Turbina a Vapor GE D-11: Seus primeiros passos
Sumário
Introdução Turbina a Vapor GE D-11
A variedade de produtos robustos de turbinas a vapor da GE, como a turbina a vapor D-11 provou ser uma escolha valiosa no mercado altamente competitivo de ciclo combinado de hoje.
Uma discussão sobre a oferta de turbinas a vapor da GE para 2 em 1, tecnologia “F”, turbina a gás, em plantas de ciclo combinado é o foco principal deste artigo, com ênfase colocada no produto D-11 estruturado, a escolha do cliente para ciclo de entrega, desempenho, confiabilidade e disponibilidade.
O que é a Turbina a Vapor D-11?
A GE construiu mais de 40 turbinas a vapor usadas em tecnologia “F”, turbina a gás, em aplicações de ciclo combinado, totalizando mais de 6000 MW em saída de turbina a vapor-gerador.
Em uma aplicação GE Steam and Gas (STAG), a turbina a vapor é combinada com uma ou mais turbinas a gás, utilizando a energia de exaustão da(s) turbina(s) de combustão para produzir vapor por meio de um gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG).
Uma configuração típica da GE usa um HRSG (Heat Recovery Steam Generator) de três pressões para a planta, onde o vapor é fornecido de seções de alta pressão (HP), pressão intermediária (IP) e baixa pressão (LP) para a seção correspondente da turbina a vapor.
No passado, a filosofia de design da GE ditava a padronização de alguns dos principais componentes da turbina, mas a personalização do caminho do vapor para cada aplicação.
Em 1997, em resposta às demandas contínuas dos clientes por ciclos de entrega mais curtos e maior eficiência, a GE reconheceu a necessidade de adotar uma abordagem mais proativa para atender às demandas de um mercado competitivo e crescente.
Para ser competitiva neste mercado, a GE precisava de um produto de turbina a vapor que fosse eficiente em condições de carga base e robusto o suficiente para ser usado em uma variedade de climas, configurações e modos operacionais.
Embora apenas uma unidade projetada personalizada pudesse operar com eficiência máxima em qualquer situação, o design e a produção de tal unidade resultariam em um preço proibitivamente alto e um ciclo de entrega excessivamente longo.
Esta não era uma opção para um mercado doméstico, principalemnte dos EUA que estava começando a adicionar capacidade significativa pela primeira vez em muitos anos.
Com base em uma análise da atividade de mercado, a GE concentrou seu esforço de padronização em turbinas a vapor para usinas de ciclo combinado 207FA e 209FA.
O produto da GE para essas aplicações específicas é a turbina D-11, um projeto que consiste em uma seção combinada, de fluxo oposto, HP/IP com construção de casco único e uma seção LP de dois fluxos
Os resultados dessa padronização de projeto produziram cinco configurações básicas estruturadas D-11, que estão listadas abaixo. Para o mercado de 60 Hertz (Hz), três seções LP padrão foram projetadas com comprimentos de palheta de último estágio (LSB) de 76,2 cm, 85,1 cm e 101,6 cm.
Para o mercado de 50 Hz há duas seções LP padrão, com base em comprimentos de palhetas do último estágio de 85,1 cm e 106,7 cm.
Otimização do ciclo Turbina GE D-11
O ponto de partida para projetar o produto estruturado D-11 é o projeto HRSG de três pressões, altamente eficiente e confiável, com condições nominais de aceleração de 124 bar/566°C e temperatura de reaquecimento de 566°C.
Dado que os parâmetros básicos do ciclo de baixa já foram determinados, os esforços foram centrados na determinação das pressões de admissão IP e LP ideais em termos de ciclo geral e eficiência da turbina a vapor.
"A variedade de produtos robustos de turbinas a vapor da GE, como a turbina a vapor D-11 provou ser uma escolha valiosa no mercado altamente competitivo de ciclo combinado de hoje. "
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Admissão de IP e pressão de reaquecimento Turbina a Vapor GE D11
A variação na pressão de reaquecimento a quente não tem um efeito significativo na saída do gerador de turbina a vapor ao longo do intervalo considerado. A pressão de reaquecimento acabará por definir o nível de admissão de IP, uma vez que a admissão de IP está na linha de reaquecimento a frio.
A pressão de repetição a quente impacta o fluxo de volume do sistema de reaquecimento e, portanto, tem uma grande influência no design do HRSG e da turbina a vapor.
A pressão de reaquecimento a quente para o ciclo é definida pela área de passagem de fluxo do primeiro bico da turbina IP.
Para a turbina GE D-11, a pressão de reaquecimento a quente para a condição de carga de base foi definida em 23 bar para a configuração 207FA e 25,2 bar para a configuração 209FA.
