STADIUL ACTUAL AL GRUPURILOR COGENERATIVE BINARE DE TRANSPORT

Grupurile cogenerative binare de transport pot clasificate astfel:

1)     grupuri binare pentru transport naval

2)     grupuri binare pentru transport terestru; acestea pot fi:

a)     grupuri binare pentru transport feroviar

b)     grupuri binare pentru vehicule grele si automobile

1      Grupuri binare navale

In domeniul transporturilor, singurele grupuri binare realizate pana in prezent sunt grupurile binare pentru propulsia navala.

Schemele termogazodinamice folosite pentru propulsia navala pot fi impartite in doua categorii:

grupuri la care generatoarele de abur lucreaza in focar cu presiuni coborate, de ordinul celor intalnite la generatoarele de abur clasice

grupuri la care presiunea in focarul cazanului este de 2 - 3 ori mai mare decat presiunea atmosferica.

Realizarile si proiectele de grupuri binare de propulsie navala prezentate in continuare se incadreaza in cele doua categorii.

Grupului de propulsie al navei de transport "Parijskaia Kommuna" (Comuna din Paris) contine doua TMG identice si un singur circuit cu abur (o singura turbina cu abur) [50], [51]. Comprimarea aerului se face in doua trepte cu racire intermediara. Dupa comprimarea in corpul de inalta presiune, aerul se preincalzeste in recuperatorul TMG, fiind apoi introdus in camera de ardere a acestuia. Gazele evacuate din turbina de joasa presiune, cu gaze, sunt introduse in recuperatorul TMG (unde preincalzesc aerul) si apoi in generatorul de abur, care este alcatuit din doua parti:

un generator de mars de 4,5 t/h, in care aburul se obtine din caldura gazelor evacuate din cele doua TMG;

un generator de abur conventional, in care se arde combustibil; acesta livreaza 6 t/h abur la presiunea de 60 bari.

Turbina cu abur a grupului binar nu antreneaza elicea ci furnizeaza energie pentru consumurile auxiliare ale navei. Generatorul de abur conventional, cu ardere suplimentara, se foloseste la sarcini reduse, manevre si in timpul stationarii navei.

In regim de mars, sistemul de propulsie, in ansamblu, dezvolta o putere de 8400 kW. TMG are un consum specific de 320 g/kWh (236 g/CPh) si antreneaza elicea prin intermediul unui reductor. Daca se iau in considerare si consumurile interne ale navei in regim de mars, acoperite de ciclul cu abur, consumul de combustibil pentru intregul sistem scade la 295 g/kWh (220 g/CPh). Astfel, chiar daca nu participa direct la propulsie, caldura continuta in gazele evacuate, utilizata intr-un circuit cu abur, produce o economie semnificativa de combustibil, ceea ce demonstreaza utilitatea acestui gen de grupuri de propulsie in transportul naval.

In cazul grupului de propulsie al transportorul "Capitan Smirnov" [4], [5], [53], [67], turbina cu abur antreneaza elicea impreuna cu turbina cu gaze de joasa presiune, prin intermediul unui reductor comun. Turbinele cu gaze de inalta si de medie presiune se afla in echilibru energetic cu compresoarele de inalta, respectiv de medie presiune. TMG are trei linii de arbori. Nava este echipata cu doua grupuri functionand dupa aceasta schema, fiecare dezvoltand o putere de 18000 kW (25000 CP). Grupul binar al fiecarui arbore se compune din TMG si conturul de utilizare a caldurii. Generatorul de abur produce 24 t/h abur la 309˚C si 11,7 bari, din care turbina cu abur consuma 18 t/h la presiunea de 11,2 bari. Temperatura apei de alimentare este de 40˚C. Aburul produs in generatorul de abur se foloseste in turbina cu abur (la 130 rot/min) dar si in turbina de antrenare a generatorului pentru utilitati si necesitati generale. In cazul in care lucreaza si aceasta turbina, puterea la arborele elicei este de 17300kW. Din puterea totala disponibila pentru propulsie, turbina cu abur produce 23%. Consumul specific de combustibil, fara turbina cu abur pentru utilitati interne, este de 231 g/kWh (respectiv 170 g/CPh), iar consumul de ulei este 2 g/kWh.

