Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial [613787]

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

3

Cuprins
1. Stadiul actual al dezvoltării turbinelor cu gaz utilizate în sectorul energetic ____________ 5
1.1. Stadiul de dezvoltare tehnologică în domeniul temei ________________________________ _ 5
1.2 Dezvoltarea turbinelor cu gaz ________________________________ ____________________ 7
1.3. Studiul actual în România ________________________________ _______________________ 8
Centrala Electrică cu Ciclu Combinat Brazi ________________________________ ______ 11
1.4. Principiul de funcțiomare al ITG ________________________________ ________________ 17
1.5.Clasificarea turbinelor cu gaze: ________________________________ __________________ 17
1.6. Componentele ITG: ________________________________ ___________________________ 19
1.6.1. Compresorul: ________________________________ ________________________________ _______ 19
1.6.2 Camera de ardere: ________________________________ ________________________________ ___ 20
1.6.3 Turbina: ________________________________ ________________________________ ____________ 20
2. Studiul privind tipul de combustibili folosiți al diferitelor ITG și creșterea performanțelor
turbinelor cu gaz ________________________________ ____________________________ 21
2.1Tipuri de combustibili: ________________________________ _________________________ 21
2.2 Tipuri de ITG: ________________________________ ________________________________ 22
2.2.1 ITG industriale : ________________________________ ________________________________ ______ 22
2.3. Metode de creștere a performanțelor ITG: ________________________________ ________ 23
2.4. Cadrul legislativ European și National, privind Cogenerarea Energiei Electrice și Termice.
Cogenerarea de înaltă eficientă prin ITG ________________________________ _____________ 28
3. Metodologia de determinare a necesarului de consum te rmic a unei fabrici producătoare de
bere ________________________________ ________________________________ _______ 31
3.1.Centrala de cogenerare cu Turbina cu Gaz pentru alimentarea cu căldura și energie electrică
________________________________ ________________________________ _______________ 31
3.2.Distribuția centralei: ________________________________ ___________________________ 33
3.3 Concluzii privind necesarul termic al consumatorului industrial _________________________ 34
4. Centrala de cogenerare cu turbină cu gaze pentru alimentarea cu căldura si energie
electrică a unui consumator industrial ________________________________ ___________ 35
4.1. Ipoteze de bazĂ în studiul de caz: ________________________________ _______________ 35
4.2 Calculul necesarului termic in cazul consumatorului industrial analizat ________________ 36
4.2.1. Prelucrarea d atelor de la consummator si determinarea curbelor de consum ____________________ 36

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

4
4.2.2. Prognoza curbei de sarcina termica (D h abur) pentru abur la consumator _____________________ 36
4.2.3. Prognoza curbei de sarcină termică (P termice ) totale ________________________________ _________ 38
4.3. Dimensionarea si alegerea componentelor ITG (TG, CR si CAI) ______________________ 39
4.4 Selectarea turbinelor folosite : ________________________________ ___________________ 46
4.4 Func ționarea la sarcini parțiale: ________________________________ _________________ 51
5. Concluzii ________________________________ ________________________________ _ 54
Anexe

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

5
1. Stadiul actual al dezvoltării turbinelor cu gaz utilizate în sectorul energetic
1.1. Stadiul de dezvoltare tehnologică în domeniul temei
O termocentrală sau centrală termoelectrică este o centrală electrică ce produce curent
electric pe baza conversiei energiei termice obținută prin arderea combustibililor. Curentul
electric este produs de generatoare electrice antrenate de turbine cu gaze, turbine cu abu r sau mai
rar, cu motoare cu ardere internă. Sunt considerate termocentrale și cele ce transformă energia
termică provenită din alte surse, cum ar fi cea nucleară, solară sau geotermală, însă construcția
acestora diferă de cea a centralelor care se bazează pe ardere.
După tipurile de energie utilă livrată, deosebim:
• Centralele termoelectrice (CTE) care produc în special curent electric, căldura fiind un
produs secundar. La puteri medii, aceste centrale se caracterizează prin faptul că sunt
echipate în special cu turbine cu abur cu condensație sau cu turbine cu gaze. Mai nou,
aceste centrale se cons truiesc având la baza un ciclu combinat abur -gaz.
• Centrale electrice de cogenerare ce realizează producerea combinată de curent electric și
căldură. Centralele românești de acest tip se caracterizează prin faptul că la puteri medii și
mari sunt echipate în special cu turbine cu abur cu contrapresiune sau condensație și priză
reglabilă.
Termoficarea, în accepțiunea din Europa de Est, include două aspecte :
• Producerea centralizată a căldurii și livrarea acesteia folosind ca agent termic Apa
Fierbinte (AF, pentru consumatori „urbani și similari) sau aburul (pentru consumatori
industriali). Producerea centralizată a căldurii se poate face cu randamente mari si cu un
mai bun control asupra poluării decât dacă aceasta căldură ar fi produsă local. De
asemenea, minimizarea emisiilor de carbon în atmosfera este mai ușor de făcut.

• Producerea căldurii prin cogenerare se realizeaz ă arzând combustibili fosili, iar mai r ecent
biomasa. Sunt folosite de asemenea centrale termice prin încălzire, centrale geotermale,
centrale solare sau centrale nuclearo -electrice.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

6
Soluțiile curente de producere a electricității în companiile de utilitate publică se bazează
pe folosirea uno r unități de mare putere, fapt ce asigură o serie de avantaje, atât în cazul
tehnologiilor tradiționale, cât și în cele noi, de tipul CCGA (ciclu combinat gaze -abur). Dintre
avantajele producției centralizate amintim:
 Posibilitatea de transport a energiei electrice la distanțe mari, cu randamente bune și costuri
acceptabile;
 Posibilitatea valorificării unor amplasamente (altele decât „la consumator”).
 Efectul de scară;
 Interconexiunea între grupuri cu diferite tehnologii de conversie și care utilizează forme
variate de energie primară;
În România, cât și pe plan mondial, cea mai mare parte din energia electrică se produce în
CTE. În plus în țara noastră, ca și în majoritatea țărilor Central -Est Europene, există un puternic
sector de cogenerare. Toate ac este centrale utilizeaz ă instalații cu turbine cu abur.
La TG efectul de scară este mult atenuat, în sensul că se pot realiza randamente bune și
investiții specifice reduse și la puteri unitare mult mai mici decât ale ITA. Utilizarea gazului
natural reduc e sensibil impactul asupra mediului ambiant, în raport cu cel al instalațiilor care ard
cărbune sau păcură. Tehnologia ITG este una din cele mai dinamice pe plan mondial (materiale
speciale, arzătoare cu producții reduse de NO x, tehnologii de răcire, proce duri avansate de
mentenanță predictivă și preventivă).
ITG acoperă un domeniu larg de puteri unitare (3 240 MW) și au atins randamente
termice de peste 40 %. În combinație cu ITA, ele au permis realizarea unor unități cu CCGA de
până la 850 MW (pe trei linii de arbori), cu randamente electrice de până la 58%. Fiabilitatea și
disponibilitatea ITG au atins și chiar depășit performanțele ITA. Investiția specifică (exprimată
în kw instalat ) în ITG este circa jumătate din cea de la ITA, iar în cicluri combinate gaze -abur de
circa 2/3 din cea de la ITA.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

7
1.2 Dezvoltarea turbinelor cu gaz
Turbina cu gaze s -a dezvoltat mai recent decât turbina cu abur.
Englezul John B arber a recunoscut prima turbina cu gaze în anul 1971, care avea
principalele componente din turbinele cu gaze modern e. Germanul Dr. F. Stolger, a construit
prima turbină cu gaze, în anul 1872, însa aceasta nu a funcționat independent niciodată.
Prima astfel de turbină funcțională a fost construită de catre norvegianul Ægidius Elling,
în anul 1903. Puterea produsă de această turbină a fost de 11 cao putere, o putere mare luând în
considerare lipsa c unoștințelor de aerodinamica a vremii. La doar nouă ani distanță este realizată
si prima aplicație practică a turbinei cu gaze, de către Charles Curtis.
În 1918 General Electric , unul din cei mai mari producători, inclusiv din zilele noastre, își
începe producția de turbine cu gaze.
Inspirat de ideea lui Dr. F. Stolger, englezul Frank Whittle brevetează proiectul unei
turbine cu gaze pentru propulsia avioanelor (motoare cu reacție), în anul 1930. După șapte ani s –
a realizat practic acest proiect. Datorită compresorului centrifugal al acestui motor, s -a dezvoltat
motorul Rolls -Royce Welland , care a echipat avionul Gloster Meteor .
În 1936 Hans von Ohain și Max Hahn dezvoltă în Germania un motor cu reacție bazat pe
un brevet propriu. Compresorul acestui motor era de tip axial , și pe baza lui s -a dezvoltat motorul
Junkers Jumo 004 care a echipat avionul Messersmitt Me 262 .
O turbină cu gaz este cunoscută și sub numele de de instalație de turbină cu gaze, (ITG) ,
care utilizeză scăderea entalpiei unui gaz sau al unui amestec de gaze, pentru a produce o
cantitate de energie mecanică cu ajutorul unor palate care se rotesc în jurul unui ax.
Ea poate fi asemanată cu un motor al unui automobile din punct de vedere termodinamic.
În majoritate a țărilor dezvoltate există firme producătoare de ITG. CCGA sunt exportate
curent și în state mediu dezvoltate. Peste 80 % din centralele electrice cu ciclu termodinamic
aflate în construcție și care vor utiliza gazul natural sunt cu ITG (CCGA). Domeniile de utilizare
sunt diferențiate după nivelul de putere și scop. Astfel deosebim:
• ITG folosite ca unități de vârf în sisteme energetice cu grad redus de hidraulicitate (astfel
de aplicații nu prezintă interes în România);
• CCGA de mare putere utilizate ca unități de bază și semibază în companiile de
electricitate;

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

8
• ITG cu recuperare de căldură folosite la producere combinată de energie electrică și
termică (cogenerare) în variante fără și cu cicluri cu abur.

