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03/03/2009 CENTRALES ELECTRICAS 1
ARREGLOS BÁSICOS EN
LAS TURBINAS DE GAS.
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Particularidades:
1.- Las centrales con turbinas de gas tienen la ventaja
de que su grado de contaminación atmosférico es
mucho menor que el de las centrales termoeléctricas.
2.- Debido a su baja inercia térmica se utilizan como
centrales de punta o como centrales de reserva, es
decir para sustituir parcial o totalmente a las centrales
hidráulicas o térmicas de base en el caso de escasez
de agua o de avería.
TURBINAS DE GAS.
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3.- Para centrales de punta y potencias unitarias de 10
a 25 MW son mas convenientes las centrales térmica
de gas que las centrales térmicas de vapor o que las
centrales de grupo motor-diesel.
4.- Para potencias inferiores a los 10 MW se ha de
descartar por razones económicas las centrales de
vapor, siendo las dos soluciones restantes
equivalentes.
TURBINAS DE GAS.
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ARREGLOS BÁSICOS PARA
TURBINAS DE GAS.
1. CICLO SENCILLO O ABIERTO.
2. CICLO REGENERATIVO.
3. ENFRIAMIENTO DE AIRE-ENTRADA.
4. CICLO CON RECALENTAMIENTO.
5. CICLO COMBINADO.
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1. TURBINA DE GAS EN
CICLO ABIERTO.
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1. TURBINA DE GAS EN
CICLO ABIERTO.
En el ciclo no regenerativo de una turbina de gas o
ciclo Brayton, los gases de escape de la turbina
salen a elevada temperatura y ceden a la atmósfera
una gran cantidad de calor.
Cuando se emplea el ciclo regenerativo, se trata de
recuperar este calor para calentar el aire que sale
del compresor y entra a la cámara de combustión
con lo que se mejora el rendimiento del ciclo y se
ahorra combustible.
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Diagrama T-S del ciclo termodinámico para una
Turbina de gas con regeneración.
En ocasiones se presenta que la temperatura de los
gases a la salida de la turbina en un ciclo de Brayton
simple es mayor que la temperatura del aire a la
salida del compresor.
El ciclo regenerativo aprovecha esta diferencia de
temperaturas para transferir en un regenerador o
intercambiador de calor, energía térmica de los
gases que salen de la turbina, al aire que sale del
compresor.
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La energía térmica en el escape del aire de una turbina operada por gas puede aprovecharse en un intercambio de calor con el aire que entra, reduciendo así la cantidad de calor que se necesitaria agregar.
Esto podría dar como resultado ahorros apreciables del combustible.
La técnica para extraer energía térmica del escape y reducirla en la etapa motriz se llama calentamiento regenerativo.
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ESQUEMA DE UNA TURBINA A GAS DE CICLO ABIERTO TIPO REGENERATIVO
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CICLO REGENERATIVO DE UNA TURBINA DE GAS CON DOS ETAPAS DE COMPRESIÓN Y REFRIGERACIÓN INTERMEDIA.
3. ENFRIAMIENTO DEL AIRE.
El aire de admisión a una turbina puede ser enfriado mediante un sistema apropiado.
Las principales ventajas que se obtienen al enfriar el aire en la succión del compresor son:
Mejoramiento en la potencia de salida.
Disminución del consumo térmico específico en ciclo simple y ciclo combinado.
Disminución en las emisiones debido al mejoramiento en la eficiencia total.
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3. ENFRIAMIENTO DEL AIRE.
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TIPOS DE ENFRIADOR PARA EL AIRE DE ENTRADA:
ENFRIADOR EVAPORATIVO.
SISTEMA DE NIEBLA (FOGGING SYSTEM).
COMPRESIÓN HÚMEDA (WET COMPRESSION).
REFRIGERACIÓN MECÁNICA / ABSORCIÓN.
ENFRIAMIENTO DEL AIRE.
ENFRIAMIENTO DEL AIRE.
Los parámetros que se toman en cuenta para seleccionar el tipo de sistema de enfriamiento más conveniente incluyen:
Tipo de turbina.
Condiciones climáticas.
Las horas de operación de la turbina.
La relación entre flujo másico y potencia Generada.
El precio de la energía en el mercado.
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ENFRIADOR EVAPORATIVO.
Este sistema reduce la temperatura de una corriente de aire a través de la evaporación de agua.
Es aplicable en lugares donde el aire es cálido y es más efectivo en ambientes secos.
El enfriamiento se logra haciendo pasar el aire a través de un filtro por el cual se deja que escurra el agua.
Debido a la baja humedad relativa del ambiente, parte del agua líquida se evapora.
La energía del proceso de evaporación viene de la corriente de aire, por lo que este se enfría.
