Guia nº 3 centrales térmicas de gas
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    Guia nº 3 centrales térmicas de gas Guia nº 3 centrales térmicas de gas Document Transcript

    • GUIA Nº 3. CENTRALES TERMICAS A GAS. PROFESOR: ING. GREGORIO BERMUDEZ ASIGNATURA. GENERACION DE POTENCIA CENTRALES TÉRMICAS Las centrales térmicas son las que transforman energía térmica en energía mecánica, la cual a su vez produce electricidad mediante la rotación del rotor de un generador. Este tipo de centrales se puede clasificar por el tipo de turbina (vapor o gas) y por el tipo de combustible que utilizan. Los costos en que incurren las diferentes centrales se pueden clasificar en inversión y operación, y dentro de estos últimos: - costos fijos: que se refieren a personal, impuestos y seguros, - costos variables: principalmente el combustible, pero también mantenimiento, lubricantes y costo de partida entre otros. Las centrales que vamos a analizar para efecto de este trabajo serán las Turbo gas ciclo abierto y las Centrales a vapor, una pequeña descripción de cada una se presenta a continuación. 3.3.1.- CENTRALES TURBO GAS CICLO ABIERTO DIESEL/G.N. Este tipo de centrales se caracteriza por tener una turbina especialmente diseñada para transformar la combustión de un gas a alta presión en el movimiento de un eje solidario al rotor del generador, con la consiguiente generación de energía eléctrica. Un dibujo simplificado de los elementos que participan en el proceso que se lleva a cabo en este tipo de central se presenta en la figura 6. Figura 6: Turbina Ciclo abierto
    • Como se puede observar el compresor toma aire de la atmósfera, lo comprime y lo deposita en la cámara de combustión, donde al mismo tiempo se inyecta combustible y se provoca la combustión. Esta combustión provoca la rápida expansión de los gases, lo que hace mover la turbina y a través de ésta el eje del generador. Luego de este proceso el aire es devuelto a la atmósfera, por esta razón es llamada de “ciclo abierto”. El combustible que se utiliza para hacer la mezcla en la cámara de combustión es principalmente gas natural, pero en general se presenta la flexibilidad de utilizar diesel como sustituto. Al final, aproximadamente sólo un 34% de la energía térmica es transformada en energía eléctrica. Se han diferenciado dos mercados dentro de las turbinas de gas, basándose en las potencias: a) Turbinas de gas industriales de baja potencia (con una potencia inferior a 10-13 MW) b) Turbinas de gas industriales de alta potencia (con una potencia superior a los 10-13 MW). El costo de inversión en este tipo de centrales es bajo, con un costo unitario aproximado de 450 US$/kW en una central de 240 MW de potencia. 3.3.2.- CENTRAL TÉRMICA VAPOR CARBÓN Y/O GAS NATURAL Este tipo de centrales corresponde a las que obtienen la energía mecánica necesaria para mover el rotor del generador a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El agua es tomada por una bomba y depositada en la caldera a una alta presión. En este lugar el agua hierve debido al aumento de temperatura que provoca la quema del combustible. Luego, este vapor a alta presión se hace llegar a la turbina donde su expansión provoca el movimiento de ésta última. El vapor que ha sido utilizado se transforma en agua al pasar por un condensador y es tomado por la bomba para empezar nuevamente el ciclo. Un dibujo simplificado del proceso que se lleva a cabo en este tipo de centrales se puede ver en la figura 7.