1.3. Studiul actual în România
Societatea comercială CET S.A. Bacău deține în administrare :
Regimul de funcționare
S.C. CET Bacău exploatează două sisteme de alimentare cu energie termică în sistem
centralizat (SACET):
– SACET alimentat de centrală electrică de termoficare cu funcționare pe lignit, echipată
cu surse de vârf și de rezervă -CAI, CAF, TG și LOOS, sistem care conține rețele de
transport, puncte termice și rețelele de distribuție energie termică (pentru încălzire și
a.c.c);
– SACET alimentat de centr alele termice de cvartal, care cuprinde centralele de cvartal si
rețelele de distribuție energie termică (pentru încălzire și a.c.c). Producerea energiei
termice în cogenerare și surse de vârf interconectate, se realizează astfel:
a) în regim de iarnă, apa fi erbinte este produsă în regim de cogenerare, prin intermediul
instalației de termoficare urbană (echipată cu un boiler de bazăși două boilere de vârf) ce
utilizează aburul extrasdin prizele reglabile ale turbinei DSL 50;
b) în regim de avarie iarnă/indisponib ilitate grup nr.1, apa fierbinte este produsă de grupul
de cogenerare echipat cu turbină cu gaze, de cazanul de apă fierbinte tip ALCHEMNITZ
100Gcal/h și de cazanul de abur pornire și ajutor în termoficare (CAI) tip Babcock;
c) în regim de vară, apa caldă est e produsă de grupul de cogenerare echipat cu turbină cu
gaze, iar în regim de avarie/vară, de cazanul de apă fierbinte tip ALCHEMNITZ
100Gcal/h. Din producția totală de energie la nivelul anului de exploatare 2011 –1610,96
TJ, 62,62% este energie termică ( 62,48% sub formă de apă caldă și 0,14% sub formă de
abur), iar 37,38% energie electrică.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

9

Figura 1. 3.1 CET S.A. Bacău , Sursă www.cetbacau.ro

Agregate industriale energ etice
Agregatele energetice ale instalației SC CET SA Bacău -EU-ETS nr.1, pentru producerea
în cogenerare a energiei electrice și termice sunt:
– 1 cazan energetic pentru producerea aburului, prin conversia energiei chimice
înmagazinate în combustibili fosili (căr bune, biomasă energetică, gaze naturale și/sau
pacură) în energie termică. Cazanul energetic tip CRG 1870 este fabricat în România și
are o putere termică instalată de 343 MWt;
– 1 turbogenerator tip DSL 50 cu o putere electrică la sarcina nominală de 50 MW , care
transformă energia cinetică a aburului produs în cazanul energetic în energie electrică.
Aburul este destins în turbina, printr -o succesiune de transformări termodinamice, energia
cinetică a acestuia fiind transformată în lucru mecanic (rotirea tur binei). Axial cu turbina
este cuplat generatorul electric, care transformă lucrul mecanic în energie electrică
produsă la bornele acestuia;
– 1 cazan de abur industrial (CAI) tip BABCOCK, care poate produce un debit de abur de
100 t/h (cu parametrii: presiun ea 17bar, temperatura 270°C) prin arderea gazelor naturale
sau a CLU;

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

10
– 1 grup de cogenerare turbine cu gaze compus din :
• grup turbogenerator (TG) cu funcționare pe combustibil gaz natural, având puterea de
13,9 MWe și 22 MWt (total 41,61 MWt), care transformă energia gazelor de ardere în
energie electrică prin intermediul ansamblului turbină -generator de curent, livrată SEN
și energie termică obținută prin preluarea acesteia din gazele de ardere evacuate din
turbină, prin intermediul cazanului recupe rator;
• cazanul de apa caldă (LOOS) tip UT -L 3700 având P = 3 MWt (3,22 MWt), care poate
produce doar energie termică, prin arderea gazului natural.

Tabel 2. Surse de emisii de gaze cu efect de seră existente pe amplasament :

Tipul de instalație
Tehnologia Capacitate
(MWt)
Anul PIF
Observații
Instalația de ardere –
IMA nr.1
Sursa nr.1
–Boiler; Cazan energetic tip
CRG 1870
Combustibil:
-cărbune
-biomasă
-gaz natural
-păcură
343 1998 Funcțională
Instalația de ardere –
IMA nr.2
Sursa nr.2
-Boiler; Cazan de abur
industrial CAI tip
BABCOCK, 100 t/h
Combustibil:
-gaz natural
-păcură
76,5 2000 Funcțională
Grup de
cogenerare cu TG
+LOOS
Sursa nr.3
–Grup turbogenerator
Combustibil:
-gaz natural
41,61 2008 Funcțională
Sursa nr.4
-Boiler; Cazanul de apă
calda LOOS, tip UT -L 3700
Combustibil:
-gaz natural
3,22 2008 Funcțională

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

11

Tabelul 3. Date tehnice despre fiecare activitate identificate în procedură

Categoria de
activitate din
anexa nr. 1 la
procedură
desfășurată în
instalație
Capacitatea
proiectată a
instalației
(tone/zi, MW
etc.)
UM Perioada de
funcționare
Tipul de
produs
Punct de
descărcare a
emisiilor
Referința
pentru
punctul de
descărcare a
emisiilor

Arderea
combustibililor
în instalații cu
putere termică
nominală totală
de peste 20 MW (cu
excepția
instalațiilor
pentru
incinerarea
deșeurilor
periculoase sau
municipale)
464,33
MWt 333zile
Energie
termică/

Energie
electrică
Coș nr. 1

Coș nr. 3

Coș nr. 4
A1

A3

A4

Centrala Electrică cu Ciclu Combinat Brazi
Centrala electrică pe gaze de la Brazi reprezintă cel mai mare proiect privat Greenfield de
generare de electricitate din România, cu investiții de circa 530 milioane euro și utilizează cele
mai noi soluții tehnice în dom eniu, în conformitate cu standardele europene de mediu.
Scurtă istorie:
2007: Decizia privind construcția centralei electrice cu ciclu combinat;
2008: Decizia finală referitoare la investiție;
2008: Depunerea tuturor documentelor relevante către autorități;
2009: Aprobarea completă a proiectului;
2009 -2011: Faza de construcție;
2012: Inceperea exploatarii comerciale
Centrala electrică pe gaze de la Brazi reprezintă cel mai mare proiect privat Greenf ield de
generare de electricitate din România și utilizează cele mai noi soluții tehnice în domeniu, în
conformitate cu standardele europene de mediu.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

12
Configurația centralei este unică în România și îi conferă flexibilitate în funcționare și o
eficiență r idicată. Cu două turbine cu gaze, două cazane recuperatoare și o turbină cu abur,
centrala dezvoltă o putere de 860 MW și are o eficiență proiectată crescută, de circa 57%,
comparativ cu media de 30% a instalațiilor din România care dezvoltă puteri similar e. În plus,
centrala beneficiază de un echipament ultramodern de reducere a emisiilor, care îi permite să se
încadreze cu emisiile de CO2 sub media europeană.
Caracteristici:
• Capacitate instalată de 860 de MW
• Configurație tehnică:
2 turbine cu gaze naturale de 290 MW fiecare;
1 turbină cu abur de 313 MW.
• Eficiență înaltă:
57% eficiență energetică proiectata a centralei Brazi vs. 30% media eficienței energetice
în sectorul energetic din România (folosește pana la jumătate din cantitatea de gaz pe care
o folosește orice altă centrală pe gaze din România pentru a genera aceeași cantitate de
electricitate).
• Flexibilitate ridicată:
pornire rapidă (la jumătate comparativ cu o centrală electrică convențională);
viteză mare de creștere a energiei electrice pr oduse.
• Emisii CO 2 reduse:
CCPP Brazi genereaza circa 0,35t CO 2 pentru fiecare MWh de electricitate produs,
comparativ cu o centrală convențională pe cărbune/lignit care genereaza pana la ~0,8t
CO 2/MWh.
• Brazi aduce stabilitate în furnizarea de energie a Ro mâniei
Poate compensa gradul scăzut de predictibilitate a producției eoliene: permite instalarea a
aproximativ 700 MW de energie eoliană în sistemul românesc.
• Conexiunea la rețeaua de gaze și electricitate
Conducta de gaze de 30 de km. nou construită;
2×3 km. de linii de înaltă tensiune nou construite.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

13

Figura 1. 3.2 Centrala de Cogenerare OMV Petrom Sursă https://www.omvpetrom.com

S.C. Chimcomplex S .A. Borzesti
La Onești în data de 30 iunie 2015, S.C. Chimcomplex S .A. Borzesti anunță finalizarea
unei investi ții de peste 14,35 milioane de euro într -o instalație unică î n România din punct de
vedere al randamentului energetic și care permite combinatului să își reducă semnificativ
costurile cu utilităț ile.
Dupa trei ani de inovare, cercetare și proiectare, o echipă de specialiș ti de la
Chimcomplex a finalizat și a pus î n fun cțiune, î n anul 2009 , o instalație revoluționară, care
alimentată cu gaze naturale și hidrogen obț inut din surse regener abile, produce energie electri că
și termică, necesare în procesele de producț ie din combinat. Randament ul energetic de peste 90%
al acestei instalaț ii de cogene rare a determinat Chimcomplex să construiască în anul 2015 o a
doua centrală de acest tip.
Instalaț ia Cogenerare II, consider ata un vâ rf al tehnologiei la nivel mondial, produce mai
multă energie electrică și termică decâ t cons uma întreg orașul Râmnicu Vâlcea. În urma celor
doua investiții, Chimcomplex ș i-a redus co sturile energetice cu 42% ș i a devenit unul dintre cele
mai perf ormante combinate chimice. Din punct de vedere al impa ctului asupra mediului, datorită

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

14
economiilor anuale de gaze naturale generate de proiect, emisiile de CO2 se reduc cu peste
17.800 tone pe an.
Prima instalație de cogenerare, o creație proprie dezvolta tă cu un partener din Elveția,
Turbomach, a primit î n anul 2010 un premiu de excelență ș i un cec de 375.000 de euro pentru
instalația cu cea mai înaltă eficiență energetică dintre proiectele finanțate în Europa de către
BERD ș i Fondul European de Eficienta Energetică. În ceea ce privește Instalația de Cogenerare
2, pusă în funcțiune î n mai 2015, test ele au arătat că eficiența globală depășește 91% .
Avem cele mai eficiente două instalații de cogenerare din Europa și în acelaș i timp avem
cel mai eficient consumator de energie electrică într -o instalație de electroliză cu membrană
schimbă toare de ioni de generatia a V -a, conform clasamentului prezent at de cea mai importanta
revistă de specialitate, editată de Eurochlor .