Un enfriador evaporativo incrementa la humedad relativa hasta valores alrededor del 85%.
La capacidad de enfriamiento de este sistema esta limitada por la diferencia entre las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo del ambiente.
Sus ventajas son sus bajos costos iniciales y su facilidad de operación.
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ENFRIADOR EVAPORATIVO.
SISTEMA DE NIEBLA (FOGGING SYSTEM).
Este sistema trabaja con el mismo principio del
enfriador evaporativo, pero en lugar del filtro usa
billones de micro gotas de agua atomizada para el
intercambio de energía.
Es posible alcanzar disminuciones en la temperatura
del aire de hasta 20 F.
En el sistema “Fogging” se eleva la humedad del aire
hasta aproximadamente el 100%.
Sus costos de capital son comparativamente bajos y
su operación no es compleja.
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SISTEMA DE NIEBLA (FOGGING SYSTEM).
COMPRESIÓN HÚMEDA
(WET COMPRESSION).
La compresión húmeda proporciona un método económico para producir un aumento significativo en la capacidad de generación de una turbina de gas.
Esta compuesta por:
Un sistema de atomización y rocío.
Modificaciones en la lógica de control de la turbina de gas.
Cambios adicionales en algunos componentes, a fin de hacerlos mas seguros y confiables.
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El incremento en la potencia viene de una combinación por los efectos de: Un enfriamiento evaporativo.
Un incremento en el flujo másico.
Una reducción en el trabajo del compresor debida a un inter-enfriamiento en las primeras etapas del mismo.
Los incrementos de potencia logrados con este sistema oscilan entre el 10 y el 25%.
Los resultados son más confiables que los alcanzados por enfriadores evaporativos y sistemas de niebla, ya que no dependen de la humedad relativa del medio ambiente.
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COMPRESIÓN HÚMEDA
(WET COMPRESSION).
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COMPRESIÓN HÚMEDA
(WET COMPRESSION).
ENFRIAMIENTO POR REFRIGERACIÓN.
Este sistema es capaz de mantener una temperatura
del aire tan baja como se desee, sin importar las
condiciones ambientales.
Emplea un sistema de refrigeración mecánica para
lograr su cometido.
Dado lo anterior presenta algunas desventajas como
lo son: Alto consumo de energía de auxiliares.
Alta complejidad.
Alto costo inicial
Requiere grandes espacios.
En algunos casos no es económicamente viable.
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REFRIGERACIÓN MECÁNICA.
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REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN.
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4. TURBINAS DE GAS CON
DOBLE RECALENTAMIENTO
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CICLO PARA TURBINA DE GAS CON
RECALENTAMIENTO INTERMEDIO.
La expansión de los gases en el ciclo Brayton puede configurarse de tal forma que se realice en dos etapas.
La primera expansión ocurre en lo que se conoce como turbina de alta presión (HP) o turbina del compresor (CT) acoplada al compresor mediante un eje.
Todo el trabajo desarrollado por la turbina de alta presión es consumido por el compresor.
La segunda expansión tiene lugar en la turbina de baja presión (LP) o turbina de potencia (PT) acoplada a un eje diferente al de la turbina del compresor.
La segunda etapa produce el trabajo neto que puede ser aprovechado en varias aplicaciones.
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CICLO PARA TURBINA DE GAS CON
RECALENTAMIENTO INTERMEDIO.
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En el ciclo con recalentamiento se instala una segunda cámara
de combustión a la salida de la turbina de alta presión para
elevar la temperatura de los gases que entran a la turbina de
baja presión.
CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO.
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El trabajo neto desarrollado por cada unidad de masa de gas en el ciclo es el trabajo desarrollado por la turbina de baja presión e igual a:
CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO.
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A pesar de que hay un incremento en el trabajo neto desarrollado en el ciclo con recalentamiento por cada unidad de masa de gas, una cantidad de calor adicional debe suministrarse al sistema para elevar la temperatura de los gases que salen de la turbina de alta presión.
CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO.
CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO.
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Para recuperar parte de la energía calorífica de los gases de escape de la turbina de gas, éstos se pueden utilizar para recalentar el agua de alimentación de una caldera, representado el ahorro de los recuperadores de la turbina de vapor.
O combinar el funcionamiento de ambos tipos de recuperadores, de modo que cuando la turbina de gas esté parada funcionen los recuperadores de la turbina de vapor o viceversa.
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También podrían utilizarse los gases de combustión de la turbina de gas para calentar el aire de combustión de la caldera.
Es decir, lo que se pretende con el ciclo combinado o ciclo mixto gas-vapor es utilizar de la mejor manera posible las características favorables de los dos sistemas:
La mayor versatilidad del turbogenerador a gas.
El mayor rendimiento del turbogenerador a vapor.
03/03/2009 38 CENTRALES ELECTRICAS