Firma General Electric a realizat o instalatie pentru petroliere pe baza TMG de serie MS 5000 cu recuperator. Proiectul recomanda inlocuirea recuperatorului cu un circuit de producere a aburului, care permite reducerea consumului de combustibil cu 16%, de la 243 g/kWh la 179 g/kWh. Generatorul de abur al grupului binar livreaza un debit de 48,3 t/h abur la presiunea de 39,2 bari si temperatura de 454˚C. Turbina cu abur are un singur corp si furnizeaza la elice 11600 kW prin intermediul unui reductor. La acelasi reductor este cuplat TMG MS 5000. Puterea generala de propulsie este de 29410 kW (40000 CP); TMG furnizeaza 61% din aceasta valoare, restul de putere (39%) fiind furnizat de turbina cu abur. Nivelul mai ridicat al puterii dezvoltate de turbina cu abur se explica prin parametrii mai ridicati ai aburului, presiunii joase in condensator ( 0,1 bari) si circulatiei in totalitate a aburului prin turbina cu abur. Prin intermediul unui cuplaj, turbina cu abur  antreneaza si generatorul pentru consumurile interne ale navei.

Ca si in cazul instalatiilor industriale [3], [24], [56], grupurile binare gaze - abur pentru propulsia navala se preteaza la utilizarea motoarelor de aviatie. In acest sens se poate cita grupul de propulsie pentru contratorpilorul BMF - U.S.A. proiectat pe baza turbomotorului de aviatie LM - 2500 de 22060 kW (30000 CP) [1]. Nava este echipata cu doua asemenea grupuri.

In legatura cu utilizarea motoarelor de aviatie pentru realizarea grupurilor binare navale se poate pune si problema folosirii TMG de aviatie cu resursa de zbor terminata (care mai pot functiona timp indelungat in conditii terestre sau navale). O sursa importanta pentru obtinerea unor asemenea motoare o constituie aviatia militara care poate oferi in special un numar mare de turboreactoare. Prezentam in continuare o propunere de grup cogenerativ binar, descrisa in [80], ce se bazeaza pe un singur tip de turboreactor.

Circuitul de gaze se compune dintr-un TMG-generator de gaze preluat de la un turboreactor, o turbina cu gaze de putere preluata de la acelasi tip de turboreactor si doua camere de postcombustie.

Circuitul de abur este alcatuit din doua generatoare de abur dispuse in paralel (din care doar unul este prevazut cu supraincalzitor), un condensator cu componentele aferente, doua pompe de presiune si o turbina cu abur. Turbina cu gaze de putere si turbina cu abur sunt cuplate la un reductor comun, prin intermediul caruia se antreneaza elicea.

Deoarece turbina de putere este identica cu turbina generatorului de gaze si montata in aval de aceasta, capacitatea sa de trecere este depasita si de aceea debitul de gaze excedentar este evacuat prin camera de ardere in circuitul de gaze al primului generator de vapori. Debitul de gaze evacuat din turbina de putere este dirijat spre circuitul de gaze al celui de al doilea generator de vapori. In functie de capacitatea de trecere a turbinei de putere, gazele pot suferi o supraincalzire prin postcombustie. Debitele de abur saturat produse pe circuitele celor doua generatoare de abur se reunesc la intrarea in supraincalzitorul primului generator de abur.

Calculele efectuate plecand de la componentele turboreactorului RD - 45 F, disponibil in perioada 1980 in numar mare (ca motor cu resursa de zbor consumata) si folosind turbina cu abur C.R.M. - Resita tip CTR 12 de 12 MW, arata ca randamentul termic al grupului poate ajunge la 38%. Evident, odata cu cresterea performantelor turboreactorului de baza si a turbinei cu abur, se pot obtine randamente peste 40%.