Date Tehnice
Instalația de Cogener are II este compusă dintr -o turbină cu gaze cu o putere electrică
nominală la 100C de 7.68 MWe si un cazan recuperator capabil să furnizeze abur supraincălzit
cu parametrii de presiune 16 bar si temperatură 2500C, precum si apa calda la o temperatura de
950C.
Caract eristicile nominale ale instalaț iei de cogenerare II sunt:
•putere electrica de 7,68 Mwe
• putere termica de 11,7 MWt
• randament electric de 33%
• randamentul global de 91,4
Proiectul “Instalatie de Cogenerare II” a fost cofinantat prin Fondul European de
Dezvoltare Regională , valoarea totala a proiectului fiind de 63.7 milioane de lei.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

15

Figura 1.3.3 SC Chimcomplex SA Borzesti, Sursa www.chimcomplex.ro

CTE București Sud
CET București Sud, cea mai mare centrală termoelectrică în cogenerare din România,
care aparține Electrocentrale București (ELCEN), cel mai mare producător de energie termică
din țară, sărbătorește la sfârșitul lunii noiembrie 50 de ani de la punerea în funcțiune a primului
grup de 50 MW.
Amplasată în sudul Capitalei, CET București Sud a fost dată în exploatare în noiembrie
1965. Centrala a ajuns, în scurt timp, obiectiv energetic de importanță națională. Cu o putere
electrică de 500 MW și o putere termică de 1.350 Gcal/h(750 Gcal/h în instalațiile de bază și 600
Gcal/h în instalațiile de vârf), în prezent, CET București Sud este cea mai mare centrală
termoelectrică în cogenerare din țară și din sud -estul Europei. Centrala produce energie termică
și energie electrică și furnizeză căld ură și apă caldă consumatorilor bucureșteni, acoperind
aproximativ 40% din necesarul de căldură a Capitalei prin intermediul a trei magistrale.
Totodată, CET București Sud produce și livrează energie electrică în Sistemul Energetic
Național.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

16
Puterea termic ă și electrică sunt asigurate de patru grupuri cazan -turbină și două blocuri
cazan -turbină. Cele patru grupuri au patru cazane tip TGM 84 de 420 t/h și patru
turbogeneratoare dintre care două sunt de tipul VPT 50 -3 și VPT 50 -4 de 50 MW fiecare, iar
două de tipul VT 100 -1, de 100 MW fiecare. Cele două blocuri sunt formate din două cazane tip
TLMACE de 525 t/h fiecare și două turbogeneratoare tip Škoda de 125 MW fiecare.
Energia termică este produsă în regim de vârf cu șase cazane cu apă fierbinte, dintre car e
patru sunt de tip CAF 4 și două de tip 8M, cu sarcina termică de 100 Gcal/h fiecare. Instalațiile
de bază și de vârf funcționează pe gaze naturale și păcură.Energia termică este livrată
consumatorilor prin intermediul a trei magistrale (exploatate de RAD ET), de regulă pentru
următoarele zone:
• Magistrala I: Șulea -Placare, zona industrială Anticorozivul, Bd. Nicolae Grigorescu, Bd.
Liviu Rebreanu, Tomis, Iancului, Baicului Fântânica, Socului, Colentina, Delfinului,
Policlinica Titan, Muncii, Vatra Luminoasă , Pantelimon, D -na Ghica, Fundeni, Lacul
Tei, Institutul de Construcții, 17 -18 Petricani, Cosmos, Vergului, Pantelimon, Balta Albă,
Granitul, zona Faur;
• Magistrala II: Fizicienilor, Dristor, Tomis, Mihai Bravu, Matei Voievod, șulea Nord,
Cățelu, C. Brâncu și, Vaselor, Avrig, Aversa, Mecanică Fină, Bucur Obor, Teiul
Doamnei, Ramuri Tei, Ștefan cel Mare, Policlinica Dr. Grozovici;
• Magistrala III: Berceni Oltenița, Oltenița Nord, Mărășești, Unirea, Theodor Speranția,
Călărași, Labirint, Foișor, serele Leoser.

Figura 1. 3.4 CTE București Sud, Sursă www.elcen.ro

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

17
1.4.Principiul de funcțiomare al ITG
Din atmosferă este introdus aer într -un compresor cu palate, unde este comprimat,
urmâmd să fie introdus combustibilul. Amestecul suferă procesul de ardere în camera de ardere.
Gazele de ardere produse în urma ar derii, se destind într -o turbină , unde cedează lucru mecanica,
urmând să fie evacuate în atmosferă.
Turbinele cu gaze sunt folosite în general ca motoare de aviație, însă își găsesc multe
aplicații și în alte domenii, unul dintre cele mai modern fiind termocentralele cu cicluri
combinate abur -gaze. Ciclul Joule cunoscut și sub numele de ciclul Brayton este ciclul
termodinamic al unei astfel de turbine.
Transformările termodinamice
din ciclu sunt:
• 1 – 2 compresie
izoentropică;
• 2 – 3 încălzire izobară;
• 3 – 4 destindere
izoentropică;
• 4 – 1 răcire izobară.

Fig. 1.4.1Ciclul Brayton teoretic

1.5.Clasificarea turbinelor cu gaze:
După destinație:
• ITG staționare (heavy -duty), realizate folosind tehnologii derivate dinconstruc ția TA;
• ITG aeroderivative , împ ărțite la rândul lor dup ă provenien ță în ma șini:
turbopropulsoare (cu toat ă puterea la elice – vezi fig. 1.5.1 ), turboreactoare (cutoat ă puterea în jet
super sonic de gaze – vezi fig. 1.5.2 .) și turbofan (cu toat ăputerea în jet sonic de aer și gaze de
ardere – vezi fig. 1.5.3 .).
• micro ITG , realizate folosind tehnologii derivate din construc țiaturbosuflantelor de la
MP.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

18

Fig. 1 .5.1. Schema cinematic ă a unei ITG
aeroderivative turbopropulsoare, unde
neste tura ția. Fig. 1 .5.2. Schema cinematic ă a unei ITG
aeroderivative turboreactoare, unde
neste tura ția.

Fig. 1. 5.3. Schema cinematic ăa unei ITG aeroderivative turbofan

După modul de recuperare a căldurii evacuate:
• turbine cu recuperator;
• turbine fără recuperator.

După felul ciclului în care lucrează;
• cu ciclu închis;
• cu ciclu deschis.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

19
Turbinele cu gaze care absorb aer din atmosferă și evacuează gaz ele de ardere tot in
atmosferă fac ca ciclul să nu fie efectuat în totalitate în instalație . Răcirea izobară este e fectuată
în atmosfera ceea ce poate spune despre turbină că urmează un ciclu deschis. Dacă însă se
folosește un alt agent termic, diferit de aer, acesta trebuie reținut, caz în care toate transformările
din ci clu se realizează în instalație și se spune că turbina lucrează în ciclu închis.

1.6. Componentele ITG:
1.6.1. Compresorul :
Compresorul are rolul de a comprima agentul termic, realizând compresia izentropică (1 –
2) din ciclul Brayton. Compresoarele sunt de două tipuri:
– axial(la puteri medii și mari)
– radial – centrifug ă (la micro ITG);
Compresoarele axiale au un raport de compresie mai mic pe treaptă, rezu ltă un număr mai mare
de trepte de compresie pentru un raport total, deci o lungime mai mare a agregatului, însă un
diametru mai mic. Randamentul bun al acestora duce la folosința în gamă largă în turbinele
energetice.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

20
Compresoarele radial – centrifugale au un raport de compresie mare pe treaptă, rezultă puține
trepte de compresie pentru un raport total, deci agregatul este mai scurt și implicit mai ușor.
Randamentul este mai mic. Compresoarele de acest gen au fost folosite la primele turbine cu
gaze și s e folosesc la turbinele c u gaze pentru elicopterele mici.

1.6.2 Camera de ardere :
Fenomenul arderii combustibilului se produce în camera de ardere, cu rolul de a transmite
căldură ciclului. Se recunosc trei tipuri de camere de ardere în funcție de tehnologia folosită:
• cu volum mare și una sau dou ă C.A. pe o ITG (la heavy -duty „clasice”);
• cu volum mic și num ăr mare de camere de ardere dispuse circular (la ITG
aeroderivative);
• cu volum mediu și de construc ție inelar ă (la ITG heavy -duty moderne).

1.6.3 Turbina :
Turbina are rolul de a destinde gazele de ardere. Ea transformă entalpia gazelor întâi în
energie cinetică , urmând ca aceasta energie să fie transformată la radul ei în lucru mecanic
transmis discurilor turbinei și apoi arborelui, prin intermediul paletelor.
Ajutajele și paletele turbine sunt piese esențiale deoarece ele sunt supuse unor solicitări
mecanice și termice extensive. De aceea, aceste parți component sunt constituite din materiale
speciale rezistente la temperaturi cât mai mari ce au și sisteme de răcire atașate. Un studiu actu al
arată că temperaturile gazelor de ardere la intrarea în turbină au depășit 1800 °C.
Arborele turbinei asigură transmiterea puterii între turbină, compresor, cuplă etc. Pentru a
asigura turați optime tuturor componentelor se folosesc turbine cu un singu r arbore, cu doi arbori
sau cu trei arbori.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

21
2. Studiul privind tipul de combustibili folosiți al diferitelor ITG și creșterea
performanțelor turbinelor cu gaz

2.1Tipuri de combustibili :
Pentru a proteja turbina cu gaze contra fenomenului de eroziune, gazele de ardere
provenite din CA trebuie să fie deosebit de curate din punct de vedere al conținutului de pulberi.
În consecință, nu este posibilă utilizarea direct în ITG a combustibililor solizi. Î n Tabelul 1 sunt
prezentate tipurile de combustibil utilizabile în ITG.

