu ardere directă unde gazele de ardere fierbinţi ardere directă unde gazele de ardere fierbinţi produc aburul într-un vaporizator şi apoi aburul produc aburul într-un vaporizator şi apoi aburul produce lucru mecanic destinzându-se în turbină. produce lucru mecanic destinzându-se în turbină. Datorită constrângerilor termodinamice şi Datorită constrângerilor termodinamice şi metalurgice randamentul acestor centrale este metalurgice randamentul acestor centrale este relativ scăzut. Centralele moderne au un relativ scăzut. Centralele moderne au un randament de 38 – 40% funcţionând la 250 – 300 randament de 38 – 40% funcţionând la 250 – 300 bar şi 530 – 560 bar şi 530 – 560 C. Randamente mai mari pot fi C. Randamente mai mari pot fi obţinute crescând parametrii aburului, dar şi în obţinute crescând parametrii aburului, dar şi în cazul schimbătoarelor supracritice ce cazul schimbătoarelor supracritice ce funcţionează la presiuni de 350 bar şi temperaturi funcţionează la presiuni de 350 bar şi temperaturi de 700 de 700 C randamentul nu depăşeşte 47%. C randamentul nu depăşeşte 47%.

Aceste cifre contrastează cu Aceste cifre contrastează cu randamentul centralelor cu cicluri randamentul centralelor cu cicluri combinate ce utilizează gazul natural combinate ce utilizează gazul natural ce au parametrii moderaţi şi ce au parametrii moderaţi şi transformă 45 – 52% din puterea transformă 45 – 52% din puterea calorifică inferioară a combustibilului calorifică inferioară a combustibilului în energie electrică, iar cele mai în energie electrică, iar cele mai moderne ajung şi la randamente de moderne ajung şi la randamente de 57% (Farmer, 1996).57% (Farmer, 1996).

O comparaţie cu ciclul Rankine arată O comparaţie cu ciclul Rankine arată avantajul utilizării ciclului cu ardere avantajul utilizării ciclului cu ardere externă la folosirea căldurii (Fig. 5.2.). Deşi externă la folosirea căldurii (Fig. 5.2.). Deşi aerul are o căldură specifică mai mică aerul are o căldură specifică mai mică decât aburul nu necesită presiuni mari la decât aburul nu necesită presiuni mari la temperaturi mari. Transferul de căldură temperaturi mari. Transferul de căldură între aer şi gazele de ardere are loc în fază între aer şi gazele de ardere are loc în fază gazoasă aşadar diferenţa medie de gazoasă aşadar diferenţa medie de temperatură este mai mică decât în cazul temperatură este mai mică decât în cazul aburului.aburului.

Încălzirea aerului are loc în componenta Încălzirea aerului are loc în componenta cea mai critică a sistemului, schimbătorul cea mai critică a sistemului, schimbătorul de înaltă temperatură. Cu excepţia acestui de înaltă temperatură. Cu excepţia acestui schimbător celelalte echipamente sunt schimbător celelalte echipamente sunt standard. În funcţie de temperatura la standard. În funcţie de temperatura la intrarea turbinei şi alţi parametrii intrarea turbinei şi alţi parametrii centralele EFCC pot obţine un randament centralele EFCC pot obţine un randament de 40 – 49%.de 40 – 49%.

Un ciclu cu turbină cu ardere externă a fost propus Un ciclu cu turbină cu ardere externă a fost propus de mult timp ca o realizare practică a ciclului Joule – de mult timp ca o realizare practică a ciclului Joule – Brayton, dar această idee a câştigat interes în Brayton, dar această idee a câştigat interes în ultima decadă. În Statele Unite acest concept a fost ultima decadă. În Statele Unite acest concept a fost dezvoltat de mai multe companii, inclusiv Hague dezvoltat de mai multe companii, inclusiv Hague International, compania care a proiectat International, compania care a proiectat schimbătorul ceramic de înaltă temperatură. Grupul schimbătorul ceramic de înaltă temperatură. Grupul este condus de Morgantown Energy Technology este condus de Morgantown Energy Technology Center (La Haye and Zaboltny, 1989; Parsons and Center (La Haye and Zaboltny, 1989; Parsons and Bechtel, 1991; Vandervort et al., 1993).Bechtel, 1991; Vandervort et al., 1993).

Alt grup, sub conducerea Pittsburg Energy Alt grup, sub conducerea Pittsburg Energy Technology Center, lucrează la dezvoltarea unui Technology Center, lucrează la dezvoltarea unui proiect similar numit Sistem de producere a proiect similar numit Sistem de producere a energiei de înaltă performanţă (HIPPS). Încălzitorul energiei de înaltă performanţă (HIPPS). Încălzitorul de aer este proiectat Foster Wheeler şi United de aer este proiectat Foster Wheeler şi United Technologies teams (Ruth, 1995; Seery et al., Technologies teams (Ruth, 1995; Seery et al., 1995).1995).