Grupurile binare pentru propulsia navala avand generator de abur cu focar sub presiune au starnit interes inca din anii '30, odata cu aparitia cazanelor de tip "Velox". O instalatie care contine generator de abur cu focar sub presiune reprezinta cea mai simpla configuratie de grup binar naval, deoarece presiunea in focarul generatorului de abur se realizeaza cu ajutorul unui compresor antrenat de turbina care, la randul ei, este antrenata de gazele de ardere produse chiar de generatorul de abur (care constituie camera de ardere a circuitului cu gaze). Datorita vitezelor mari de curgere a gazelor si a presiunii din circuitul de gaze al generatorului de abur, suprafetele de schimb de caldura se reduc foarte mult. Prin urmare se reduc foarte mult masa si gabaritul generatorului de abur, deci si ale grupului pe ansamblu. Aceasta schema a fost utilizata pe navele militare [42] unde reducerea masei si gabaritului au o mare importanta (in special la navele de mic tonaj). La aceste grupuri, la regimul de putere maxima, aparea fie un debit suplimentar de abur ce putea fi utilizat intr-o turbina cu abur, fie o putere suplimentara dezvoltata de turbina cu gaze. S-a ajuns, astfel, la ideea realizarii unui grup la care turbina cu gaze produce o putere suplimentara suficient de mare pentru a fi utilizata direct la propulsia navei prin intermediul unui reductor. Pornind de la o asemenea schema, se pot realiza grupuri binare care pot concura din punct de vedere al randamentului marile grupuri Diesel navale, dar reducerea consumului de combustibil, a gabaritului si masei nu sunt semnificative pentru navele de transport de mare tonaj. Aceste elemente raman totusi semnificative pentru navele militare (in special greutatea si gabaritul).

Desi utilizarea grupurilor binare de mare si medie putere pentru propulsia navala a inceput inainte de 1980, pana in prezent nu s-au facut progrese majore in ceea ce priveste reducerea puterilor limita inferioare de utilizare a grupurilor binare. Puterea minima a unui grup binar de propulsie este de 8400 kW si corespunde navei Parijskaia Kommuna. Acest grup binar a fost prezentat mai sus.

In afara de mentiunea facuta in [92], conform careia in cadrul Institutului de Marina din Londra a fost efectuata o analiza, prin simulare pe calculator, a unui grup binar pentru propulsia navala, singurele informatii de actualitate se refera la grupul binar realizat de compania General Electric, destinat propulsiei navelor britanice de pasageri. In iulie 2002 existau in total 6 nave operative care utilizau acest tip de sistem de propulsie [88], [89]. Un astfel grup este compus din doua TMG de aviatie LM 2500+ (varianta actualizata a TMG LM 2500 care intra in componenta grupului binar de propulsie a contratorpilorului BMF - U.S.A., prezentat mai sus), fiecare dezvoltand 20 MW si un TMA de 10 MW. Randamentul termic al TMG este 39% [90]. Nu este precizat, din pacate, randamentul global al grupului binar. TMG de tip LM 2500+ au inceput sa fie folosite in cadrul sistemelor de propulsie navale in anul 2000. In iulie 2002, cele 12 TMG de tip LM 2500+ care echipeaza cele 6 nave, aveau acumulate 75.000 ore de functionare. In [57], sunt prezentate performantele grupului binar prin comparatie cu cele corespunzatoare unui motor diesel echivalent. Principalele avantaje ale grupului binar sunt urmatoarele: emisii de NOx considerabil inferioare oricarui motor diesel echivalent (3-5 g/kWh fata de 11-16 g/kWh); consum specific de combustibil mai mic (170 g/kWh); consum specific de lubrifiant considerabil inferior (0,01 g/kWh fata de 0,8g/kWh); spatiu mai mic ocupat de sistemul de propulsie. Costurile de intretinere sunt aproximativ aceleasi in ambele variante. Principalul dezavantaj al grupului binar este valoarea usor mai mare a investitiei (cu aproximativ 5-10%).

2      Grupuri binare pentru transport feroviar

Referiri la aceasta categorie de grupuri sunt facute in [85].