Tabelul 1. Tipuri de combustibil utilizati in ITG
Combustibili gazoși speciali • gaz de sinteză
• gaz de furnal
• gaz de gazogen
Combustibili lichizi speciali • metanol
• păcură grea
• kerosen
Combustibili tradiționali • gaz natural
• combustibil lichid ușor (motorină)

Gazul natural reprezintăcel mai comod combustibil, atât din punct de vedere al
manipulării, cât și al caracteristicilor de ardere. În absența gazului natural, combustibilul lichid
ușorconstituie un bun înlocuitor. El pune însăo serie de probleme în ceea ce privește asigurarea
unui randament bun al arderii.
Combustibilii lichizi, cu precădere păcura grea, se caracterizeazăprintr -un grad mare de
contaminare cu agenți de coroziune (NaCl, V, Pb). În aceste condiții se impune o tratare a
combustibilului înainte de a fi introdus în camera de ardere, pentru a preîntâmpina fenomene
nedorite și degradarea turbinei cu gaze. O soluție poate fi reprezentatăchiar de gazeificarea
fracțiunilor grele rezultate din rafinarea petrolului.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

22

Gazul de furnaleste unul din cele mai importante produse secundare ale unui combinat
siderurgic. El este deja folosit drept combustibil în cadrul unor centrale conve nționale cu abur.
Puterea sa calorificăredusă(situatăîn jurul valorii de 3700 kJ/m3N) îl face însă impropriu de a fi
introdus ca atare în camera de ardere a ITG. Este necesară o înnobilare a acestui combustibil
printr -un aport de gaz natural.
Din punct d e vedere al resurselor și rezervelor dovedite pe plan mondial, cărbunele ocupă
de departe primul loc în cadrul combustibililor fosili. Gazeificarea reprezintă o soluție tentantă
de utilizare a acestui tip de combustibil pentru alimentarea unei ITG. Acest p rocedeu este aplicat
în cadrul ciclului combinat gaze – abur cu gazeificare integrate a cărbunelui (IGCC).

2.2 Tipuri de ITG:
2.2.1 ITG industriale:
În Tabelul 2 sunt prezentate câteva tipuri de ITG industriale produse de principalele
companii constructoare:
Tabelul 2 . Tipuri ITG industriale

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

23
În Tabelul 3 sunt prezentate câteva tipuri de ITG aeroderivativ produse de principalele
companii constructoare:
Tabelul 3 . Tipuri ITG aeroderivativ
2.3. Metode de creștere a performanțelor ITG:
• Folosirea turației ridicate
• Fragmentarea compresiei, cu răcire intermediară
• Destindere fractionate cu ardere intermediara
• Recuperarea internă de căldură
• Recuperarea externă de căldură

Folosirea turatiei ridicate :
Această metoda aduce o serie de avantaje a ITG. În primul rând, se micșorează gabaritul
instalației ceea ce rezultă o investiție mai mică. În al doilea rând, prin reducerea diametrelor, se
cresc vitezele periferice, se crește raportul de compresie pe o treaptă de compresor și de
destindere pe o treaptă de turbină, fapt ce duce la reducerea numarului de trepte ale celor două
componente. Prin urmare radamentele interne al compresorului și al turbinei cu turație ridicată
sunt mai mari decât cele de la ITG c are ar antrena direct generatorul electric.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

24
Fragmentarea compresiei, cu răcire intermediară :
Este considerat ădin punct de vedere termodinamic o metod ăde cre ștere a randamentului
termic teoretic, prin coborârea temperaturii medii inferioare. În ciclul Brayton teoretic aceasta
înseamn ă:
– un num ăr mare de compresii adiabate, între care se realizeaz ărăciri izobare, care permit
realizarea unui proces la sursa rece apropiat de cel izoterm;
– un num ăr mare de destinderi adiabate, între care se practic ăîncălziri izobare, permit
realizarea unui proces la sursa cald ăapropiat de cel izoterm.

Destindere fracționate cu ardere intermediar ă:
Este considerat ădin punct de vedere termodinamic o metod ăde cre ștere a randamentului
termic teoretic, prin ridicarea temperaturii medii superioare. Temperatura dup ăarderea
intermediar ăeste aproximativ egal ăcu temperatura dup ăcamera de ardere de înalt ăpresiune –
CAIP. Fig. 2.1.conține schema termic ăaunei ITG cu destindere frac ționat ăși ardere intermediar ă,
iar fig. 2.2. prezint ăîndiagrama T-s procesele din ciclul real de acest tip. Dac ăse men ține
constantraportul total de destindere, pe lâng ăcreșterea Tms, metoda conduce îns ăși lacre șterea
Tm i, datorit ăscăderii presiunii de intrare în turbina de joas ăpresiune .

Fig. 2.1. Schema termic ă a unei ITG cu destindere
fracționat ă și ardere intermediar ă. Fig. 2.2. Reprezentarea în diagrama T-s a procesului
din ITG cu destindere frac ționat ă și ardere
intermediar ă

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

25
Recuperarea internă de căldură :
Este o metod ăde cre ștere a randamentului termic, bazat ăpe folosirea unei cote din c ăldura
sensibil ăa gazelor de ardere evacuate din turbin ă, pentru preînc ălzirea aerului la ie șirea din
compresor și intrarea în CA.

Fig. 2.3.Schema termic ă a unei ITG, cu
recuperare intern ă de căldură.
Fig. 2.4.Reprezentarea procesului din ITG, cu
recuperare intern ă de căldură, în diagrama T-s.

Din punct de vedere termodinamic, metoda conduce la sc ăderea Tm i, datorit ăcoborârii
temperaturii de evacuare a gazelor de ardere din recuperatorul intern,ceea ce
limiteaz ăposibilit ățile de recuperare extern ăa căldurii. Suprafa ța de subcurba 5 –6, de r ăcire a
gazelor de ardere, este practic egal ăcu cea de sub curba 2 –3,de înc ălzire a aerului în recuperator.
Principala limitare termodinamic ăeste datorat ăcondi ției de a asigura o diferen țăde
temperatur ăgaze – aer.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

26
Recuperarea externă de căldură :

Cele mai performante I.T.G. pentru producere de electricitate realizează, prin aplicarea
corelată a metodelor de creștere a termic, valori ale el brut45 %. În aceste condiții, principala
metodă de creștere a global de utilizare a căldurii dezvoltate pr in arderea combustibilului la
I.T.G. energetice este recuperarea de căldură. De la I.T.G. nu se pot recupera pierderile prin
radiație, convecție și nearse, cele mecanice și cele ale generatorului electric.
Prin recuperarea externă a căldurii sensibile a g azelor de ardere cu ajutorul unui Cazan
Recuperator, CR, o C.T.E. – T.G. se poate transforma într -o C.E.T. – T.G. (figura 2.5.).
Figura 2.6. conține diagrama T -s pentru C.E.T. – T.G. cu recuperare externă parțială a căldurii
gazelor de ardere. În aceasta, suprafața de sub curba 4 -5 reprezintă, la scară, căldura recuperată.

apă
Gaze de
ardere la coș abur sau
apă
fierbinte CR 5 G
FA 3 2
1
0 K TG CA
4 Figura 2. 5. Schema termică
de principiu a unei C.E.T. –
T.G. exclusiv recuperative Figura 2. 6. Reprezentarea în T -s a procesului din T.G.
cu recuperare externă de căldură p2
p0 5 3
4t 4
2t 2
1 0 Temperatura [K]
s [kJ/kg/K]

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

27
Diagrama fluxurilor energetice pentru C.E.T. -T.G. recuperativă este cea din figura 2 . 5.
Diagrama fluxurilor energetice pentru C.E.T. -T.G. recu perativă este cea din figura 2. 7 .
În această diagramă, în care s -a limitat reprezentarea la fluxurile de energie utilă brută, s –
au folosit următoarele notații:
• PtcP termică prin arderea combustibilului;
• Pr+c+nPierderi prin radiație, convecție + nearse;
• Pt1P termică intrată în ciclul de conversie;
• PcsgaFluxul de căldură asociat gazelor de ardere la ieșirea din TG;
• PinternăP mecanică netă „internă” pe ansamblul m așinilor mecano energetice (P int T-Pint K);
• PmecPierderi mecanice;
• Pm kP transmisă la cupla I.T.G. către generator;
• PgenPierderile generatorului electric;
• PbgP electrică brută (la bornele generatorului);
• Prec csgaP termică brută recuperată din căldura sensibilă a gazelor de ardere.
Pentru CR se definește coeficientul de recuperare a pierderilor din căldura sensibilă a gazelor
de ardere:rec csga=P rec csga/Pcsga<1
Cota din energia primară valorificabilă la consumatorii termici se poate scrie ca:
th br=CA*(1-t)*rec
Ca urmare, randamentul global brut se poate scrie sub următoarele forme:
gl brut C.E.T. T.G.=(Pth rec+Pbg)/Ptc=1-(Pr+c+n+Pcoș+Pmec+Pgen)/Ptc
sau:
gl brut C.E.T. T.G.=(el br+th br)=CA*[t*mec*gen+(1-t)*rec]
iar indicele de structură a energiei utile (indicele de cogenerare, sau de termoficare) devine:
ystr C.E.T. T.G.=el br/th br=t*mec*gen/[(1-t)*rec] , kJ electrici /kJ termici
Pcgsa Pt1 Ptc
Pm Pgen Pinternă
PCA
Pcoș Pmk
Pt rec csga Pb