Como esses resultados estão muito próximos do nível ideal do ciclo combinado, os designs da GE para o HRSG e a turbina a vapor são econômicos e mecanicamente conservadores.
Pressão de admissão de LP Turbina A Vapor D-11
O segundo parâmetro que a GE investigou para otimização foi o nível de pressão de admissão de LP, incluindo o local dentro do caminho de fluxo da turbina a vapor para localizar essa admissão.
O efeito da saída da turbina a vapor com base na variação da pressão de admissão de LP é mostrado na figura abaixo. Essa otimização considerou os efeitos de saída da turbina a vapor, os efeitos da área de superfície de HRSG e a temperatura de saída da chaminé, os critérios de fluxo de volume e a localização da interface de admissão com a turbina a vapor.
Como resultado da análise dos parâmetros mencionados acima, a admissão de baixa pressão foi localizada na região de exaustão de IP da turbina a vapor. Como a exaustão de IP passa diretamente para o tubo de cruzamento da turbina de baixa pressão, a pressão no tubo de cruzamento é definida diretamente pelo nível de pressão do tambor de LP de HRSG.
Como resultado de extensas otimizações de eficiência de ciclo e turbina a vapor, bem como da cuidadosa seleção e projeto dos caminhos de vapor IP e LP, a GE conseguiu estabelecer uma pressão de admissão LP comum e uma área de passagem de fluxo efetiva (AeN).
Devido a esse trabalho na padronização da pressão de cruzamento, agora era possível projetar, para uma determinada classe de turbina (207FA ou 209FA), uma única seção IP que fosse compatível com uma variedade de seções padronizadas de baixa pressão.
As pressões otimizadas do LP foram definidas em 3,8 bar para a configuração 207FA e 4,5 bar para a máquina 209FA.
A pressão de condensação da turbina a vapor tem uma grande influência na saída da turbina a vapor e varia dependendo do meio de condensação disponível. Conhecer a pressão de admissão/cruzamento de LP ótima necessária permitiu para a GE combinar a turbina IP fixa com uma série desenhada de seções de turbina de baixa pressão padronizadas com diferentes baldes de último estágio e áreas de anular para diferentes pressões de condensação.
Esses módulos LP podem ser trocados sem impacto no design da turbina HP/IP.
Características do projeto estruturado Turbina D-11
Os ciclos térmicos otimizados 207FA e 209FA permitiram o desenvolvimento de uma família padronizada de turbinas a vapor.
Um desenho de seção transversal é mostrado na imagem abaixo.
Seção HP/IP de fluxo oposto Turbina D-11
A turbina a vapor estruturada D-11 evoluiu da turbina HP/IP de fluxo oposto com uma
seção LP de fluxo duplo, um projeto que foi aplicado em aplicações de ciclo fóssil e combinado por muitos anos.
O vapor principal entra na turbina na parte inferior da carcaça de alta pressão por meio de duas válvulas de parada e controle separadas. O fluxo de vapor HP continua para a esquerda e sai da seção pela linha de reaquecimento a frio, onde retorna ao HRSG.
O vapor de pressão intermediária reaquecido entra no centro da carcaça por meio da tubulação de reaquecimento a quente e flui através da seção IP na direção oposta à da seção HP.
Este projeto resulta em um gradiente de temperatura uniforme do centro da carcaça para as extremidades, pois o vapor de temperatura mais alta no sistema entra no centro da carcaça e então reduz gradualmente sua temperatura à medida que flui para fora em direção às extremidades das carcaças e mancais.
A seção combinada HP/IP utiliza construção de carcaça única que foi comprovada por experiência operacional bem-sucedida em uma pressão operacional máxima de 1950 psia a uma temperatura operacional de 566°C.
Existem dois projetos de carcaça HP/IP, um para aplicações de 207FA, 60 Hz e um para aplicações de 209FA, 50 Hz. Cada projeto de carcaça é padrão, com ranhuras e suportes de diafragma entre estágios já projetados na carcaça.
A variabilidade no projeto do caminho do vapor é limitada à seção de alta pressão, com o estágio HP personalizado para cada aplicação.
"O produto da GE para essas aplicações específicas é a turbina D-11, um projeto que consiste em uma seção combinada, de fluxo oposto, HP/IP com construção de casco único e uma seção LP de dois fluxos ."
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Conclusão
A turbina a vapor estruturada D-11 é uma turbina a vapor altamente eficiente, altamente confiável e econômica configurada especificamente para ciclos combinados 207FA ou 209FA.
Dentro do projeto base, há margem para variação significativa no ciclo básico de condensação de reaquecimento de três níveis de pressão, mantendo um compromisso de envio ex-fábrica de 12 meses. O conceito de estruturação de produto provou ser valioso na turbina D-11 e será igualmente benéfico em futuras turbinas a vapor GE.
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