Conoscenza di base delle turbine a gas
Le turbine a gas sono composte principalmente da tre componenti principali: il compressore, la camera di combustione e la turbina. Il ciclo della turbina a gas è generalmente chiamato ciclo semplice. La maggior parte delle turbine a gas utilizza uno schema a ciclo semplice e solo le turbine a gas-per carichi pesanti utilizzano uno schema a ciclo combinato. A causa dei diversi contesti storici, le turbine a gas si sono sviluppate lungo percorsi tecnici diversi. Le turbine a gas leggere di derivazione aeronautica industriale e marina (comunemente note come "macchine di derivazione aeronautica"-) sono realizzate modificando i motori degli aerei; Le turbine a gas industriali-per carichi pesanti (ampiamente conosciute come "macchine industriali") sono sviluppate seguendo il tradizionale concetto di turbina a vapore, utilizzato principalmente per azionamenti meccanici e grandi centrali elettriche.
Una turbina a gas può essere divisa in tre parti da sinistra a destra: compressore (blu), camera di combustione (rossa) e turbina (gialla).
Classificazione delle turbine a gas
Decine di aziende sono impegnate nella ricerca, progettazione e produzione di turbine a gas in tutto il mondo. Le quattro aziende che hanno padroneggiato appieno la tecnologia delle turbine a gas per carichi pesanti sono la General Electric degli Stati Uniti, la Siemens della Germania, la Mitsubishi Heavy Industries del Giappone (che ha introdotto inizialmente la tecnologia Westinghouse dagli Stati Uniti) e l'Italia dell'Ansaldo. Secondo Chen Xuewen, vicepresidente di Shanghai Electric Gas Turbine Co., Ltd., non è mai esistito uno standard internazionale per il livello di modello delle turbine a gas, e oggi sta diventando sempre più vago. L’autore può solo raccogliere opinioni di soggetti diversi e riassumerle come segue:
1. In base alla temperatura di combustione della turbina a gas si divide (ogni 100 gradi è un livello) :
Stati Uniti GE (introduzione elettrica di Harbin): 1100 gradi per la classe E, 1200 gradi per la classe F, 1400 gradi per la classe H.
Mitsubishi giapponese (introdotta da Dongfang Electric): 1400 gradi è la classe F, 1500 gradi è la classe G, la classe H è il prodotto di prova intermedio, 1600/1700 gradi è la classe J.
Germania Siemens (introduzione di Shanghai Electric): i vecchi numeri V64.3A, V84.3A, V94.3A sono di classe 6F. Nel 1997, Westinghouse vendette la sua divisione di generatori non-nucleari a Siemens. Il nuovo numero è stato modificato in SGT6-5000F e SGT-8000H simili. La classe F è 1200 gradi C e la classe H è 1500 gradi C.
2. Classificazione della potenza di riferimento per le turbine a gas-per carichi pesanti:
Le turbine a gas-per carichi pesanti per la produzione di energia vengono generalmente classificate in base alla potenza quando la temperatura della camera di combustione è compresa tra 1100 gradi Celsius e 1500 gradi Celsius. Ad esempio, la potenza delle turbine a gas di Classe B è inferiore o uguale a 100 MW, la potenza delle turbine a gas di Classe E è compresa tra 100 MW e 200 MW, la potenza delle turbine a gas di Classe F è compresa tra 200 MW e 300 MW e le classi superiori come Classe G e Classe H sono comprese tra 300 MW e 400 MW. Secondo Chen Xuewen, poiché la produzione delle turbine a gas di vari produttori si è sviluppata rapidamente, questo metodo di classificazione è leggermente indietro rispetto al prodotto reale.
Sviluppo di turbine a gas internazionali
Siemens: Il prodotto rappresentativo della superturbina a gas SGT5-8000H pesa 390 tonnellate (equivalenti a un Airbus A380 completamente rifornito), è lungo 13,1 metri, largo 4,9 metri, alto 4,9 metri e ha una potenza a ciclo combinato di 595 MW. La generazione di energia di un SGT5-8000H è sufficiente per alimentare una grande città industriale. Le pale della turbina devono resistere ad una temperatura elevata di oltre 1500 gradi, che supera la temperatura di ingresso della turbina del motore aeronautico turbofan GE90 e del motore a reazione F404. Poiché la velocità massima della pala della turbina supera i 1.700 chilometri all'ora, l'enorme forza centrifuga fa sì che un'estremità di ciascuna pala entri in contatto con una gravità 10.000 volte superiore a quella terrestre. La lama non può avere difetti e l'errore è solo di decine di micron, altrimenti verrà rottamata. Pertanto, si dice che una lama equivale ad una BMW.
Società Mitsubishi: L'ultimo modello è la superturbina a gas M701J con una potenza a ciclo combinato di 650 MW. È dotato di un compressore assiale a 15-stadi con un rapporto di pressione di 23:1. Il bruciatore e la turbina assiale a 4-stadi sono tutti raffreddati ad aria-e i primi 3 stadi utilizzano i più recenti rivestimenti protettivi alle alte-temperature, rivestimenti ceramici con barriera termica e raffreddamento a film d'aria ad alte-prestazioni, oltre ad altre tecnologie ad alta-tecnologia. Con la temperatura di ingresso della turbina a gas più alta al mondo, pari a 1600 gradi, può comunque garantire la lunga-durata dei componenti ad alta-temperatura. Le ultime innovazioni della serie J sono progettate per ridurre ulteriormente le emissioni di carbonio. Nel marzo 2020, MHPS ha ricevuto un ordine per due propulsori M501JAC dalla Intermountain Power Authority nello Utah, USA. Le due turbine a gas si basano su un sistema di combustione a secco a basso contenuto di NOx raffreddato ad aria-e sono in grado di utilizzare fino al 30% di idrogeno rinnovabile. Rispetto alle centrali elettriche a carbone della stessa dimensione, un sistema a idrogeno al 30% ridurrà le emissioni di carbonio di oltre il 75%, mentre un sistema a idrogeno al 100% eliminerà le emissioni di carbonio. Tra il 2025 e il 2045, l’impianto raggiungerà gradualmente il 100% di produzione di elettricità da idrogeno rinnovabile.
Generale Elettrico: le turbine a gas per carichi pesanti serie 9HA-sono le turbine a gas a ciclo combinato più efficienti al mondo; la sua ultima turbina a gas per carichi pesanti 9HA.02-non solo ha un'efficienza del ciclo combinato superiore al 64%, ma ha anche una potenza fino a 826 MW. Questi due indicatori chiave superano di gran lunga i due principali concorrenti e per produrre i componenti chiave viene utilizzata la tecnologia di stampa 3D più all'avanguardia.
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