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

28
2.4. Cadrul legislativ European și National, privind Cogenerarea Energiei Electrice
și Termice. Cogenerarea de înaltă eficientă prin ITG
Pe plan european, cele mai relevante legi, decizii și reglementări sunt:
Directiva 8/2004/CE , Parlamentul Consiliului European, 11 februarie 2004, „Privind
promovarea cogenerării pe baza cererii de energie termică utilă pe piața internă a energiei”.
Aceasta introduce un set de definiții și relații de calcul, privind în special cogenerarea de mică și
medie putere, și stabilește condițiile/ criteriile de eficiență ale soluției de cogenerare, modul de
calcul al economiei de energie primară realizată prin cogenerare în raport cu producția separată a
celor doua forme de energie, precum și cadrul pentru asigurarea schemelor de sprijin și la
accesul priorit ar la rețelele publice de transport și distribuție.
Decizia 2011/877/UE, aComisiei din 19 decembrie 2011, prin care se abroga Decizia
74/2007/CE , a Parlamentului Consiliului European, din 21 Decembrie 2007, „De stabilire a
valorilor armonizate ale eficienț ei de referință pentru producția separată de electricitate și căldură
în conformitate cu Directiva 8/2004/CE”. Ea stabilește valorile armonizate ale randamentului de
referință pentru producerea separată de electricitate și căldură precum și factorii de cor ecție
aplicabili la nivel național de fiecare stat membru al Uniunii Europene. Valorile randamentului
de referință pentru producerea separată de energie electrică și energie termică sunt valori
nominale și sunt date în funcție de tipul și natura combustibi lilor utilizați de instalațiile de
producere separată a energiei iar factorii de corecție se referă la condițiile climaterice specifice
fiecărui stat membru al Uniunii Europene și la pierderile de energie evitate în rețelele electrice.
Decizia 952/2008/CE, a Parlamentului Consiliului European, din 19 Noiembrie 2008, „De
stabilire a orientărilor detaliate pentru implementarea anexei II la Directiva 8/2004/CE” Clarifică
procedurile si definițiile necesare pentru aplicarea metodologiei de determinare a cantită ții de
energie electrică produse prin cogenerare, stabilite în anexa II la Directiva 2004/8/CE și
stabilește limitele sistemului de cogenerare astfel încât să se poată avea o abordare unitară din
partea țarilor membre ale Uniuni Europene atunci când se ref eră la soluția de cogenerare.
Pe plan National:
Legea energiei electrice nr.13/2007, Stabilește cadrul de reglementare pentru desfășurarea
activităților în sectorul energiei electrice și al energiei termice produse în cogenerare, în vederea
utilizării opti me a resurselor primare de energie în condițiile de accesabilitate, disponibilitate și
suportabilitate și cu respectarea normelor de siguranță, calitate și protecție a mediului. Ea
promovează energia electrică produsă din surse regenerabile de energie și în cogenerare de
înaltă eficiență, stabilește regulile, criteriile și cadrul legislativ pentru introducerea schemelor de
sprijin pentru soluția de cogenerare și pentru soluțiile ce produc energie electrică cu ajutorul
surselor regenerabile.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

29
Ordinul nr.13/2007, aAutoritatea Națională de Reglementare in domeniul Energiei, 22
iunie 2007, „Privind aprobarea valorilor de referință armonizate aplicabile la nivel național ale
eficienței pentru producerea separată de energie electrică, respectiv de e nergie termică și pentru
aprobarea factorilor de corecție aplicabili la nivel național”. Fiind o transpunere a Deciziei
74/2007/CE, abrogată prin Decizia 2011/877/UE, ANRE urmează să emită un nou ordin care
să modifice valorile în conformitate cu noua Deci zie.
Hotărârea Guvernului, nr.638/2007, „Privind deschiderea integrală a pieței de energie
electrică și gaze naturale” și stabilește ca de la data de 1 iulie 2007, piața de energie electrică și
piața de gaze naturale se deschid integral pentru toți consuma torii.
Hotărârea Guvernului nr.1461/2008, Guvernul României din 12 noiembrie 2008,
„Pentru aprobarea procedurii privind emiterea garanțiilor de origine pentru energia electric ă
produs ă în cogenerare de eficienț ă înaltă”, ce servesc: realizării de statisti ci armonizate cu cele
elaborate la nivel european, bazate pe indicatori comun definiți, exceptării, în condițiile legii, de
la plata accizelor, comercializării de energie electrică produsă în cogenerare de eficiență înaltă și
etichetării energiei electrice furnizate clienților finali.
Hotărârea de Guvern nr. 1215/2009, „Privind stabilirea criteriilor și a condițiilor
necesare implementării schemei de sprijin pentru promovarea cogenerării de înaltă eficiență pe
baza cererii de energie termică utilă” Stabilește în principal cadrul legal necesar implementării
schemei de sprijin de tip bonus pentru promovarea cogenerării de înaltă eficiență, pe baza cererii
de energie termică utilă. Scopul ei este de a sprijinii producătorii, de energie electrică și ener gie
termică, în cogenerare de înaltă eficiență și de a facilita accesul acestora pe piața de energie
electrică. Ea specifică perioada de aplicare a schemei de sprijin de tip bonus precum și
capacitatea electrică maximă instalată în centrala de cogenerare c e poate beneficia de acest
bonus.
Ordinul nr.3/2010, ANRE, „Privind aprobarea metodologiei de stabilire și ajustare a
prețurilor pentru energia electrică și termică produsă și livrată din centrale de cogenerare ce
beneficiază de schema de sprijin, respect iv a bonusului pentru cogenerarea de înaltă eficiență”.
Aprobă metodologia pentru determinarea și ajustarea prețurilor reglementate pentru energia
electrică și termică, respectiv a valorilor bonusurilor acordate pentru energia electrică produsă și
livrată în regim de cogenerare de înaltă eficiență, pe perioada de acordare a schemei de sprijin .
Prețurile reglementate ale energiei electrice determinate conform prezentei metodologii se
utilizează pentru vânzarea energiei electrice prin contracte reglementate d e către producătorii
care beneficiază de schema de sprijin. Prețurile reglementate ale energiei termice determinate
conform prezentei metodologii se utilizează pentru vânzarea energiei termice de către
producătorii care beneficiază de schema de sprijin. Bonusurile determinate conform prezentei
metodologii sunt utilizate pentru stabilirea plăților lunare către producătorii care beneficiază de
schema de sprijin.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

30

Ordinul nr.4/2010, ANRE, „Privind aprobarea valorilor bonusurilor de referință pentru
energia ele ctrică, a prețului de referință pentru energia electrică și a preturilor de referință pentru
energia termică produsă și livrată din centrale de cogenerare de înaltă eficiență”. Abrogat prin
Ordinul nr 18/2011, ANRE.
Ordinul nr.23/2010, ANRE, „Privind aprob area regulamentului de calificare a producției
de energie electrică în cogenerare de înaltă eficiență și de verificare și monitorizare a consumului
de combustibil și a producțiilor de energie electrică și energie termică utilă în cogenerare de
înaltă efici ență”. Stabilește în principal obligațiile care revin: producătorilor de energie electrică
și termică în cogenerare ce doresc accesarea schemei de sprijin de tip bonus, administratorului
schemei de sprijin precum și furnizorilor care sunt obligați să preia, în condiții reglementate,
anumite cantități de energie electrică produse în cogenerare de înaltă eficiență.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

31
3. Metodologia de determinare a necesarului de consum te rmic a unei fabrici
producătoare de bere

3.1.Centrala de cogenerare cu Turbina cu Gaz pentru alimentarea cu căldura și
energie electric ă
O fabrică de bere din orașul Brașov dorește înlocuirea centralei termice vechi care
asigură agentul termic necesar proceselor tehnologice și incălzirii spațiilor cu una nouă. În
consecin ță, pentru a deveni independentă din punct de vedere energetic, se pune problema
producerii si a energiei electrice, deci a implementarii unei solutii de cogenerare. Cum în zonă
există o rețea de transport și distribuție a gazului natural, se optează pentr u o centrală de
cogenerare având la bază o turbinî cu gaz cu recuperare externă de caldura pentru producerea de
apa caldă și abur.
Primul pas în alegerea configuratiei optime este acela de a prelua toate informatiile
privind cantitatea de energie termică si electrică pentru producerea berii, condițiile climatice etc
și de a determina necesarul termic al consumatorului studiat.
Informații privind producția
Informa țiile privind produc ția care se va realiza și resursele care vor fi folosite în scopul
producerii energiei necesare asigurării producției sunt prezentate în Tabelul 3.1.1
Tabel 3.1 Informa ții privind produc ția și necesarul resurselor energetice
Producție Resurse folosite îm scopul asigurării producției
Denumire Cantitate anuală Denumire Cantitate anuală Furnizor
Bere 5.000.000 hl bere Energie electrică 43.800.000 kWh S.C EON Gas
România S.A.
525.235 t bere Energie termică 441.000.000 GJ Surse proprii

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

32
Activitățile de producție se desfăsoară în următoarele secții:
• Secția Fierbere;
• Secția Fermentare;
• Secția Filtrare;
• Secția Îmbuteliere.

Principalele procese de producție sunt:
• fierberea berii;
• fermentarea berii;
• filtrarea berii;
• producerea berii cu arome;
• îmbutelierea si livrarea la beneficiari.

Principalele operații desfăsurate în cadrul Secției Fierbere sunt următoarele:
• recepția si stocarea materiilor prime;
• pregătirea materiilor prime;
• măcinarea malțului;
• plămădirea malțului si a cerealelor nemalțificate;
• filtrarea plămezii;
• fierberea mustului cu hamei;
• limpezirea si răcirea mustului.

Procesele tehnologice desfăsurate în cadrul Secțiilor Fermentare si Filtrare sunt
următoarele:
• fermentare primară;
• fermentare secundară;
• filtrare.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

33
Îmbutelierea berii în vederea livrării se realizează în cadrul Secției Îmbu teliere, pe patru
linii de îmbuteliere:
• două linii de îmbuteliere în sticle;
• o linie de îmbuteliere în PET;
• o linie de îmbuteliere în recipiente tip KEG.
3.2.Distribuția centralei:
În prezent, centrala termică are o capacitate de 28,6 t abur/h, fiind dotată cu trei cazane
deabur, si anume:
• un cazan de abur cu capacitatea nominală de 14 t/h (putere termică instalată 9,8
MWt),având randamentul de 92 %, cu funcționare cu combustibil gazos, la care se poate
utiliza unamestec de gaze naturale si biogaz (pro dus la Stația de epurare ape uzate);
• un cazan de abur cu capacitatea nominală de 12 t/h (putere termică instalată 8,4
MWt),având randamentul de 92 %, cu funcționare cu combustibil gazos (gaze naturale);
• un cazan de abur cu capacitatea nominală de 2,6 t/h (putere termică instalată 1,8
MWt),având randamentul de 92 %, cu funcționare cu combustibil gazos.

