thumb|upright=1.65|Gateway Generating Station, o termocentrală cu ciclu combinat abur–gaz de 530 MW în Comitatul Contra Costa, California
O termocentrală cu ciclu combinat este un ansamblu de mașini termice care funcționează împreună pe baza aceleiași surse de căldură, transformând-o în energie mecanică. Staționară, atunci când este utilizată pentru generarea electricității, cel mai comun tip este centrala cu ciclu combinat abur–gaz, care este un tip de termocentrală pe gaz. Același principiu este utilizat și în propulsia navală. Combinarea a două sau mai multe cicluri termodinamice îmbunătățește randamentul termic general al centralei, ceea ce reduce costurile cu combustibilul.
Principiul este că, după ce se execută ciclul de temperatură înaltă în prima mașină (de obicei o turbină cu gaze), agentul de lucru (gazele de ardere evacuate) este încă suficient de cald pentru ca ulterior o a doua mașină termică să poată extrage energie din el în ciclul de temperatură joasă. De obicei căldura trece printr-un schimbător de căldură, astfel încât cele două mașini pot utiliza agenți de lucru diferiți.
Prin generarea de energie în mai multe cicluri, randamentul general poate fi crescut cu aproximativ 50–60 %. Adică, de la un randament general de c. 43 % pentru un ciclu simplu, până la 64 % la ciclul combinat complet.
Centralele cu ciclu combinat cu turbine cu gaze (CCGT) au avantaje atât pentru generarea de energie electrică, cât și pentru propulsia navală. Ciclul turbinei cu gaze adesea poate porni foarte repede, ceea ce oferă energie imediat. Acest lucru evită necesitatea unor centrale de rezervă separate și costisitoare sau permite manevrarea unei nave. În timp, ciclul secundar cu abur va porni și el, îmbunătățind eficiența utilizării combustibilului și furnizând energie suplimentară.
În noiembrie 2013 (ISE) a evaluat pentru centralele electrice noi construite în Germania. Acesta a indicat costuri de 78–100 €/MWh pentru centralele CCGT pe gaze naturale. În plus, costul de capital al energiei electrice obținută din ciclul combinat este relativ scăzut, de aproximativ 1000 $/kW, ceea ce o face una dintre cele mai ieftine tipuri de instalații de generare.
Cicluri istorice Ciclurile combinate care au avut succes din punct de vedere istoric au utilizat pentru ciclul de temperatură înaltă turbine cu vapori de mercur, generatoare magnetohidrodinamice și pile de combustie cu carbonat topit, cu centrale cu abur pentru ciclul de temperatură joasă. Încă un ciclu, la temperatură foarte joasă, ar fi fost prea costisitor din cauza dimensiunilor foarte mari ale echipamentelor necesare pentru a gestiona debitele masice mari și diferențele de temperatură mici. În climatele reci este uzual și eficient să se vândă apa caldă din termocentrală în regim de termoficare, pentru a produce apă caldă menajeră și încălzirea spațiilor. Conductele izolate în vid pot permite acestei utilități să ajungă până la 90 km.
În centralele electrice staționare și navale un ciclu combinat obișnuit are o turbină cu gaze mare (care funcționează pe baza ciclului Brayton). Gazele fierbinți evacuate din turbină sunt folosite ca sursă de căldură într-o termocentrală cu abur (care funcționează pe baza ciclului Rankine). Aceasta este o „centrală cu ciclu combinat cu turbină cu gaze” (CCTG). Acestea ating un randament termic real de aproximativ 64 % la funcționarea în regim de bază. O termocentrală cu abur cu ciclu unic este limitată la randamente de 35–42 %. Multe centrale electrice noi utilizează CCTG pe gaze naturale sau gaz de sinteză din cărbune. Navele ard păcură.