Huang şi Naumowicz (1992) au concluzionat că Huang şi Naumowicz (1992) au concluzionat că randamentul creşte cu creşterea temperaturii randamentul creşte cu creşterea temperaturii la intrarea în turbină, în timp ce raportul la intrarea în turbină, în timp ce raportul presiunilor ciclului nu influenţează considerabil presiunilor ciclului nu influenţează considerabil randamentul. Un raport al presiunilor de 12 – randamentul. Un raport al presiunilor de 12 – 15 a fost ales în cele mai multe studii. 15 a fost ales în cele mai multe studii. Temperatura la intrarea în turbină este limitată Temperatura la intrarea în turbină este limitată de materialul schimbătorului de înaltă de materialul schimbătorului de înaltă temperatură. Super aliaje bazate pe nichel temperatură. Super aliaje bazate pe nichel permit funcţionarea la 800 – 825 permit funcţionarea la 800 – 825 C. C. Schimbătoare mai avansate fabricate din aliaje Schimbătoare mai avansate fabricate din aliaje de dispersii de oxizi pot rezista la temperaturi de dispersii de oxizi pot rezista la temperaturi de 950 de 950 C (Klara, 1995). Un schimbător ceramic C (Klara, 1995). Un schimbător ceramic fabricat din silicon carbid este capabil să fabricat din silicon carbid este capabil să funcţioneze la temperaturi mai înalte. funcţioneze la temperaturi mai înalte. Temperaturi de 1075 Temperaturi de 1075 C au fost atinse în C au fost atinse în experimente prezentate de Solomon et al. experimente prezentate de Solomon et al. (1996), se anticipează temperaturi mai ridicate (1996), se anticipează temperaturi mai ridicate de 1370 de 1370 C (Vandervort, 1993; Seery et al., C (Vandervort, 1993; Seery et al., 1995). 1995).

Un număr de configuraţii a fost definit Un număr de configuraţii a fost definit pentru a estima performanţele EFCC pentru a estima performanţele EFCC pentru diferite tipuri de încălzitoare de pentru diferite tipuri de încălzitoare de aer: (1) schimbător metalic fabricat din aer: (1) schimbător metalic fabricat din aliaje de nichel ce poate funcţiona la aliaje de nichel ce poate funcţiona la 800 800 C; (2) schimbător metalic fabricat C; (2) schimbător metalic fabricat din aliaje de dispersie de oxizi ce poate din aliaje de dispersie de oxizi ce poate funcţiona la 980 funcţiona la 980 C; (3) schimbător C; (3) schimbător ceramic (carbid de siliciu ce poate ceramic (carbid de siliciu ce poate funcţiona până la 1165 funcţiona până la 1165 C, o parte din C, o parte din schimbător este metalică. schimbător este metalică.

Configuraţiile studiate sunt:Configuraţiile studiate sunt: PCPC centrală cu cărbune pulverizat,centrală cu cărbune pulverizat, EFCC 800EFCC 800 EFCC – încalzitor de aer la 800 EFCC – încalzitor de aer la 800 CC Arzător suplimentar la 1165 Arzător suplimentar la 1165 C,C, EFCC 980EFCC 980 EFCC – încalzitor de aer la 980 EFCC – încalzitor de aer la 980 CC Arzător suplimentar la 1165 Arzător suplimentar la 1165 C,C, EFCC 1165EFCC 1165 EFCC – încalzitor de aer la 1165 EFCC – încalzitor de aer la 1165 CC Fără arzător suplimentar,Fără arzător suplimentar, GTCCGTCC centrală cu gaz natural,centrală cu gaz natural, IGCCIGCC centrală cu ciclu combinat cu gazeificarea centrală cu ciclu combinat cu gazeificarea

cărbunelui.cărbunelui.

Opţiunile cu turbină cu gaze s-au bazat pe specificaţiile tehnice ale Opţiunile cu turbină cu gaze s-au bazat pe specificaţiile tehnice ale turbinei Siemens V 94.2:turbinei Siemens V 94.2:

Randament izentropic al compresorului: 88%Randament izentropic al compresorului: 88% Randament izentropic al turbinei: 85,6%Randament izentropic al turbinei: 85,6% Raportul presiunilor: 13,7Raportul presiunilor: 13,7 Temperatura la intrarea în turbină: 1165 Temperatura la intrarea în turbină: 1165 C,C, Căderea de presiune în camera de ardere: 0,27 barCăderea de presiune în camera de ardere: 0,27 bar Randamentul arzătorului: 99%Randamentul arzătorului: 99%

Rezultatele simulării arată o creştere Rezultatele simulării arată o creştere considerabilă a performanţelor considerabilă a performanţelor centralelor EFCC faţă de centralele cu centralelor EFCC faţă de centralele cu pulverizarea cărbunelui, acestea pulverizarea cărbunelui, acestea consumă cu aproape 30% mai puţin consumă cu aproape 30% mai puţin combustibil (tab. 5.2).combustibil (tab. 5.2).