Fig. 3.2.1 Curba clasata a puterii termice totale provenite din datele beneficiarului 02468101214161820
0 2000 4000 6000 8000 10000qu de calcul [MWt]
t [h/an]Curba clasată a puterii i abur uluiprovenit din datele beneficiarului
Q+q

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

34
3.3 Concluzii privind necesarul termic al consumatorului industrial

În urma efectuă rii calculelelor privind necesarul termic al cons umatorului, prin metoda
suprafeț ei echivalente, se pot trage următoarele concluzii:
 La sarcina termică maxima debitul folosit pentru fabricarea beriii este de 18.6 t/h, însă
acest debit nu v a fi atins.
În funcție de cele menț ionate mai sus, echipamentul de bază în configuraț ia de cogener are,
este Turbina cu Gaz. Aceasta se alege din două considerente principale:
 În zona orașului Brașov există o firmă ce asigură transportul ș i distribuț ia gazu lui;
 Din literatura de specialitate ș i din aplicaț iile existente de piață a rezultat ca TG se
pretează cel mai bine aces tui tip de sisteme de configuraț ii, de peste 20 MWt.
În capitoulul urmator este prezentat studiul privind alegerea configurației optime, formată
din TG, cu sau fără postcombustie și instalatii de varf pentru asigurarea necesarului termic pe
timp de iarnă.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

35
4. Centrala de cogenerare cu turbină cu gaze pentru alimentareacu căldura si
energie electrică a unui consumator industrial

4.1. Ipoteze de bază în studiul de caz:
Beneficiarul principal al acestui studiu este o fabrică de bere din Romania , ale cărei
agregate de alimentare cu energie termică (în principal sub forma de abur) sunt vechi , iar
prelungirea duratei de viață a cazanelor de abur (CAF) presupun e pe langă costurile aferente, și
pagube î nsemnate aduse prin avariile din ce ce in ce mai dese, cu influență directă asupra
procesului de fabricție a berii .
In apropierea amplasamentului studi at, există o centrală electrică de termoficare
independentă (numita în continuare CET), care aliment ează consumatorii din zona, însă aceasta
prezintă o avansată uzură fizică și ar necesita importante investiții in vederea incadrării in
normele UE de protec ție a mediului, precum și pentru prelungirea duratei de viață a centralei,
asa cum se întâmpla cu 80% din CET -urile instalate ina inte de anii 70 -80 in România.
Pornind de la premiza că CET -ul existent in zona nu va putea face aceste investiții
suplimentare pentru asigurarea necesarului termic al fabricii , beneficiarul decide realizarea
propriului CET functionând pe combustibilul alternativ disponibil in zonă, gazul natural.
Pentru utilizarea cât mai eficientă a acestui combustibil superior cu cost ridicat, reducerea
investiției specifice, scurtarea timpului de punere in funcțiune, obținerea eventualelor beneficii
din bonusurile acordate pentru cogenerarea de înalta eficiență, precum și pentru a obține o
eficiență economică cât mai ridicată, fabrica de bere , intenționează ca noua centrală sa utilizeze
Cogenerarea cu Turb ine cu Gaz și cazane cu recupere.

Caracteristicile calitative ale consumului termic, sunt:
– Este nevoie de un nivel de presiune:
 Presiune mică, aburul fiind utilizat in procesele tehnologice pentru fabricarea berii,
care necesită presiune și temperatură înalte.

Alte ipoteze:
– Noua CET este autoproducătoare pe parte de energie termică, și producătoare
independentă pe parte de energi e electrică, putând să vândă surplusul existent;
– Pentru a asigura continuitate în alimentarea cu energie electrică și termică, CET va fi
prevazută cu cel puțin două instalații de turbine cu gaz (ITG);
– Pentru continuitate în alimentare cu căldură în perioad ele când una din ITG este în revizie
sau reparații, CET va avea și posibilitatea de a produce abur în regim de joasă presiune cu
cazane de abur industrial (CAI);
– Se vor folosi numai turbine cu gaze tipizate;

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

36
– Pentru cresterea eficienței și pentru acoperirea optimă, se va analiza CR cu un nivel de
presiune;
– Se vor selecta TG care pot atinge inaltă efieciență, cu randament electric brut ridicat (η el),
dar care pentru a obține și o recuperare bună a căldurii, sa aibă și tempera tura gazelor de
ardere ridicată la evacuare din TG;
– Analizez atât regimurile de referință, cât și regimurile nenominale, pe următoarele
direcții:
 Regim cu TG incărcata 100%
 Regimuri de sarcini termice reduse pentru a menține randamentul global dorit => se
vor descarca turbinele cu gaz acolo unde este cazul.

4.2 Calculul necesarului termic in cazul consumatorului industrial analizat

4.2.1. Prelucrarea datelor de la consummator si determinarea curbelor de consum
Consumatorul industrial, a furnizat o lista cu necesarul sau termic, sub forma de debite de
abur la 12 bar, măsurați la un interval de aproximativ 15 zile, timp de un an calendaristic. Abur ul
de joasă presiune este ne cesar producerii berii.
S-a mai estimat si o perioada necesara reviziilor, egala cu un interval si care se vor
desfasura in timpul verii. A rezultat astfel, o impartire a anului de functionare, in 12 intervale
egale in anotimpul rece si 11 intervale in anotimpul cald.
4.2.2. Prognoza curbei de sarcina termica (D h abur) pentru abur la consumator
Datele primite de la beneficiar au fost introduse intr -un tab el si s-a realizat pe baza
acestora curba sarcinii de consum pentru debitul de abur de joas ăpresiune după cum urmează :

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

37

Prin expunerea curbe i de consum ale debitului pe joas ă presiune a fabricii s, se obț ine
alura curbei clasate a debitelor de abur necesare proceselor tehnologice si consumului propriu ale
consumatorului industrial:
Au stat la baza determinari i curbelor, datele de la beneficiar centralizate in tabele le din
ANEXELE A1.

Figura 4.1 Curba de consum pentru abur de 12 bar

2021222324252627282930
0
366
732
1,098
1,464
1,830
2,196
2,562
2,928
3,294
3,660
4,026
4,392
4,758
5,124
5,490
5,856
6,222
6,588
6,954
7,320
7,686
8,052
8,418Debit de abur
(tone/h)
t(h/an)Debite orare abur

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

38
4.2.3. Prognoza curbei de sarcină termică (P termice ) totale

Pe baza acestor curbe si cunoscand ca o ton ă de abur este e chivalentul energetic al unei
puteri termice de 0.70764 MWh/t abur JP, am calculat sarcina termic ă necesar ă acoperirii
consumului de abur in uzina de producere a berii .
Curba rezultată este prezentată mai jos:

Figura 4.2 . Curba de sarcina termica pentru nivelul de presiune de 12 bar

Tabelele centralizatoare care au stat la baza realizarii curbelor , sunt prezentate în Anexele
A2. 16171819202122
0
366
732
1,098
1,464
1,830
2,196
2,562
2,928
3,294
3,660
4,026
4,392
4,758
5,124
5,490
5,856
6,222
6,588
6,954
7,320
7,686
8,052
8,418Puteri MW
t(h/an)

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

39
Tabele, calculele si rezultatele care stau la baza prognozarii curbelor de mai sus, sunt
prezentate in continuare . Calculul puterii termice si c ăldurii per kilogramul de abur de joasa
presiune JP (12 bar) este centralizat în tabelul 1 din Anexa A 2.
Aburul de 12 bar se va ob ține in corpul de joasa presiune. Agentul rece se va compune
din apa de adaos, având temperatura de 70 °C.
In urma calculului parametrilor ce caracterizează curgerea agen ților prin corpul de joas ă
presiune a cazanului recuperator, s -a ajuns la următorul rezultat.
Este nevoie ca pentru a produce aburul la 12 bar, sa se recu pereze din gazele de ardere ale
turbinelor cu gaze, o putere termică nominală de 21.01 MW t.
După efectuarea calculelor, s -a obținut următorul rezultat:

𝑃𝑡,𝑛𝑜𝑚=𝑃𝑡𝑎𝑏,𝐽𝑃
𝑃𝑡,𝑛𝑜𝑚=21,021[𝑀𝑊𝑡]

4.3. Dimensionarea si alegerea componentelor ITG (TG, CR si CAI)

Plecând de la puterea termica determinat ă anterior, se pot calcula, dimensiona si alege
echipamentele si componentele instala ției de turbina cu gaze.
Ținând cont de toate solicitările beneficiarului si de ipotezele privind siguran ța in
funcționare si continuitatea acesteia, se alege schema simplificata a ITG -ului cu recuperare
externa a căldurii din gazele de ardere, prezentata în figura 4.7.
Pentru siguran ța în func ționare se aleg 2 turbine cu gaz, fiecare acoperind ½ din
necesarul termic total, iar pentru perioada de revizie sau pentru cazuri de avarii, se
dimensione ază un cazan de abur industrial, care să asigure necesarul de abur.

1. Proiectarea turbinelor:
Date venite de la beneficiar:
-Temperatura nominală apă de alimentare:
tal nom= tcd*ccd ret+tapa rece *capa rece = 70 0C 4.1
-Presiunea nominală abur:
pab nom = 12 bar abs 4.2

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

40
-Temperatura nominală abur JP :
tab nom = 260 0C 4.3

Mărimi calculate:
– Presiunea nominală apă alimentare:
pal nom = 1.2*p ab nom = 1,2*12= 14.4 bar abs 4.4

– Entalpia apă alimentare CAI:
hal nom = f(p al,tal) = f(14.4,(70+273.15)) = 294.2kJ/kg 4.5

-Presiune nominală abur în sistemul vaporizator:
pab vap nom = 1.065*p ab= 1.065*12=12.78 bar abs 4.6

-Temperatura nominală de saturație în sistemul vaporizator:
tsat vap nom = f(p ab vap ) = (f(12.78) -273.15) = 190.8 0C 4.7

– Creșterea de temperatură în supraîncălzitor:
tsi nom = tab nom – tsat vap nom = 260 – 190.8 =69.2 0C 4.8

-Entalpie abur produs:
hab nom = f(p ab,tab) =f(12, 260+273,15) = 2958.26 kJ/kg 4.9

– Debitul nominal de abur JP, orar / respectiv instantaneu:
D0 h nom = 28.6 t/h 4.10
D0 s nom = D0 h nom :3.6 = 28.6: 3.6 = 7.944 kg/s 4.11

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

41

– Debitul nominal de apă de purjă:
Dp rel= 1.00% din D 0s 4.12
D0 s nom = D0 s nom *Dp rel= 7.944 *0.01 = 0.079 kg/s 4.13