Primele locomotive functionand dupa un ciclu combinat au fost fabricate de firma Still din Anglia in anul 1927. Aceste locomotive foloseau pentru tractiune un sistem combinat motor diesel - abur, apa de racire a motorului diesel constituind agentul de lucru al circuitului cu abur. In cazul unui sistem de acest fel, energia pierduta prin frecari in motorul diesel, transformata in energie termica, este preluata de apa de racire care astfel se preincalzeste inainte de intrarea in cazanul circuitului cu abur. Prin urmare, o parte din energia pierduta in motorul diesel este recuperata in circuitul cu abur. Datorita recuperarii partiale in circuitul cu abur a energiei pierdute in motorul diesel (cu un randament de 22 - 23% la vremea respectiva), valoarea randamentului global al grupului binar realizate de firma Still era de 27%, peste valorile obtinute inainte de 1930 cu orice sistem de motorizare diesel sau cu abur.

Desi cu eficienta superioara celorlalte instalatii, sistemul motor diesel - abur nu a reusit sa se impuna in fata acestora.

Stadiul actual

Dupa cum este bine cunoscut, in prezent, cel mai eficient si, in consecinta, cel mai raspandit sistem de tractiune pe linia ferata, este tractiunea electrica. Exista insa zone in care tractiunea electrica nu s-a extins sau nu se poate extinde datorita imposibilitatii realizarii retelelor electrice necesare si de aceea, in aceste zone trebuie adoptate alte sisteme de tractiune pentru locomotive. Sistemul cel mai frecvent utilizat in aceste situatii este tractiunea cu ajutorul motoarelor diesel.

In prezent, atat cresterea preturilor combustibililor cat si problema poluarii au atras atentia asupra surselor alternative de energie ce pot fi utilizate in industria transporturilor, inclusiv in domeniul transportului pe cale ferata. Una din variantele testate in SUA este utilizarea gazului natural. Acesta poate fi folosit drept combustibil al unui motor diesel adaptat corespunzator, al unui sistem energetic cu pile cu combustibil sau al unui turbomotor cu gaze.

Randamentele turbomotoarelor pe gaz natural care se realizeaza in prezent , cum ar fi Rolls Royce Trent sau Mercury 50 fabricat de Solar Turbine, sunt de 38 - 40%. In SUA se experimenteaza locomotive cu tractiune electrica, avand generatoare electrice proprii, antrenate de turbomotoare regenerative Mercury 50 pe gaz natural. Locomotivele testate in momentul de fata sunt destinate transportului greu de marfa, dar se pregateste si experimentarea locomotivelor de mare viteza.

Utilizarea gazului natural drept combustibil se justifica prin faptul ca, desi in crestere proportional cu cererea pietei, pretul gazului se mentine permanent sub cel al motorinei. Pe langa pretul mai scazut al combustibilului, turbomotoarele pe gaz natural mai prezinta si alte avantaje fata de motoarele diesel: nu presupun cheltuieli importante pentru ungere si racire si sunt mai putin poluante.

Perspective

Un turbomotor Mercury 50 de 5500 CP functioneaza cu un randament de 39%. Prin urmare, energia evacuata prin gazele de ardere din turbomotor (la aproximativ 300˚C) corespunde unei puteri de aproximativ 8500 CP. Aceasta energie ar putea fi recuperata partial si utilizata in scopul producerii aburului intr-un cazan recuperator. In cazul turbomotoarelor de 10000 CP, care au randamente de 40%, energia termica evacuata prin gazele de ardere (la aceeasi valoare de 300˚C) corespunde unei puteri de 15000 CP. Daca 20% din aceasta energie ar fi recuperata in circuitul cu abur, aceasta ar insemna un castig de putere de 0,2 ∙ 15000 = 3000 CP, cu reducerea corespunzatoare a consumului specific.