Principiul ciclului combinat simplu thumb|Ciclurile la temperatură înaltă („de sus”), respectiv joasă („de jos”), reprezentate într-o diagramă T-s Un ciclu termodinamic combinat simplu constă din două cicluri termodinamice realizate în termocentrală. Unul este ciclul Brayton, care este un ciclu al unei turbine cu gaze („ciclul pe gaz”), iar celălalt este ciclul Rankine, care este un ciclu al unei turbine cu abur („ciclul pe abur”). În imaginea alăturată ciclul pe gaz este ciclul 1–2–3–4–1 (ciclul „de sus”). Acesta descrie procesul de obținere a lucrului mecanic care are loc în ciclul la temperatură înaltă.
Ciclul a–b–c–d–e–f–a este ciclul pe abur (ciclul „de jos”), care are loc la o temperatură mai scăzută. Recuperarea căldurii din gazele evacuate din turbina cu gaze și transmiterea ei la apă și abur are loc într-un cazan recuperator din ciclul de jos. În timpul procesului la presiune constantă 4–1 gazele evacuate din turbina cu gaze cedează căldura, din care o parte este absorbită de apă, aburul umed și aburul supraîncălzit în procesele a–b, b–c și, respectiv, c–d.
Generatoare de abur thumb|Diagramă T-h cu modul de transmitere a căldurii la apă și abur în zonele economizor, vaporizator și supraîncăzitor ale generatorului de abur Partea pe abur din termocentrală preia căldura care intră în ciclul de jos din gazele evacuate la temperatură înaltă de turbină cu gaze din ciclul de sus. Aburul generat astfel este utilizat pentru a acționa o turbină cu abur. Cazanul recuperator al căldurii reziduale are trei zone: economizor, vaporizator și supraîncălzitor, dispuse în așa fel încât temperatura gazelor să fie întotdeauna mai mare ca temperatura apei sau aburului din zona respectivă.
Ciclul Cheng Ciclul Cheng este o formă simplificată de ciclu combinat în care turbina cu abur este eliminată, aburul fiind injectat direct în camera de ardere a turbinei cu gaze. Acest ciclu este utilizat de la mijlocul anilor 1970 și permite recuperarea căldurii evacuate din turbina cu gaze cu o complexitate tehnică mai mică, dar renunțând la redundanța unui sistem cu ciclu combinat clasic și realizând puteri mai mici. Nu are turbină cu abur, prin urmare, nu poate fi utilizat ca centrală de vârf sau în rezervă. Ciclul este numit după profesorul american Dah Yu Cheng, care l-a brevetat în 1976.
Principii de design thumb|Animație cu funcționarea în principiu a unei termocentrale cu ciclu combinat. Fiecare turbină antrenează un alt generator electric. thumb|Schema de principiu a unei termocentrale cu ciclu combinat. Legendă:1 - generatoare electrice2 - turbină cu abur3 - condensator4 - pompă5 - cazan recuperator6 - turbină cu gaze Randamentul unei mașini termice, adică fracțiunea de energie termică de la intrare care poate fi transformată în lucru mecanic util, este limitată de diferența de temperatură dintre căldura care intră în mașină și căldura evacuată din mașină.
Într-o termocentrală agentul de lucru este apa. Aburul de înaltă presiune necesită componente rezistente și voluminoase. Temperaturile ridicate necesită aliaje înalt aliate cu nichel și cobalt („oțeluri austenitice”), care sunt scumpe, în loc de oțel ieftin. Chiar și pentru aceste aliaje temperaturile aburului sunt limitate la 655 °C, în timp ce temperatura cea mai scăzută a unei centrale cu abur este stabilită de temperatura apei de răcire a condensatorului. Cu aceste limite, o termocentrală pe abur are un randament maxim de 35–42 %.
Ciclul deschis al unei turbine cu gaze este realizat de un compresor, o cameră de ardere și o turbină. Pentru turbinele cu gaze, partea de metal care trebuie să reziste la temperaturi și presiuni ridicate este mică, astfel încât se pot utiliza cantități mai mici de materiale scumpe. În acest tip de ciclu, temperatura la intrarea în turbină (temperatura de ardere) este relativ ridicată, de 900–1400 °C. Temperatura de ieșire a gazelor din turbină este și ea destul de ridicată, de 450–650 °C. Această temperatură este suficient de ridicată pentru a furniza căldură pentru un al doilea ciclu, care folosește abur ca agent de lucru (un ciclu Rankine).
