Comment fonctionne une centrale à gaz à cycle combiné
Une usine à cycle combiné récupère plus d'énergie de son combustible : une turbine à gaz génère de l'électricité, puis ses gaz d'échappement chauds font de la vapeur pour une seconde turbine.
En 60 secondes : comment ça marche
Une centrale à cycle combiné reçoit deux fois l'électricité de son combustible. Une turbine à gaz fait d'abord de l'énergie, puis son échappement chaud fait de la vapeur qui conduit une seconde turbine.
- L'air est pressé par un compresseur et mélangé au gaz naturel, qui brûle dans un combustible.
- Les gaz chauds se développent à travers la turbine à gaz, en la tournant et son générateur.
- L'échappement est encore très chaud, il passe donc par une chaudière à récupération de chaleur qui transforme l'eau en vapeur.
- La vapeur entraîne une turbine à vapeur et un deuxième générateur.
- La vapeur est condensée dans l'eau et réutilisée.
- Un transformateur augmente la tension pour que l'électricité puisse se déplacer vers le réseau.
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Par Centrales électriques dans le monde entier · Lectures connexes mises à jour · Établissement et examen du champ d'application. Illustrations pédagogiques; aucun examen par les pairs indépendant en génie n'est revendiqué.
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1+1 multi-shaft combined cycle: two independent generator trains. Trois cas d'enseignement permanent délimités utilisent un seul bilan carburant/chaleur/électricité, et non un modèle étalonné de charge partielle ou d'arrêt. Les internals et les distances sont simplifiés pour l'inspection. Les superpositions colorées révèlent le flux à travers les équipements fermés; les impulsions dorées montrent le transfert net d'énergie électrique, et non les électrons individuels.
Comment ça marche
- Fuel energy
- Chaleur de combustion
- Gas-turbine + steam-cycle work
- Generators
- Réseau électrique
Une station alimentée au gaz convertit l'énergie combustible en rotation d'arbre puis en électricité. Dans une turbine à gaz, l'air est comprimé avant que le combustible ne brûle. L'expansion du gaz chaud transforme les pales de turbine, fournissant à la fois le compresseur et le générateur. Cette disposition à flux continu suit le principe du cycle de Brayton. Le compresseur consomme une partie importante de la sortie mécanique de la turbine, de sorte que le générateur reçoit la puissance d'arbre restante plutôt que tout ce que la turbine développe.
The illustrated 1+1 multi-shaft combined cycle adds a separate steam-turbine generator. Its unfired single-pressure heat-recovery steam generator transfers exhaust heat across tube walls without mixing gas and water or adding another fuel input. The water/steam cycle uses a dry air-cooled condenser and feed pump. Both generators have independent switchgear/transformer exports. The bounded cases below account for compressor work once, then generator losses, electrical auxiliaries and transformer losses; they are not a validated part-load or time-domain plant simulation.
Utilisez l'échappement chaud deux fois.
The model shows a 1+1 multi-shaft combined cycle: one gas-turbine train plus one steam-turbine train, two generators, a single-pressure heat-recovery steam generator (HRSG) and dry air-cooled condenser (ACC). It is an invented learning case, not the specification of a named station.
Sélectionné : aperçu du système entier.