– Debitul de apă de alimentare:
Dal= D0 s nom + D0 s nom = 0.079 + 7.944 =8.024 kg/s 4.14

– Aproach point -ul la fine Eco:
Taprh =150C 4.15

– Temperatura apei la ieșirea din Eco:
Ties ECO = tsat vap nom – Taprh = 190.8 – 15 =175.8 0C 4.16

– Presiunea apă ieșire Eco:

Papa,ies, ECO =1.08* p ab nom = 1.08 * 12 =12.96 bar abs 4.17

– Entalpia apă ieșire Eco:
Hapa,ies, ECO = f(P apa,ies, ECO , Ties ECO ) = f(12.96, 175,8+173,15)= 745 kJ/kg 4.18

– Q per 1 kg apă la Eco:
Q apa ECO = Hapa,ies, ECO – hal nom =745 – 294.2 = 450.832 kJ/kg 4.19

-Puterea termică a ECO:
Pt Eco= (Q apa ECO * D al)/1000= (450.832 * 8.024)/1000=3.617 MW 4.20
Pt Eco% = P t Eco/ P t apa -abur 1 GA = 3.617/ 21.201=17.06% 4.21

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

42
– Titlu abur ieșire Vap:
xab ies vap = 99.0% 4.22

– Entalpie abur ieș ire Vap :
Habur,ies, VAP = f( pab vap nom , xab ies vap )= f(12.78,0.99)= 2766.2 kJ/kg 4.23

– Q per 1 kg apă -abur la Vap:
Q apa-abur Vap = H abur,ies, VAP – Hapa,ies, ECO =2766.2 -745=2021.2 kJ/kg 4.24

-Puterea termică a Vap:
Pt Vap= (D0 s nom * Q apa-abur Vap) /1000=( 7.944*2021.2)/1000=16.057 MW 4.25

-Q per 1 kg abur la SI
Q abur SI = h ab nom – Habur,ies, VAP =2958.26 – 2766.2 = 192.08 kJ/kg 4.26

– Puterea termică a SI:

Pt SI= (D0 s nom * Q abur SI )/1000=( 7.944*192.08)/1000=1.526MW 4.27

– Puterea termică nominală transmisă circuitului apă -abur JP:
Pt apa -abur 1 GA = Pt Eco + Pt Vap+ P t SI =3.617+16.057+1.526=21.201 MW
4.28
– Q total per 1 kg abur JP:
Q abur JP = (Pt apa -abur 1 GA / D0 s nom )*1000=(21.201/7.944)*1000= 2,668.60kJ/kg 4.29

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

43
2. Calculul P termice totale necesare abur
– Puterea termică nominală transmisă circuitului apă -abur JP :
Pt apa -abur 1 GA =21.201 4.30

-Puterea termică nominală transmisă circuitului apă -abur IP :
Pt apa-abur IP = Q apa-abur Vap =2021.2 4.31

–Puterea termica totală transmisă circuitului apă -abur IP+JP:
Pt apa -abur IP+JP = Pt apa -abur 1 GA + Pt apa -abur IP =21.201+2021.2=2042.4 4.32

– Puterea termică nominală transmisă circuitului apă -abur JP si IP in %:
Pt apa -abur 1 GA% = Pt apa -abur 1 GA / P t apa -abur IP+JP *100=21.201/2042.4*100=1.04% 4.33
Pt apa -abur IP = Pt apa -abur IP / Pt apa -abur IP+JP *100= 2021.2/2042.4*100=98.96% 4.34

Calculul P termice a GA de rezervă și vârf:
1. Pentru calculul P termice a GA de rezerv ă și vârf se păstrează urmatoarele date calculate
anterior:
– Temperatura nominală apă alimentare ;
-Presiune nominală abur ;
-Presiunea nominală apă alimentare;
– Entalpia apă alimentare CAI;
-Presiunea nominală a aburului în sistemul vaporizator ;
– Temperatura nominală de saturație în sistemul vaporizator ;
-Debitul nominal de abur, orar / respectiv instantaneu ;
-Debitul nominal de apă de purjă;
-Entalpie abur iesire Vap ;
– Presiunea apă ieșire Eco.

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

44
2. Date calculate:
-Temperatura aburului nominală/majorată:
tab nom = 450 0C 4.35

-Creșterea de temperatură în supraîncălzitor:
tsi nom = tab nom – tsat vap nom =450 -190.8=259.2 0C 4.36

– Entalpia aburului produs;
hab nom =f(p ab,tab)= f(12, 450+273.15)=3368.58 kJ/kg 4.37

– Aproach point -ul la fine Eco:
Taprh =15 0C 4.38

– Temperatura apei la ieșire Eco:
Ties ECO = tsat vap nom – Taprh=190.8 -15=175.8 0C 4.39

– Entalpia apei la ieșire din Eco:
Hapa,ies,ECO =f(P apa,ies,ECO ,TiesECO )=f(12.96,179.8+173.15)=7 45 kJ/kg 4.40

-Q per 1 kg apă la Eco:
Q apa ECO = Hapa,ies, ECO – hal nom = 762.59 -294.2= 450.83 kJ/kg 4.41

-Puterea termică a ECO:
Pt Eco= Q apa ECO *D al/1000 =468.415*8.024 /1000= 3.617MW 4.42
Pt Eco% = P t Eco /Pt apa -abur 1 GA *100= 3.759/24.462 *100= 14.79 % 4.43

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

45

– Q per 1 kg apă-abur la Vap
Q apa-abur Vap = H abur,ies, VAP – Hapa,ies, ECO =2766.2 -762.59= 2021.2 kJ/kg 4.44

-Puterea termică a Vap:
Pt Vap= (D 0 s nom * Q apa-abur Vap) /1000= 7.944* 2003.6/1000= 16.057 MW 4.45

– Q per 1 kg abur la SI:
Q abur SI = h ab nom – Habur,ies, VAP =3,368.58 -2766.2= 602.40 kJ/kg 4.46

-Puterea termică a SI:
Pt SI= (Q abur SI * D0 s nom )/1000=602.4*7.944/1000= 4.786MW 4.47

– Puterea termică nominală transmisă circuitului apă -abur :
Pt apa -abur 1 GA = Pt Eco + P t SI +P tVap=3.759+15.917+4.786=24. 46MW 4.48

– P termică pt 1 CAI ca procent din P termică totală maximă:
Pt apa -abur 1 GA% =Pt apa -abur 1 GA / P t apa -abur IP+JP *100=24.462/2042.38*100 =1.2% 4.49

-Q total per 1 kg abur viu:
Q abur = P t apa -abur 1 GA / D 0 s nom *1000=24.462/7.944*1000=3078 .92 kJ/kg 4.50

-Randamentul cazanului:
ηcz= 93% 4.51

-Puterea termică dezvoltată de combustibil prin ardere:
Pt cb 1 GA = Pt apa -abur 1 GA / ηcz =24.462/0.93=26.301 MW 4.52

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

46
Schema instalatiei analizate cu 2 turbine cu gaz

Figura 4.3.1.Schema bloc a configuratiei: 2 x TG + 2 CR

4.4 Selectarea turbinelor folosite :
Pentru a selecta tipul de turbină cu gaz folosită, am analizat parametri specifi a cinci
modele de acest fel și anume:

Tabel 4.1. Tipuri de Turbine cu Gaz
Model TG Manufacturer Pbg qsp Dga ecomp n l a nTG JP tev TG
kW kJ/kWh kg/s – – rpm 0C
Taurus 70 Sol 6579 11249 25.356 15 1 10400 490
GPB70D KHI 6744 11769 27.33 15.9 1 13790 512.8 Anexa A3
SGT -200-1S SIE 6249 11864 27.96 12.1 1 11085 470.6 Anexa A4
Taurus 60-
7901S Sol 5671 11426 22 12.3 1 14950 510.6 Anexa A5
SGT -100-1S SIE 5247 11948 20.63 14.8 1 17384 537.2 Anexa A6 Abur

Consumator
Industrial TG1
TG2 Gaz nat Aer
Gaz nat Aer Gaze arse
Gaze arse Cazan
recuperator
Cazan
recuperator
A
A

A

A
A
Apa

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

47
Pentru fiecare turbină am realizat bilanțul energetic la sarcină nominală și a rezultat că
cea mai bună soluție pentru cazul analizat atât din punct de vedere al puterii termice produse cât
și al indicatorilor de performanță este turbina cu gaz Solar Taurus 70.
Alaniza performanțelor energetice a turbinei alese:

Date inițiale:

Rezolvare:
ηel_brut
= 3600/Qsp= 0.3200 Randamentul electric brut al
ITG
Ptc_CA= Pbg/ηel_brut= 20557.64
04 Puterea termica dezvoltata prin
arderea combustibilului la CA
Bs_vol= Ptc_CA/Hi = 0.5874 Debitul volumic, normal, de
combustibil introdus in CA
VM_n= 22.414 Volumul molar in conditii
normale
Bs= Bs_vol*μ gaz/VM_n= 0.4245 kW Debitul masic, de combustibil la
CA
Daer= Dga-Bs= 24.9318 m^3 N/s Debitul masic de aer
D
aer_vol= Daer*VM_n/µ aer= 19.3056 kg/s Debitul volumic, normal, de aer
introdus in compresor
esp_1= Pbg/Daer= 263.8801
04 m^3 N
aer/(m^3
N comb) Energia specifica a ITG
raportata la kg de aer
esp_2= Pbg/Dga= 259.4621 m^3 N
O2/(m^3
N comb) Energia specifica a ITG
raportata la kg de g.a
∆PCA= e^[-
0.01*(ln(Ptc_CA))^2+0.85*ln(Pt
c_CA) -1.8] 180.0000 KW Pierderile in camera de ardere t atm= 15 °C Pbg= 6579 kW
p atm= 1.013 bar Qsp= 11249.05 kJ/kWhel
φ relativ aer= 60 % Dga= 25.3563 kg/s
µ aer= 28.946 kg/kmol n TG
JP= 10400 rpm
ν O2/ν aer= 0.2095 kmol O2;/kmol aer t ga
eva 490 °C
μ gaz natural 16.2 kg/kmol p0= 12 bar
Hi= 35000 kJ/m^3 N t0= 260 °C
ν aer/ν gaz
natural 9.55 [kmol aer;/kmol gaz tal= 70 °C

