Miguel
Capella Casto, David Vásquez
Santos
Índice
1.
Introducción
2.
Factores
que afectan a las prestaciones de las turbinas de gas
3.
Sistemas de
enfriamiento
4.
Alternativas
para recuperar la energía de los gases
5.
Conclusiones
6.
Referencias
Introducción
Para
modificar la
potencia de una
turbina de gas se deben alterar, principalmente, dos
parámetros: el flujo
másico que pasa a través de los álabes
de la turbina y la temperatura del
fluido de trabajo a la entrada del rotor.
Así mismo,
es posible
incrementar
la eficiencia y la potencia de un ciclo simple recuperando la
energía remanente
en los gases de escape mediante un recuperador de calor. Este equipo
produce
vapor que puede ser expandido en el mismo eje de la turbina de gas o en
otro
eje mediante una turbina de vapor.
Factores
que afectan el desempeño
de las turbinas de gas.
Dado que la
turbina de
gas es un
motor que respira aire del ambiente, su desempeño cambia con
cualquier cosa que
afecte el flujo de masa de aire de admisión al compresor, y
con mayor razón los
cambios en las condiciones de referencia de la
Internacional Standards
Organization (ISO) de 15ºC
(59ºF),
60% de humedad relativa
y 101.4 kPa (14.7 psia). Debido a esto, el desempeño de las
turbinas de gas
varía significativamente con las condiciones locales, y la
temperatura ambiente
es un factor determinante (1).
Si se
disminuye la
temperatura
ambiente, la capacidad y eficiencia de las turbinas de gas se
incrementan,
debido a que esta disminución induce un aumento en la
densidad del aire en la
succión del compresor y, para una velocidad constante del
mismo, esto se
traduce en un incremento en el flujo másico.
La presión
atmosférica tiene,
igualmente, un efecto importante sobre la capacidad de las turbinas de
gas,
aunque no sobre su eficiencia. Cuando la presión
atmosférica disminuye, la
densidad del aire baja, lo que, a su vez, reduce el flujo de masa hacia
la
turbina y, por tanto, su capacidad. De igual modo, el aire
húmedo, al ser más
denso que el aire seco, también afecta la
producción de potencia.
El tipo de
combustible
también
influye en el rendimiento. Es así como el gas produce
alrededor del 2 % más de
salida de potencia que los destilados del petróleo.
La figura 1
presenta
los
resultados
obtenidos de una prueba realizada a una unidad en ciclo combinado
compuesto por
una turbina de gas de 100 MW y una turbina de vapor de 50 MW, ubicado
en
Barranquilla, durante dos días (no consecutivos) que estuvo
operando con carga
base las 24 horas. En esta prueba se observó que por cada
grado Fahrenheit de
incremento en la temperatura del aire a la entrada del compresor, la
potencia
final de la turbina de combustión cayó en
promedio 0.54 MW el primer día y 0.41
MW el segundo. En la misma figura se observa también una
disminución casi
lineal en la potencia de salida con respecto al incremento en la
temperatura
ambiente.
Esta unidad
posee un
enfriador
evaporativo, por lo que las temperaturas señaladas en la
figura 1 no
corresponden a la temperatura ambiente de Barranquilla sino a la de
bulbo seco,
modificada por el enfriador, inmediatamente antes de la primera rueda
de álabes
del compresor.
Sistemas
de enfriamiento.
Los
parámetros que se
tienen en
cuenta para seleccionar el tipo de sistema de enfriamiento
más conveniente
incluyen: el tipo de turbina, las condiciones climáticas,
las horas de
operación de la turbina, la relación entre flujo
másico y potencia generada y
el precio de la energía en el mercado.
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 y disminución en las emisiones debido al
mejoramiento en la
eficiencia total.
- Enfriador
Evaporativo
Este sistema
reduce la
temperatura
de una corriente de aire a través de la
evaporación de agua y 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 éste se
enfría. Un enfriador evaporativo
incrementa la humedad relativa hasta valores alrededor del 85%.
La capacidad
de
enfriamiento de
este sistema está limitada por la diferencia entre las
temperaturas del bulbo
seco y bulbo húmedo del ambiente. Sus ventajas son sus bajos
costos iniciales y
su facilidad de operación.
- Sistema
de Niebla (Fogging System).
Este sistema
trabaja
con el mismo
principio del enfriador evaporativo, pero en lugar de un filtro usa
billones de
micro gotas de agua atomizada para el intercambio de
energía, y es posible
alcanzar disminuciones en la temperatura del aire de hasta 20ºF.