Explication simple
La première turbine alimente son propre compresseur. Les lames rotatives du compresseur ajoutent du travail à l'air entrant; les vanes fixes guident et diffusent le flux. Le carburant brûle dans l'air comprimé. Le gaz chaud se développe à travers les rangées de turbines, conduisant le compresseur et le générateur G1 sur le même arbre. [G4]
La chaleur d'échappement fait de la vapeur sans mélange de fluides. L'eau d'alimentation se réchauffe dans l'économiseur, circule entre le tambour et l'évaporateur, et la vapeur séparée passe par le surchauffeur. Cette vapeur conduit une turbine et un générateur séparés G2. Ce HRSG non chauffé n'a pas d'apport de carburant supplémentaire: sa chaleur est transférée des gaz d'échappement GT déjà comptés dans le registre du carburant. [G1] [G7]
Le refroidissement à sec ferme le cycle de l'eau. La vapeur se condense à l'intérieur des tubes à nageoires tandis que les ventilateurs traversent l'air ambiant sur leur surface extérieure. Le condensat revient à travers la pompe d'alimentation. Aucun panache de la tour mouillée n'est approprié ici. Les pompes, ventilateurs, générateurs et transformateurs réduisent l'électricité nette. [G1] [G6]
Solde de puissance actuel
| Limite | Puissance |
|---|---|
| Entrée de LHV de carburant (entrée de l'ensemble de la centrale) | 218.037 |
| Travaux de turbine à gaz avant déduction pour compresseur | 165.124 |
| Consommation d'arbre de compresseur · déduite une fois | 94.750 |
| Travaux d'arbre fileté pour les trains à gaz | 70.374 |
| HRSG récupération de chaleur · transfert interne | 87.038 |
| Travaux d'arbre à turbine à vapeur | 28.829 |
| Électricité brute combinée | 97.219 |
| Travail du fluide de pompe à alimentation | 0.286 |
| Consommation électrique de pompe d'alimentation | 0.301 |
| Autres auxiliaires électriques | 1.944 |
| Exportation de générateurs de gaz et de turbines | 67.249 |
| Exportation de générateurs de vapeur-turbine | 27.249 |
| Exportations nettes totales | 94.499 |
| Elimination de chaleur ACC | 58.495 |
| Chaud sensible au-dessus de la référence ambiante | 56.990 |
| Total du budget de l'énergie non exportée | 123.539 |
218.037 MWth fuel = 94.499 MWe net export + 123.539 MW budget non exporté.
Le budget non exporté comprend la chaleur sensible de la cheminée, la chaleur de condensateur, l'addition de chaleur et les quotas HRSG, les pertes de générateur/moteur/transformateur et autres auxiliaires. Ce n'est pas un chiffre calculé des émissions de gaz à effet de serre.
Ventilation budgétaire en MW: pile 56.990 + ACC 58.495 + combustion heat-addition allowance 2.180 + HRSG ambient allowance 1.455 + generator losses 1.984 + pump-motor loss 0.015 + other auxiliaries 1.944 + transformer losses 0.475 = 123.539. Les indemnités sont des pertes d'équipement indicatives et non des pertes mesurées.
État de mesure du même modèle
Air 250.000 kg/s + fuel 4.361 kg/s = exhaust 254.361 kg/s. Le débit de vapeur/d ' eau d ' alimentation est 28.338 kg/s. Solde non arrondi de la plante entière résiduelle: 1.49e-8 W.
| Limite | p kPa | T °C | h kJ/kg |
|---|---|---|---|
| G1 · Air ambiant d'entrée | 101.325 | 15.000 | 0.000 |
| G2 · Sortie du compresseur | 1418.550 | 392.115 | 379.000 |
| G3 · Entrée de turbine | 1361.808 | 1076.850 | 1221.128 |
| G4 · Gaz d'échappement des turbines | 101.325 | 512.352 | 571.955 |
| G5 · HRSG après l'allocation de chaleur | 101.325 | 507.378 | 566.235 |
| G6 · Sortie de la pile | 101.325 | 209.826 | 224.050 |
| Limite | p MPa | T °C | h kJ/kg | s kJ/(kg·K) | Quality x |
|---|---|---|---|---|---|
| S1 · Liquide de condensation | 0.010 | 45.806 | 191.810 | 0.6492 | 0.0000 |
| S2 · Sortie de pompe d'alimentation | 8.000 | Non calculé | 201.900 | Non calculé | Sans objet |
| S3 · Sortie d'économiseur | 8.000 | 280.000 | 1236.000 | 3.0631 | Sans objet |
| S4 · vapeur principale surchauffée | 8.000 | 450.000 | 3273.300 | 6.5579 | Sans objet |
| S5 · Gaz d'échappement à turbine à vapeur | 0.010 | 45.806 | 2255.988 | 7.1207 | 0.8629 |
| vapeur saturée de tambour | 8.000 | 295.008 | 2758.700 | Non calculé | 1.0000 |
| Chapitre | Heat MW | Entrée de gaz °C | Sortie de gaz °C |
|---|---|---|---|
| Superchauffeur · bout chaud | 14.583 | 507.378 | 457.525 |
| Evaporator + remaining liquid warming | 43.151 | 457.525 | 310.008 |
| Économiseur · extrémité froide | 29.305 | 310.008 | 209.826 |
Evaporator pinch 15.000 K; approche de l ' économie de l ' eau 15.008 K; approche gaz-à-main-steam à chaud 57.378 K. Contraintes à l ' écoulement de vapeur: pinch. Stack gas 209.826 °C. Ces différences positives sont vérifiées, et non pas des valeurs animées de manière indépendante.