Utilizarea grupurilor binare in transportul feroviar ar permite functionarea locomotivelor cu randamente acceptabile la toate regimurile; grupurile binare pot furniza efort de tractiune suplimentar, necesar in transportul greu de marfa, dar pot furniza si putere suplimentara, necesara tractarii trenurilor grele. In cazul in care necesarul de putere este sub 33% din puterea maxima pe care o poate furniza turbina cu gaze, randamentul grupului binar scade foarte mult, facand mai avantajoasa functionarea doar a TMA. In aceasta situatie gazul natural este ars doar in cazanul grupului, care nu mai joaca rol de recuperator. Acest regim de functionare corespunde situatiei in care locomotiva tracteaza o incarcatura usoara. O alta situatie ce poate fi intalnita este cea in care locomotiva tracteaza o incarcatura foarte grea intr-o zona cu restrictie de viteza. In acest caz este nevoie de o putere redusa (turbina cu gaze oprita / turbina cu abur in functiune) si de un efort mare de tractiune.

Dezvoltarea instalatiilor energetice cu abur se va face simtita si in domeniul locomotivelor cu ciclu combinat. Realizari precum unitatile mobile de purificare si tratare chimica a apei vor permite reducerea pierderilor de apa la jumatatea valorilor actuale.

In prezent se fac cercetari in domeniul reutilizarii aburului si se testeaza ventilele racite multiple, de destindere, pentru transformarea aburului evacuat in apa fierbinte, care sa fie apoi racita intr-un radiator. Scopul acestor cercetari este largirea domeniului de functionare al locomotivelor cu ciclu combinat [85].

Randamentul global

TMG functionand pe gaz natural sunt un potential concurent al motoarelor cu piston. Randamentele TMG regenerative cu gaze sunt aproape egale cu cele ale motoarelor diesel moderne si prezinta, fata de acestea, unele avantaje majore: cheltuieli reduse pentru ungere si racire, functioneaza o perioada foarte lunga de timp fara a necesita reparatii si au o durata de viata mai lunga. Comparativ cu motoarele diesel, TMG sunt mult mai usor de adaptat functionarii in cadrul unui grup binar, datorita gabaritului mai redus, temperaturii gazelor de ardere evacuate mai ridicate si coeficientului de exces de aer al gazelor de ardere care face posibila realizarea postarderii si, deci, functionarea in regimuri de fortaj. Randamentul global al unui grup binar de tractiune feroviara, avand TMG pe gaz natural (COGAS), se estimeaza a fi de aproximativ 50%.

3      Grupuri binare pentru propulsia autovehiculelor grele si a automobilelor

In momentul de fata, grupurile binare pot fi privite ca o posibila alternativa a motoarelor cu piston, pentru propulsarea vehiculelor terestre. Aceasta perspectiva se sprijina pe urmatoarele avantaje oferite de instalatiile binare:

gama larga de combustibili utilizati (motoare policarburante);

pornire usoara pe timp rece;

functionare mai buna in conditii climaterice extreme;

o caracteristica de cuplu practic identica celei oferite de motorul electric de curent continuu serie, din care rezulta o simplificare a conducerii autovehiculului respectiv;

posibilitatea unui control mai eficient al procesului de ardere, care se desfasoara in regim permanent, pe o perioada de timp mai lunga si in spatii mai mari, cu efectele corespunzatoare asupra poluarii;

consumuri mai mici de combustibil (randamente mai ridicate) decat ale motoarelor cu piston.

Aceste avantaje sunt contracarate de o serie de dezavantaje dintre care citam:

o tehnologie mai pretentioasa;

durata mare de amortizare a investitiilor impuse de schimbarea tehnologiilor de fabricatie;

consum de apa;

gabarit mai ridicat decat al motoarelor cu piston, datorat schimbatoarelor cu suprafete mari de schimb de caldura (condensatorul si cazanul recuperator).

Principalul dezavantaj al grupurilor binare, in perspectiva utilizarii acestora pe vehicule, este prezenta instalatiei de condensare. Suprafetele de schimb de caldura ale acesteia sunt mari, fapt ce determina cresterea gabaritului instalatiei. Acest dezavantaj constituie un impediment major in special in cazul automobilelor. Gasirea unei solutii pentru automobile echivaleaza cu rezolvarea problemei utilizarii grupurilor binare pentru intregul domeniu al transporturilor.