Într-o termocentrală cu ciclu combinat căldura din gazele evacuate din turbina cu gaze este utilizată pentru a genera abur prin trecerea acestuia printr-un generator de abur recuperator, care realizează o temperatură a aburului viu de 450–540 °C. Condensatorul din ciclul Rankine este de obicei răcit cu apă dintr-un lac, râu, o mare sau din turnuri de răcire. Apa cu cea mai scăzută temperatură disponibilă este cea a râurilor reci, de 15 °C.
Dimensiuni tipice Dimensiunea instalației este un factor important în costul total. Instalațiile mai mari beneficiază de economii de scară (cost inițial mai mic per putere produsă) și de un randament mai bun.
Pentru producerea de energie pe scară mare, un grup tipic ar fi o turbină cu gaze primară de 270 MW cuplată cu o turbină cu abur secundară de 130 MW, furnizând o putere totală de 400 MW. O termocentrală tipică ar putea fi formată din unul până la șase astfel de grupuri.
Turbinele cu gaze pentru generarea de energie pe scară mare sunt fabricate de cel puțin patru grupuri separate: General Electric, Siemens, Mitsubishi–Hitachi și Ansaldo Energia. Aceste grupuri proiectează, testează și comercializează și turbine cu gaze de peste 300 MW (pentru aplicații la 60 Hz) și 400 MW (pentru aplicații la 50 Hz). Unitățile cu ciclu combinat sunt alcătuite dintr-una sau mai multe astfel de turbine cu gaze, fiecare cu un generator de abur recuperator, configurat pentru a furniza abur uneia sau mai multor turbine cu abur, formând astfel un bloc cu ciclu combinat. Dimensiunile blocurilor cu ciclu combinat oferite de trei mari producători (Alstom, General Electric și Siemens) pot varia de la 50 MW la peste 1300 MW, cu costuri care se apropie de 670 USD/kW.
Cazanul recuperator Cazanul recuperator al căldurii este poziția 5 din imaginea de mai sus. Gazele fierbinți evacuate din turbina cu gaze intră în supraîncălzitor, apoi trec prin vaporizator și, în final, prin economizor, pe măsură ce ies din cazan. Apa de alimentare intră în cazan prin economizor, trece prin vaporizator și supraîncălzitor. Dacă temperatura gazelor care intră în cazanul de recuperare a căldurii este mai mare, atunci și temperatura gazelor care ies este mai ridicată.
Cazan cu două presiuni
Pentru a recupera cât mai multă căldură din gazele evacuate din turbina ciclului de temperatură înaltă, într-o diagramă a temperaturilor diferențele de temperatură dintre gazele de ardere și apa/aburul trebuie să fie cât mai mici. În acest scop adesea se folosesc cazane cu două circuite de apă/abur care lucrează la presiuni diferite. Apa, pompată din condensator, intră în tamburul de joasă presiune prin economizatorul de joasă presiune (EC1). Aburul de joasă presiune este generat în vaporizatorul (EV1), aflat în zona de temperatură joasă a gazelor de evacuare din turbina cu gaze. Acest abur este introdus în partea de joasă presiune a turbinei cu abur. În circuitul de joasă presiune al cazanului poate fi prevăzut un supraîncălzitor (nu este figurat în schema din imaginea alăturată, dar efectul său apare în diagrama temperaturilor).
O parte din apa de alimentare a zonei de joasă presiune este preluată din tamburul de joasă presiune la temperatura de saturație a apei din partea de joasă presiune a cazanului și, cu o pompă (nefigurată în imagine), alimentează partea de înaltă presiune. Această apă intră în tamburul de înaltă presiune prin economizorul de înaltă presiune (EC2) și este vaporizată în vaporizatorul de înaltă presiune (EV2). Aburul rezultat este supraîncălzit în supraîncălzitor (SH) și alimentează partea de înaltă presiune a turbinei cu abur.
Ardere suplimentară