Détails techniques: calcul en état d'équilibre limité
Temperature T est en kelvin (K), pression p en pascals (Pa), débit massique - en kg/s, rapport de capacité thermique -sans dimension et cp spécifique en J/(kg·K). h est l'énergie par masse, tabulée en kJ/kg et convertie en J/kg pour la puissance. s utilise kJ/(kg·K); volume spécifique v uses m³/kg. Efficiency η is dimensionless; Δ means a difference. LHV is lower heating value, excluding recovery of water-vapour condensation energy in combustion products. No higher-heating-value (HHV) efficiency is reported.
T₂ = T₁[1 + ((p₂/p₁)^((γair−1)/γair) − 1)/ηC]
T₄ = T₃[1 − ηGT(1 − (p₄/p₃)^((γgas−1)/γgas))]
P_C = ṁair cₚ,air(T₂−T₁)
P_GT,net shaft = (ṁair+ṁfuel)cₚ,gas(T₃−T₄) − P_C
Les états 1 à 4 sont l'entrée ambiante, sortie du compresseur, sortie du combustible et sortie du gaz-turbine. C indique le compresseur, turbine à gaz GT. Nous approximons l'air et le gaz de combustion avec des chaleurs spécifiques efficaces constantes, pas un calcul de propriété dépendant de l'espèce. f = [cₚ,gas(T₃−T₁)−cₚ,air(T₂−T₁)]/[ηheat LHV−cₚ,gas(T₃−T₁)]. This is not a flame-temperature or emissions model. [G4]
Illustrative constants: ambient 288.15 K/101.325 kPa; cₚ,air=1005 and cₚ,gas=1150 J/(kg·K); γair=1.4, γgas=1.33; ηC=0.86, ηGT=0.88; combustor pressure retention 0.96 and heat-addition efficiency 0.99; fuel LHV 50 MJ/kg. Reference: 250 kg/s air, pressure ratio 14, T₃=1350 K. Reduced comparison: 175 kg/s, ratio 10, T₃=1250 K. No downstream exhaust pressure drop, compressor map, surge margin, variable guide-vane control or transient is calculated.
Q̇_SH = ṁsteam(h_main−h_g,8MPa)
Q̇_EV = ṁsteam(h_g,8MPa−h_EC)
Q̇_EC = ṁsteam(h_EC−h_feed)
Q̇_recovered = Q̇_SH + Q̇_EV + Q̇_EC
Gaz passe SH → EV → EC dans cette configuration sélectionnée. L'eau d'alimentation va EC → circulation de tambour/EV → SH; le gaz chaud ne pénètre jamais dans la boucle d'eau. g vapeur saturée, main vapeur principale. La sortie CE est de 8 MPa/280 °C; 8 MPa saturation est de 295,008 °C. Le droit EV comprend le réchauffement liquide restant avant ébullition, et non la chaleur latente seule. La circulation du tambour est conceptuelle; aucun débit de recirculation interne inventé n'est affiché. [G5] [G7]
Cgas = ṁgas cₚ,gas
ṁsteam = min[Cgas(T_hot−120 °C)/(h_main−h_feed), Cgas(T_hot−T_sat−15 K)/(h_main−h_EC)]
Cgas is the gas-stream heat-capacity rate in W/K. T_hot follows a 1% exhaust-heat ambient allowance. Celsius temperature differences equal kelvin differences; all terms in each subtraction use the same reference. The two bounds enforce a 120 °C minimum stack temperature and 15 K minimum evaporator-outlet pinch. The EC water approach is 15.008 K. These are illustrative thermal constraints, not acid-dew-point, boiler surface-area or off-design safety checks. No supplementary firing, blowdown or steam pressure-drop model is included.