Este sistema eleva la
humedad relativa hasta el 100%.
La figura 3
muestra un
esquema de
este sistema y señala sus componentes. Sus costos de capital
son
comparativamente bajos y su operación no es compleja.
- 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. Incluye un sistema de
atomización y rocío,
modificaciones en la lógica de control de la turbina de gas
y cambios
adicionales en algunos componentes, a fin de hacerlos más
seguros y confiables.
El incremento en la potencia viene de una combinación de los
efectos de un
enfriamiento evaporativo, un incremento en el flujo másico y
una reducción en
el trabajo del compresor debida a un interenfriamiento en las primeras
etapas
del mismo. Los incrementos de potencia logrados con este sistema
oscilan entre
el 10% y el 25%, y son más confiables que los alcanzados por
enfriadores
evaporativos y sistemas de niebla, ya que no dependen de la humedad
relativa
del medio ambiente.
-
Refrigeración
Mecánica/Absorción
Este sistema
es capaz
de mantener
una temperatura del aire tan baja como se desee, sin importar las
condiciones
ambientales. Sus desventajas son: alto consumo de energía de
auxiliares, alta
complejidad, alto costo inicial y requiere grandes espacios. En algunos
casos
no es económicamente viable.
Alternativas
para recuperar la
energía remanente en los gases de escape.
Una forma de
llevar al
máximo la
recuperación de la energía en los gases de escape
mediante la producción de
vapor, consiste en utilizar un recuperador de calor que genere vapor a
múltiples niveles de presión. El vapor generado
es inyectado en una turbina de
vapor o en la cámara de combustión de la misma
turbina de gas. Las secciones de
transferencia de calor incluyen (i) economizadores, por los cuales
entra el
agua al recuperador, gracias a lo cual eleva su temperatura hasta 5ºC
(10ºF)
por debajo de la
temperatura de saturación del agua a la presión
que es bombeada; (ii)
evaporadores, donde el agua cambia de líquido comprimido a
vapor saturado, e
(iii) sobrecalentadotes, en los que el vapor gana calor para pasar de
vapor
saturado a vapor sobrecalentado. En la figura 7 se observa el esquema
de un
ciclo STIG con turbina de vapor en el que se detalla el interior del
recuperador de calor de dos niveles de presión.
- Turbinas
de gas en ciclo combinado*
La
configuración
más usada para
aumentar la potencia y eficiencia de una turbina de gas es el ciclo
combinado.
Este sistema utiliza un recuperador de calor generador de vapor
acoplado a la
salida de los gases de escape de la turbina para producir vapor que
será
expandido en una turbina de vapor. Los principales equipos que requiere
un
ciclo combinado son: una turbina de vapor, un condensador de
superficie, un
sistema de enfriamiento, un generador eléctrico adicional y
numerosos sistemas
auxiliares.
Una de las
mayores
desventajas
que
presentan los ciclos combinados es la alta inversión de
capital que implican.
Con el fin de salvar esta dificultad se han ideado ciclos de potencia
diferentes para recuperar la energía disponible en los gases
de escape de una
turbina de gas.
* En el
artículo
“Turbinas a gas:
tecnología competitiva en el mercado eléctrico
colombiano”, publicado en la
edición Nº 7 de esta revista, se expone
más ampliamente esta configuración.
- Ciclo
STIG (Steam Injected Gas Turbine System)
El ciclo STIG
proporciona una
alternativa
eficiente a un relativamente bajo costo para recuperar la
energía de los gases
de escape de una turbina de gas. Este sistema utiliza un recuperador de
calor
acoplado a la salida de los gases de escape de la turbina para generar
vapor
que será inyectado en la cámara de
combustión de la misma turbina de gas. El
propósito de esta configuración es incrementar el
flujo másico que pasa a
través de los álabes de la turbina, que son los
encargados de transmitir la
energía del fluido de trabajo, en este caso, la mezcla de
gases de combustión y
vapor sobrecalentado, al rotor.
La gran
cantidad de
agua
requerida
para la formación de vapor representa un problema
importante, debido a que no
hay recuperación del agua utilizada.
- Ciclo
STIG con turbina de vapor.