In randamentul global al unui grup binar ponderea cea mai mare o are randamentul ciclului cu gaze. Ca si in cazul unui grup industrial, pentru aututurisme, TMA ar avea rolul sa reduca cat mai mult temperatura gazelor evacuate, principala sursa de energie fiind TMG. Pentru acest circuit ar putea fi folositi si alti agenti, potriviti pentru temperaturi coborate (de exemplu NH₃, freoni etc.), ceea ce ar permite reducerea gabaritului turbinei cu vapori.

Solutiile ce pot fi adoptate pentru transmisia de la motor la sistemul de propulsie cu grup binar sunt cele utilizate in cazul instalatiilor cu turbina cu gaze. Acestea din urma utilizeaza atat sisteme mecanice cat si sisteme hidraulice sau transmisia integral electrica [81]. In acest sens pot fi citate realizarile firmei VOLVO [63] precum si automobilul de curse "Patriot" realizat de firma Crysler [71]. Solutia integral electrica este foarte atragatoare, deoarece prezinta o serie de avantaje majore din care putem cita, pe langa simplificarea conducerii vehicolului, faptul ca ofera cea mai buna caracteristica de cuplu, permite frana de motor si eventual recuperarea partiala a energiei de franare prin incarcarea unui acumulator [63].

In [81] si [82] este propusa schema unui automobil avand ca sistem de propulsie un grup binar gaze de ardere - abur si transmisie electrica asistata de acumulatori. Componentele grupului sunt amplasate in doua zone: inaintea puntii din fata (instalatia cu abur) si dupa puntea din spate (instalatia cu gaze). Pentru condensare s-a optat pentru schema Heller, deoarece permite o constructie mai putin pretentioasa pentru radiatorul de apa (nu exista pericol de subracire sau de aparitie a peliculei de condens in interiorul tevilor). Radiatorul este racit cu aer antrenat de unul sau mai multe ventilatoare. Recuperatorul incadrat in aceasta schema este un recuperator cu functie dubla, el servind si ca sursa calda pentru circuitul cu abur. In schema propusa, TMG este prevazut cu recuperator gaze de ardere/aer. Prin urmare, circuitul cu abur, singurul capabil sa scada temperatura gazelor sub temperatura de iesire a aerului din compresorul TMG, preia o cantitate mai mica de caldura din gazele de ardere. Din punct de vedere termodinamic, avantaj poate fi acelasi in ambele variante (cu/fara recuperator), insa din punct de vedere al greutatii si gabaritului avantajul este de partea variantei fara recuperator. Recuperatorul, ce complica in fond circuitul gazodinamic al TMG, permite controlul valorii suprafetelor de vaporizare si ofera in acest fel un oarecare grad de libertate in alegerea solutiei optime.

O propunere de grup binar pentru propulsia transportoarelor de mare tonaj si de mare viteza este facuta in [20]. Sistemul de propulsie propus ar urma sa dezvolte o putere de 2,7 MW, care ar permite transportorului atingerea unei viteze maxime de 200 km/h. Randamentul global al grupului binar se estimeaza a fi 45%. Sistemul de propulsie are la baza un TMG de tip Pratt Whitney ST-18, avand urmatorii parametrii caracteristici [91]:

Puterea dezvoltata                    - 1,8 MW

Consumul specific de combustibil                              - 0,291 kg/kW h

Raportul de comprimare           - 13,7

Debitul de aer vehiculat de compresor                      - 17,7 kg/s

Turatia                                        - 18900 RPM

Temperatura gazelor evacuate - 813 K

TMG si generatorul electric al sistemului sunt cuplate prin intermediul unui reductor. Turbina cu abur, cu doua trepte de presiune si generatorul electric sunt cuplate direct deoarece functioneaza la aceeasi turatie (aproximativ 6000 RPM). Ca si in cazul sistemului de propulsie prezentat anterior, transportorul este prevazut cu transmisie electrica asistata de acumulatori.