w_pump = v_f Δp / ηpump; h_feed = h_f,10kPa + w_pump
x_s = (s_main−s_f)/(s_g−s_f); h_s = h_f + x_s(h_g−h_f)
h_out = h_main − ηST(h_main−h_s)
Q̇_recovered + P_pump,fluid = P_ST,shaft + Q̇_ACC
Ici. f/g indiquer le liquide/vapeur saturé à la pression indiquée; x est la fraction de masse de vapeur, non la fraction de volume; s means isentropic (constant entropy). Main steam is 8 MPa/450 °C; condenser pressure is 10 kPa (0.010 MPa). The steam-turbine efficiency ηST=0.85, pump hydraulic efficiency 0.80 and motor efficiency 0.95 are invented example values. Pump outlet enthalpy is derived with an incompressible approximation; outlet temperature is not calculated. The condenser saturation temperature is 45.806 °C. [G3] [G5]
Les gaz d'échappement de turbine calculés sont la vapeur humide: qualité de référence 0.8629ou 13.71% liquide en masse. Il n'y a pas de réchauffage ici. Ceci est un résultat d'apprentissage, pas une limite acceptable de la lame-mousture, point de fonctionnement de turbine qualifié ou garantie du vendeur.
P_gross,total = 0.98(P_GT,net shaft + P_ST,shaft)
P_aux = 0.02 P_gross,total + P_pump,fluid/0.95
P_net = 0.995(P_gross,total − P_aux)
η_net,LHV = P_net / P_fuel,LHV
The 2% other-auxiliary allowance excludes both the already deducted compressor and the separately calculated feed pump. Generator efficiency 0.98 and transformer efficiency 0.995 are illustrative, not vendor guarantees. The feed pump is assigned to the ST branch; each branch pays its own 2% auxiliary allowance and transformer loss. No excitation, synchronisation, reactive-power, protection or AC network calculation is performed.
n = 120 f_grid / p_poles = 120 × 50 / 2 = 3000 rpm; ω = 2πn/60; τ = P_shaft/ω
Ici. n est la vitesse de rotation physique, f_grid grid frequency, p_poles Les impulsions de débit indiquent la direction, et non la vitesse du fluide ou le mouvement des électrons. [G2]
Exemple de référence vérifié · pas une vraie notation de l'usine
Carburant 218.037 MWth (LHV); le compresseur consomme 94.750 MW de la turbine à gaz 165.124 MW. Arbre filet GT 70.374 MW; arbre ST 28.829 MW; électricité brute 97.219 MWe; auxiliaires 2.245 MWe. Exportations nettes totales 94.499 MWe plus budget non exporté 123.539 MW équilibre l'entrée de carburant avant d'arrondir. Les valeurs travaillées et l'état animé utilisent le même calcul pur.
Découpe mécanique et limitations
Les roulements supportent un arbre continu à l'intérieur d'un alésage. Le travail de turbine tourne son compresseur et son générateur; le train à vapeur indépendant a un couplage séparé. HRSG supporte les berges et le tambour des tubes; les parois des tubes contenant de la pression séparent les fluides. L'ACC a des têtes de tête et des tubes alésés avec des ventilateurs ci-dessous. Les secteurs de paroi enlevés, les routes comprimées, les comptages simplifiés des tubes/lames et les intérieurs élargis améliorent la visibilité.
Le cycle simple est une comparaison, et non un mode re-marqué
Une turbine à gaz à cycle ouvert n'a pas de station de vapeur de fond. Elle alimente encore son compresseur avant d'exporter de l'électricité et rejette son énergie d'échappement restante. Ce modèle n'ajoute pas de contournement d'échappement non modélisé ou prétend simuler le simple changement de cycle. Lire la description séparée du cycle simple. La récupération de chaleur à cycle combiné augmente la production, mais ajoute de la vapeur, du refroidissement, du traitement de l'eau et des équipements de contrôle; elle n'enlève pas les émissions de combustion. [G1]
Vérifiez votre compréhension
Le travail du compresseur devrait-il également être soustrait des auxiliaires électriques?
Non. Il a déjà été prélevé sur le travail d'arbre gaz-turbine avant la conversion du générateur. La soustraction de nouveau serait double-compter la même consommation.
Le SGRH fournit-il une deuxième entrée de carburant?