    • Figura 7: Central térmica a vapor El costo de inversión en este tipo de centrales es alto, con un costo unitario aproximado de 1100 US$/kW en una central de 300 MW de potencia. 3.3.3.- CENTRAL DE CICLO COMBINADO Este tipo de centrales térmicas corresponden a las que tienen dos tipos diferentes de turbinas, a gas y de vapor. La idea de combinar estos dos tipos de tecnologías es la de aprovechar al máximo el combustible, o sea, aumentar la eficiencia del complejo en su totalidad. El funcionamiento de este tipo de centrales se puede esquematizar como en la siguiente figura:
    • Figura 8: Esquema Central Ciclo Combinado En la figura se observa que el gas que fue utilizado para hacer girar la turbina a gas sale a una alta temperatura de la cámara de combustión, por lo que es posible reutilizarlo para calentar el agua y transformarla en vapor, el cual se puede utilizar para hacer girar la segunda turbina, que es a vapor. La eficiencia de estas centrales es cercana al 55%, lo que explica porque es tan utilizada en generación térmica. El número de turbinas a gas por turbina de vapor en las centrales de ciclo combinado puede variar desde uno a cuatro, además de esto puede tener otras variantes como que la turbina de gas y de vapor tengan un solo eje solidario, o que por el contrario cada una tenga su propio eje. Una de las grandes ventajas de este tipo de centrales es que permiten ser construidas por parte, ya que la turbina a gas puede funcionar por sí sola, con lo que al momento de construir estas centrales puede construirse la turbina a gas, empezar a operar, y luego completar la construcción de la central de ciclo combinado agregándole la turbina a vapor. Para hacer una correcta evaluación de una central térmica es necesario tener una buena estimación de los costos, tanto en la etapa de construcción como en la etapa de operación. En cuanto a los costos de construcción, se debe tener en cuenta el precio de las turbinas y equipos necesarios para el buen funcionamiento de la central, incluyendo el terreno, líneas eléctricas, transformadores, etc. En los costos de operación, el costo más relevante es el del combustible, pero también existen costos fijos, costos de personal, costos de partida y de parada, costos de cambio entre estados o de setup. En relación al costo del
    • combustible hay que tener en cuenta la eficiencia de la central, y qué combustible se está utilizando, ya que en general las centrales térmicas pueden utilizar dos o más tipos de combustibles distintos. Flexibilidad en centrales térmicas: - Las pequeñas turbinas de gas (1-15 MW) compiten de forma efectiva con las grandes (de hasta 60 MW). Por lo tanto, las centrales multi-unidad ofrecen una flexibilidad que resulta ventajosa cuando los clientes tienen necesidades diversas de potencia. - La licencia para construir una central puede ser vista como una opción call sobre el valor de la central. - Puede existir la opción para posponer la construcción. - Los flujos de caja de la central dependen de la diferencia entre el precio de la electricidad y el precio del combustible, por lo que está la opción de producir o no producir electricidad dependiendo de los distintos precios que se presenten. Este punto se aplica principalmente a las centrales que operan en “punta”, ya que son las que corren riesgo de perder dinero en ese caso. En caso de no generar se debe comprar a precio spot a otra central para cumplir con sus contratos. - Existe la opción de utilizar distintos combustible. En nuestro caso se puede elegir entre diesel/GN y carbón/GN. - Está la opción de abandonar la central. Las turbinas son máquinas rotativas. En forma global se clasifican en tres grandes familias: • Las turbinas hidráulicas: son las más antiguas. Usan agua como fluido de trabajo. Sus antepasados directos son los molinos de agua. Hoy existen varios modelos básicos: Pelton, Francis y Kaplan (o hélice de paso variable). A estos modelos básicos se debe agregar la Mitchell- Banki que es muy utilizada en instalaciones de microhidráulica. La típica turbina hidráulica se usa en centrales de generación eléctrica sea centrales de pasada o centrales de embalse. • Las turbinas a vapor: en este caso el fluido de trabajo es vapor de agua (típicamente). Aunque también hay instancias en que se han
    • fabricado usando otro vapor de trabajo (Mercurio, Propano u otro). Las típicas turbinas de vapor se dividen en de acción y de reacción. La turbina a vapor típicamente se usan en centrales térmicas de generación eléctrica. Estos son sistemas de combustión externa (el calor se usa para calentar el fluido de trabajo en forma indirecta en caldera). • Las turbinas a gas: Son las más recientes. Si bien hay intentos de fabricarlas a inicios de este siglo, el primer ensayo exitoso es solo de 1937. Difieren de las anteriores en el sentido de que se realiza combustión dentro de la máquina. Por lo tanto el fluido de trabajo son gases de combustión (de allí su nombre). Si bien la turbina a gas es un motor de combustión interna y su ciclo tiene puntos en común con los ciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental. Se trata (igual que todas las turbinas) de máquina de funcionamiento continuo. Es decir, en régimen permanente cada elemento de ella está en condición estable. ANTECEDENTES BÁSICOS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO: Ciclo Utilizado: El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la figura T.1. en un diagrama p-V y uno T-S. En la figura T.2, se ilustra el ciclo en diagrama de bloques. Consta de las siguientes evoluciones: • En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime hasta 2 según una adiabática (idealmente sin roce, normalmente una politrópica con roce). o Luego el aire comprimido se introduce a una cámara de combustión. Allí se le agrega una cierta cantidad de combustible y este se quema. Al producirse la combustión se realiza la evolución 2-3. Típicamente esta es isobárica (o casi isobárica, pues se pierde un poco de presión por roce). Como a la cámara de combustión entra tanto fluido como el que sale, la presión casi no varía. La temperatura T3 es una temperatura crítica, pues corresponde a la mayor temperatura en el ciclo. Además también es la mayor presión. Por lo tanto los elementos sometidos a T3 serán los más solicitados.