Este sistema
consta de
cuatro
pasos: (1) Se genera un primer flujo de vapor a una presión
A. (2) Se genera un
segundo flujo de vapor a una presión B, siendo B mayor que
A. (3) Se produce
potencia en un segundo eje por la expansión parcial de B
– en una turbina de
vapor- hasta los niveles de presión de A. (4) Finalmente, se
unen los dos
flujos de vapor, de presión A, y se inyectan en la
cámara de combustión de la
turbina de gas para incrementar su potencia de salida /2/.
En este
sistema, al
igual que en
el
ciclo STIG, no hay recuperación de agua utilizada para
generar el vapor.
- Ciclo
Cheng avanzado.
Este sistema
logra la
unión del
ciclo Brayton y el ciclo Ranking sin requerir de generador
eléctrico adicional,
condensador, turbina de vapor, torre de enfriamiento ni grandes
sistemas
auxiliares. El sistema Cheng opera como un carburador, en un motor de
gasolina,
al momento de inyectar vapor sobrecalentado dentro de la
cámara de combustión
de la turbina para alcanzar la
mayor eficiencia y potencia posibles. En esta técnica, la
combustión del gas
calienta la mezcla de aire y vapor a la temperatura de trabajo de la
turbina de
combustión y permite su operación a temperaturas
superiores a 1.450ºC
(2650ºF).
En consecuencia, el
incremento de potencia es debido no sólo al aumento del
flujo másico a través
de la máquina sino también a las elevadas
temperaturas de los gases a la
entrada del rotor de la turbina. En este proceso, el vapor trabaja
sinérgicamente con la mezcla aire-combustible, lo cual eleva
su potencia
térmica /3/.
El ciclo
Cheng provee
eficiencias
de ciclo combinado a costos de ciclo simple basándose en que
la eficiencia pico
del ciclo se logra a una única relación de flujo
másico entre el vapor
sobrecalentado y el aire comprimido en la cámara de
combustión. Es así como
este ciclo alcanza incrementos en la potencia de salida y la eficiencia
de
hasta el 80 y 40%, respectivamente. La tabla de abajo presenta las
capacidades
y eficiencias que se pueden alcanzar con dos modelos de turbina del
fabricante
Westinghouse, operando en condiciones ambientales similares, en
distintas
configuraciones.
El
ciclo Cheng es muy constante a
todos los niveles de temperatura ambiente, lo cual es una real ventaja
cuando
se opera en climas cálidos, pero presenta el mismo
inconveniente del ciclo
STIG, puesto que en este sistema tampoco hay recuperación
del agua utilizada
para la producción del vapor.
Las
diferencias entre
el sistema
tradicional de inyección de vapor y el moderno ciclo Cheng
consisten
básicamente en que este último inyecta mayores
cantidades de vapor, ya que no
sólo lo usa para incrementar la potencia de salida, sino
también para
reemplazar parte del aire de sangrado del compresor en la
misión de enfriar los
combustores. Además de esto, el sistema Cheng es aplicable
tanto en turbinas
que requieran ser repotenciadas como en turbinas modernas y de gran
capacidad.
CONCLUSIONES
-
Como
respuesta a las
exigentes
condiciones que impone el mercado eléctrico colombiano, los
generadores térmicos que operan turbinas de gas en ciclo
simple se ven en la obligación de buscar alternativas,
diferentes al costoso ciclo combinado, que les permitan permanecer
dentro de un mercado que ha demostrado aceptar sólo unidades
eficientes y competitivas. En atención a esta necesidad se
presentan los ciclos STIG y Cheng, que al incrementar el flujo
másico a través de los álabes de la
turbina logran aumentos considerables en la eficiencia y potencia de
los sistemas de producción de energía con
turbinas de gas.
-
El
aumento en el flujo
másico
a través de la turbina y la disminución del
trabajo demandado por el compresor, que se logran enfriando el aire en
la succión del mismo, además de incrementar la
potencia representan la alternativa más económica
para mejorar la eficiencia y la competitividad de las turbinas de gas.
Lo anterior teniendo en cuenta que con estos sistemas es posible
alcanzar incrementos en la potencia de salida alrededor del 20% con
inversiones de capital comparativamente bajas.
Referencias
- Manual
del ingeniero de planta,
Vol.2, capítulo 4. McGraw-Hill.
- Steam injected gas turbine system
with topping
steam turbine. Patent number 5,564,269. Oct. 15-1996.
http://patent.uspto.gov
-
“Superheated
steam
injection rivals
combined cycle power performance”. Artículo
publicado en la edición julio-agosto de 1998 de la revista
Gas Turbine World, p.12 a17.
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