Il transfère la chaleur des gaz d'échappement par les parois du tube dans le cycle eau/vapeur. Certains vrais HRSG utilisent des tirs supplémentaires; cela n'est pas modélisé ici.
Les turbines à gaz et à vapeur sont-elles reliées par un seul arbre?
Non. Cette usine à arbres multiples a deux trains de turbines indépendantes. Le compresseur partage l'arbre gaz-turbine, et non l'arbre vapeur-turbine.
Livres et fondations complémentaires
Vérification des passages réels sélectionnés . Leçon originale, logiciels et contrôles de géométrie; pas indépendant ingénierie par les pairs examinés. Seuls les passages déclarés ont été lus, pas tous les chapitres de chaque livre.
- [G1] Kehlhofer, Rukes, Hannemann et Stirnimann. Centrales à gaz à cycle combiné et turbine à vapeur, 3rd ed., PennWell, 2009, ISBN 9781593701680. Publisher record; lawful sample, printed pp. 1, 40, 61Les définitions antérieures concernant l'équation 4–8 et les chapitres complets machines/charge partielle ne sont pas disponibles dans cet échantillon; aucune vérification complète du livre ou adoption de son exemple historique n'est revendiquée.
- [G2] Woodson et Melcher. Dynamique électromécanique, Partie I, Wiley, 1968. Lawful MIT Chapter 4, §4.1.8, équation 4.1.95, pour la relation pôle/vitesse synchrone.
- [G3] DOE. Thermodynamique, transfert de chaleur et débit fluide, DOE-HDBK-1012/1-92, vol. 1, 1992. Official teaching handbook, imprimés p. 79-82, 84, 90-91 : turbine stable, pompe et bilans thermiques séparés.
- [G4] NETL. Manuel de turbine à gaz. Boyce, Axial-Flow Compressors §2.0-1, première page technique; Brouwer, Hybrid Gas Turbine Fuel Cell Systems §1.4, imprimé p. 143, relations générique compresseur/turbine. Contexte hybride, pas cette plante , carte de performance; section individuelle PDF ne indiquent pas une date de publication.
Sources techniques primaires supplémentaires
- [G5] Allan H. Harvey. Propriétés thermodynamiques de l'eau, NISTIR 5078, 1998, IAPWS-95. Table 2, printed pp. 11/14; Table 3, printed pp. 52–53. Actual selected rows checked: 8 MPa/450 °C h=3273.3 kJ/kg, s=6.5579 kJ/(kg·K); 8 MPa/280 °C h=1236.0; saturated 8 MPa h_f=1317.3, h_g=2758.7; 10 kPa h_f=191.81, h_g=2583.9, s_f=0.64920, s_g=8.1488, v_f=0.00101027 m³/kg. Rounded endpoints are subtracted consistently; no full property solver is implemented.
- [G6] Turner, Pidaparti et Grol. Développement de la performance des technologies avancées liées à l'eau, DOE/NETL-2021/2755, 2021. §2.2.4, printed p. 28 a vérifié les têtes de vapeur apex, tubes à alésage, ventilateurs et collecte de condensats.
- [G7] Projets Esteem. HRSG Learning Center, non daté. Section arrangement; single-pressure heat balance, pinch and water approach. Les passages techniques réels sont vérifiés; la séquence sélectionnée n'est pas universelle. Aucune valeur de conception du fournisseur ou illustrations sources copiées.
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Dans l'ingénierie
Suivez la machine, les fluides de travail et la connexion électrique.
Mécanique
Un compresseur axial, des combusteurs et une turbine à dilatation forment le train de turbines à gaz. La turbine entraîne à la fois son compresseur et son générateur.
Thermique & chimique
La turbine à gaz suit le principe du cycle de Brayton; le circuit de récupération de la chaleur suit le principe du cycle de Rankine. Le gaz d'échappement et la chaleur d'échange de vapeur entre les parois des tubes sans mélange. La combustion produit du CO2 et peut former des oxydes d'azote.
Électrique
Chaque générateur à deux pôles, 50 Hz a son propre arbre, commutateur et transformateur de steppup exportation. Les vitesses physiques de cas positif sont 3000 tr/min, ralentis séparément pour l'affichage. Le travail de compresseur est déduit une fois avant la génération GT; exportations nettes aussi soustraire les pertes de générateur, auxiliaires électriques et transformateurs.