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

48
Pt1= Ptc_CA -∆PCA = 20377.64
04 kJ/kg aer Puterea termica primita de ciclu
de la CA
ηCA Pt1/Ptc_CA= 0.9912 kJ/kg g.a Randamentul CA
∆Pg= 284.3000 kw Pierderile la generator
Pmk= Pbg +∆Pg = 6863.300
0 kw Puterea mecanica la cupla
ηg= Pbg/Pmk= 0.9586 Randamentul generatorului
electric
∆Pmk= e^[(-
0.012)*(ln(Pmk))^2+0.83*ln(Pm
k)-1.2] 130.0000 kW Pierderile mecanice in cazul
cuplajului cu reductor
Pi= Pmk+∆Pmk= 6993.300
0 kW Puterea interna
ηm= Pmk/Pi= 0.9814 Randamentul mecanic
∆Pt_csg
a= Pt1-Pi= 13384.34
04 kW Puterea termica pierduta prin
caldura sensibila a gazelor de
ardere
ηt= Pi/Pt1= 0.3432 kW Randamentul termic al ciclului
cp_ga= 1.11126461 kJ* °C/kg

Diagrama t -q a cazanului recuperator
p vap= p0*1.065= 12.78 bar Presiunea de vaporizare (din tambur)
p al= Pvap*1.2= 15.336 bar Presiunea apei de alimentare a CAI
tsat= f(Pvap)= 190.8295 °C Temperatura de saturatie (din
tambur)
h0= f(p0,to) 2958.2569 kJ/kg Entalpia aburului produs de CAI
h`= f(Pvap,x) 811.2667 kJ/kg Entalpia apei la saturatie (din tambur)
h„= f(Pvap,x) 2791.6649 kJ/kg Entalpia aburului la saturatie (tambur)
hal= f(Pal,tal) 294.2464 kJ/kg Entalpia apei de alimentare a CAI
hga= cp_ga*tga= 544.519659
1 kJ/kg Entalpia gazelor de ardere la intrarea
in CAI
pp= 15 °C Diferenta minima de temperatura in
CAI (pinch -point)
tx= pp+tsat= 205.8295 °C Temperatura gazelor de ardere intre
ECO si SV
hx= cp_ga*tx= 228.7311 kJ/kg Entalpia gazelor de ardere intre ECO
si SV
ηtc= 0.99 Randamentul transferului de caldura al CAI
hcos= hx-Dab*(h` –
hal)/(Dga* ꞑtc) 133.3518 kJ/kg Entalpia gazelor de ardere la cos
tcos= hcos/cp_ga= 120.0000 °C Temperatura gazelor de ardere la
cos:tcos
Pt_rec= Dga*(hga -hcos)* ꞑtc 10321.4398 kW Puterea termica recuperata in CAI

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

49
β= Pt_rec/∆Pt_csga 0.7712 Factorul de recuperare a caldurii
gazelor de ardere in CAI
Putil_rec= Pbg+Pt_rec 16900.4398 kw Puterea totala utila (CAI recuperativ)
ηgl_rec= Putil_rec/Ptc_CA 0.8221 Randamentul global (CAI recuperativ)

ycogen_re
c Pbg/Pt_rec 0.6374 Indicele de cogenerare (CAI
recuperativ)
∆PCR= ∆Pt_csga -Pt_rec 3062.9006 kW Puterea termica pierduta la cazanul
recuperator (cos si prin peretii CAI
hy= hga-(hga -hcos)*(h0 –
h'')/(h0 -hal) 518.8076 kJ/kg Entalpia gazelor de ardere intre SI si
VAP
ty= hy/Cp_tg 466.8623 °C Temperatura gazelor de ardere intre
SI si VAP

Calculul diferențelor de temperatură medii logaritmice pe: SI, VAP si ECO.
Δtmin_SI tga-t0 = 230 °C
Δtmax_SI ty -tsat = 276.0328 °C
∆tml_SI (Δtmax_SI -Δtmin_SI)/ln(Δtmax_SI/Δtmin_SI) 252.3169 °C

∆tmin_VAP tx -tsat = 37.9015 °C
∆tmax_VAP ty -tsat = 276.0328 °C
∆tml_VAP (Δtmax_VAP –
Δtmin_VAP)/ln(Δtmax_VAP/Δtmin_VAP) 119.9335 °C

∆tmax_ECO tx -tsat = 37.9015 °C
∆tmin_ECO tcos-tal= 50.0000 °C
∆tml_ECO (Δtmax_ECO –
Δtmin_ECO)/ln(Δtmax_ECO/Δtmin_ECO) 43.6718 °C

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

50
Diagrama t -q a cazanului recuperator

Figura 4.3.2 Diagrama t -q a cazanului recuperator

Diagrama Sankey a turbinei Taurus 70

Figura 4.3.2 Diagrama Sankey 0.0000100.0000200.0000300.0000400.0000500.0000600.0000
0% 20% 40% 60% 80% 100%Temperatura agentilor termici °C
Procente din puterea termica transferataT gaze
T apa-abur
Tsat
TalTga
TcosT0TxTy

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

51

Figura 4.3.2 Diagrama Sankey

4.4 Func ționarea la sarcini parțiale:
Un alt motiv pentru care am ales această turbină, Solar Taurus 70, este acela că ea face
parte din biblioteca programului de modelare Gate -Cycle și astfel am putut verifica funcționarea
și la sarcini parțiale.
Folosind datele de referință ale gazului na tural plus formula ANRE am reușit sa determin
funcționarea la sarcină parțială a turbinei studiate urmărind parametrii cogenerării de înaltă
eficiență .

20557.6404
180.0000130.0000284.3000657913384.3404
10321.43983062.9006
05000100001500020000
1 2 3∆PCR
PT-rec
∆Pcsga
Pbg
∆Pbg
∆Pmec
∆Pca
Ptc_CA

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

52

Ref. pt. gaz natural

η ref prod sep
cald 90.00%
η ref prod sep
electr 52.50%
cor η rf pr sp el 0.50%
η rf pr sp el cor 53.00%
coef cor pier RE 98.50%

Funcționarea la sarcini parțiale Solar Taurus 70 :

Figura 4. 4.1 Funcționarea la sarcini parțiale Solar Taurus 70

Se poate observa faptul că, aceasta turbina poate funționa, pentru a produce cogenerare
de înaltă eficiență, la sarcină începând de la 60 %. Chiar daca randamentul global este mai mare
de 75 % începând de la sarcina de 40 %, economia de energie primară, E EP, se poate lua în
considerare de la sarcina de 60 %.
Astfel această turbină devine soluție optimă pentru fabrica de bere având un randament
global bun chiar si la sarcină mai mică și un indice de cogenerare de aproximativ 64 %. -0.4-0.3-0.2-0.100.10.2
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
EEP [%]Randament global [%]
Sarcina TG [%]Solar Taurus 70
Rand gl
Rand min
EEP
EEP min

100*
)005,0 (11
. , Re,,,
, Re,,,





evit pierd kf ekcoge
kf tkcogtk
pEEP



Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

53
Comparativ cu alte t urbine studiate in același program, Solar Taurus 70 se află în topul
turbinelor care îndeplinesc condițiile cogenerării de înaltă eficiență, ( Figura 4.4.2 Tipuri de
turbine cu gaz studiate ). Pentru acest tip de cogenerare este benefic pentru fabrica de bere
deoarece se acordă bonusuri acordate de stat, bonusuri ce reduc termenul de recuperare a
investiției.

Tipuri de turbine cu gaz studiate:

Figura 4.4.2 Tipuri de turbine cu gaz studiate

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0.450.50.550.60.650.70.750.80.850.9Randament global cogenerare [%]TG StudiateSolar Saturn 20
Series3
Solar Taurus 60
Solar Taurus 70
Allied-Signal ASE120
Solar Mars 90
Solar Mars 100
GE LM1600-PA
ABB GT 35

Metode de creștere a performanței turbinelor cu gaz utilizate în alimentarea cu energie a unui consumator industrial

54
5. Concluzii

• Pentru utilizarea cât mai eficientă a acestui combustibil superior cu cost ridicat, reducerea
investiției specifice, scurtarea timpului de punere in funcțiune, obținerea eventualelor
beneficii din bonusurile acordate pentru cogenerarea de înalta eficiență, precum și pentru
a obține o eficiență economi că cât mai ridicată, fabrica de bere, intenționează ca noua
centrală sa utilizeze Cogenerarea cu Turbine cu Gaz și cazane cu recupere
• Pentru continuitate în alimentare cu căldură în perioadele când una din ITG este în revizie
sau reparații, CET va avea și posibilitatea de a produce abur în regim de joasă presiune cu
cazane de abur industrial (CAI ).
• Presiunea de 12 bar oferă fabricii de bere șansa de a funcționa doar cu un nivel de
presiune.
• Este nevoie ca pentru a produce aburul la 12 bar, sa se recu pereze din gazele de ardere ale
turbinelor cu gaze, o putere termică nominală de 21.01 MW t.
• Pentru a produce necesarul de abur am decis să folosesc două turbine Solar Taurus 70,
deoarece producția de bere este influențată de anotimp. În sezonul rece pot fo losi
turbinele la sarcini mai mici debitul de abur fiind mai mic, în timp ce în sezonul cald
producția de bere crește simțitor ceea ce rezultă un debit de abur mare, implicit turbinele
trebuie să se afle la sarcină maximă.
• Turbina poate funționa, pentru a produce cogenerare de înaltă eficiență, la sarcină
începând de la 60 %. Chiar daca randamentul global este mai mare de 75 % începând de
la sarcina de 40 %, economia de energie primară, EEP, se poate lua în considerare de la
sarcina de 60 %.
• Solar Taurus 70 se află în topul turbinelor care îndeplinesc condițiile cogenerării de înaltă
eficiență. Pentru acest tip de cogenerare este benefic pentru fabrica de bere deoarece se
acordă bonusuri acordate de stat, bonusuri ce reduc termenul de recuperare a investiț iei.
• Cu o putere la bornele generatorului de 6579 KW pe turbină ceea ce înseamnă o putere
totală la bornere generatorului de 13,158 MW. Aceasta putere va fi vandută în SEN ceea
ce înseamnă că investiția va putea fi recuperată mai repede.