După cum se observă din fig. 5.3, opţiunile După cum se observă din fig. 5.3, opţiunile cu ardere externă sunt mai avantajoase cu ardere externă sunt mai avantajoase decât PC sau GTCC. Domeniul lor este între decât PC sau GTCC. Domeniul lor este între 5,6% pentru EFCC 800 şi 10,7% pentru EFCC 5,6% pentru EFCC 800 şi 10,7% pentru EFCC 1165. Când le comparăm cu centralele mai 1165. Când le comparăm cu centralele mai avansate avantajele devin mult mai mici iar avansate avantajele devin mult mai mici iar pentru EFCC 800 sunt aproape neglijabile. pentru EFCC 800 sunt aproape neglijabile. Acest lucru arată că efectul arderii Acest lucru arată că efectul arderii suplimentare în centralele EFCC este limitat suplimentare în centralele EFCC este limitat pe termen lung şi doar realizarea pe termen lung şi doar realizarea schimbătoarelor de căldură de înaltă schimbătoarelor de căldură de înaltă temperatură pentru EFCC temperatură pentru EFCC “doar cu cărbune” “doar cu cărbune” poate determina creşterea competitivităţii în poate determina creşterea competitivităţii în raport cu alte tipuri de centrale, de exemplu raport cu alte tipuri de centrale, de exemplu IGCC.IGCC.

Fig. 5.3 Randamentul centralelor raportat la procentul de Fig. 5.3 Randamentul centralelor raportat la procentul de cărbune din totalul de combustibilcărbune din totalul de combustibil

Cu cât mai mult cărbune este utilizat în arderea externă se Cu cât mai mult cărbune este utilizat în arderea externă se observă o scădere a randamentului. Aceasta este cauzată de observă o scădere a randamentului. Aceasta este cauzată de reducerea consumului de gaz natural. Alt motiv este creşterea reducerea consumului de gaz natural. Alt motiv este creşterea consumului cu desulfurarea gazului ce duce la scăderea consumului cu desulfurarea gazului ce duce la scăderea randamentului odată cu creşterea consumului de cărbune.randamentului odată cu creşterea consumului de cărbune.

Referitor la suprafeţele schimbătoarelor Referitor la suprafeţele schimbătoarelor de căldură, suprafaţa vaporizatorului este de căldură, suprafaţa vaporizatorului este comparabilă la toate configuraţiile în timp comparabilă la toate configuraţiile în timp ce suprafaţa încălzitorului de aer variază ce suprafaţa încălzitorului de aer variază considerabil (fig. 5.4).considerabil (fig. 5.4).

Pentru EFCC Pentru EFCC “doar cu cărbune” reprezintă 34% din “doar cu cărbune” reprezintă 34% din suprafaţa totală în timp ce pentru EFCC 800 este de suprafaţa totală în timp ce pentru EFCC 800 este de 14%. Pe acelaşi graphic este trecut consumul 14%. Pe acelaşi graphic este trecut consumul specific de gaz natural în kW termici pe kW electrici. specific de gaz natural în kW termici pe kW electrici. Acesta permite o comparaţie între consumul de gaz Acesta permite o comparaţie între consumul de gaz şi suprafaţă. De exemplu 0,5kW de gaz natural şi suprafaţă. De exemplu 0,5kW de gaz natural consumat de EFCC 800 echivalează cu 63 m2 de consumat de EFCC 800 echivalează cu 63 m2 de suprafaţă ceramică în cazul EFCC 1165. O analiză suprafaţă ceramică în cazul EFCC 1165. O analiză economică trebuie efectuată pentru determinarea economică trebuie efectuată pentru determinarea optimului în momentul în care se vor cunoaşte optimului în momentul în care se vor cunoaşte preţul aliajelor metalice şi al materialului ceramic.preţul aliajelor metalice şi al materialului ceramic.

Pentru a menţine temperature la intrarea în Pentru a menţine temperature la intrarea în fierbător la 630 fierbător la 630 C în toate configuraţiile procentul C în toate configuraţiile procentul din debitul ieşit din turbină trimis în focar a fost din debitul ieşit din turbină trimis în focar a fost setat la 0,355, 0,494 şi 0,66 pentru EFCC 800, EFCC setat la 0,355, 0,494 şi 0,66 pentru EFCC 800, EFCC 980 respectiv EFCC 1165. Diferenţa este datorată 980 respectiv EFCC 1165. Diferenţa este datorată încărcării diferite a încălzitorului de aer. Un încărcării diferite a încălzitorului de aer. Un încălzitor de aer cu sarcină mai mare necesită mai încălzitor de aer cu sarcină mai mare necesită mai mult aer preîncălzit de la ieşirea din turbină.mult aer preîncălzit de la ieşirea din turbină.