Principaux types et variations
Le modèle présente une usine à cycle combiné avec des générateurs de gaz et de vapeur distincts, qui décrivent l'utilisation de machines et de chaleur, et non des noms différents pour le carburant. Un moteur à gaz, une turbine à gaz et une installation de CHP peuvent tous consommer du gaz naturel; les carburants de remplacement approuvés dépendent de l'équipement.
Turbine à gaz à cycle ouvert
Aussi appelé cycle simple, cet arrangement génère de l'électricité à partir de l'arbre gaz-turbine sans turbine à vapeur de fond. L'air entre, brûle du carburant et l'échappement part après l'expansion. La turbine conduit encore son compresseur ainsi que son générateur, et la majeure partie de l'énergie inutilisée laisse comme chaleur d'échappement.
Quels changements dans la pratique
L'élimination de l'usine de vapeur simplifie l'installation. Comparée à l'ajout de récupération de chaleur pour la production d'électricité, plus d'énergie combustible reste inutilisée dans les gaz d'échappement.
Turbine à gaz à cycle combiné
Un générateur de vapeur à récupération de chaleur capte l'énergie d'échappement gaz-turbine pour une turbine à vapeur. Les deux cycles partagent une source d'énergie tout en gardant leurs fluides de travail séparés. Les installations peuvent placer les turbines sur un arbre de générateur commun ou utiliser des générateurs séparés; le modèle illustre cette dernière disposition.
Quels changements dans la pratique
Il obtient de l'électricité supplémentaire à partir de chaleur qui serait autrement jeté. Plus d'équipement, de traitement de l'eau et de commandes de système vapeur accompagnent qui gagnent en efficacité électrique.
Moteur à gaz alternatif
Plusieurs moteurs à gaz naturel utilisent l'allumage par étincelles; d'autres modèles utilisent une petite charge de carburant pilote. Une station peut utiliser plusieurs groupes générateurs de moteurs, démarre ou arrête les unités lorsque la puissance électrique requise change.
Quels changements dans la pratique
Les unités modulaires peuvent suivre l'évolution de la demande tout en gardant les moteurs en service utilement chargés. La chaleur d'échappement et de refroidissement moteur peut également servir un client de chaleur à proximité.
Gaz thermique et énergie combinée
Une turbine ou un moteur produit de l'électricité tandis que les échangeurs de chaleur récupèrent de l'énergie pour la vapeur, l'eau chaude ou un procédé industriel. CHP décrit cet apport de chaleur utile, plutôt qu'un moteur particulier.
Quels changements dans la pratique
La production utile comprend à la fois la chaleur et l'électricité. La performance dépend de la correspondance de l'usine avec la demande de chaleur du client ainsi que ses besoins électriques.
Il faut savoir
- Les usines à cycle combiné comptent parmi les centrales à combustibles fossiles les plus efficaces.
- Les turbines à gaz à cycle ouvert sautent le stade de la vapeur : moins efficaces, mais elles commencent rapidement pour une demande maximale.
- Le gaz brûlant émet du dioxyde de carbone; les fuites de méthane en amont ajoutent à son impact climatique.
Voir les exemples réels
L'atlas comprend 4 090 records de gaz dans le monde.
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Références des manuels
Les documents de référence techniques suggérés pour ce sujet sont des lectures plus poussées, et non la preuve que chaque explication a été vérifiée par rapport à chaque édition. bibliographie complète et portée de l'examen.
- Combined-Cycle Gas & Steam Turbine Power PlantsTurbines à gaz, générateurs de vapeur de récupération de chaleur et performances à cycle combiné.
- Thermodynamics: An Engineering ApproachBrayton et thermodynamique combinée Brayton-Rankine cycle.
Sources
- EIA: Use of natural gas ↗
- US DOE: Gas turbines and combined-cycle heat recovery ↗
- Kehlhofer et al.: checked publisher sample ↗
- EIA: How electricity is generated ↗
Les découpes révèlent des équipements fermés. Les plans, les dimensions, les matériaux et les vitesses d'animation sont des exemples; c'est un modèle éducatif, Son bilan énergétique fixe n'est pas une combustion dans le temps, un système à vapeur ou une simulation de sécurité.