    • • A continuación viene la expansión de los gases hasta la presión ambiente. Esta expansión la debemos dividir en dos fases. En la primera (de 3 a 3') el trabajo de expansión se recupera en una turbina que sirve para accionar el compresor. En la segunda fase (de 3' a 4) existen dos opciones: o Si entre 3' y 4 se instala una turbina, el trabajo de expansión se convierte en trabajo mecánico. Se trata de un turbopropulsor o lo que comúnmente se llama turbina a gas. o Si entre 3' y 4 se sigue con la expansión de los gases en una tobera, el trabajo de expansión se convierte en energía cinética en los gases. Esta energía cinética sirve para impulsar el motor. Se trata de un turboreactor o lo que comúnmente se llama un motor a reacción. • Finalmente los gases de combustión se evacúan a la atmósfera en 4. La evolución 4-1 es virtual y corresponde al enfriamiento de los gases hasta la temperatura ambiente. Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible realizarlo como ciclo cerrado. Es decir tener un fluido de trabajo que siga las evoluciones del ciclo. Entre 2 y 3 se le aporta calor externo y entre 4 y 1 se le extrae. También es posible realizarlo sin combustión interna, haciendo un aporte de calor entre 2 y 3. Esto se ha hecho en algunos motores solares en que se opera según un ciclo Brayton. Diagrama de Bloques: A continuación veremos como se visualiza el ciclo de Joule en un diagrama de bloques. Las componentes principales de la máquina son: • Un turbocompresor que toma el aire ambiente (a p1 y T1) y lo comprime hasta p2 (evolución 1 - 2). Este proceso se puede suponer adiabático. Idealmente es sin roce, pero en general es politrópica con roce. • Luego el aire comprimido a p2 pasa a la cámara de combustión. Allí se le agrega una cierta cantidad de combustible el que se quema. Al quemarse la mezcla, la temperatura de los gases sube hasta T3. La combustión es prácticamente isobárica (evolución 2 - 3). • A continuación los gases calientes y a alta
    • presión se expanden en la turbina T1. Esta Alternativa 1: Turbopropulsor turbina acciona el turbocompresor por medio de un eje. La expansión en la turbina es hasta las condiciones 3'. Idealmente es expansión adiabática sin roce, pero en general es politrópica con roce (evolución 3 - 3'). • Luego los gases de escape se siguen expandiendo a través de una segunda turbina de potencia hasta alcanzar la presión ambiente (p4, evolución 3' - 4).Esta turbina de potencia entrega trabajo al exterior. Típicamente el trabajo se usa para accionar un generador o bien otro mecanismo (hélice en el caso de aviones con turbopropulsor o aspas en un helicóptero). Este caso es similar al anterior hasta el punto 3'. La diferencia estriba en que de allí en adelante, la segunda turbina es reemplazada por una tobera. El potencial de presión de los gases de escape en 3' es convertido en energía cinética. Los gases salen a C4. Es decir el trabajo de expansión se convierte en energía cinética y los gases salen del motor a gran velocidad, produciendo un empuje por efecto del principio de acción y reacción. El caso se ilustra en la figura de al lado, la que representa un turboreactor de flujo simple. Esto quiere Alternativa 2: Turboreactor decir que todoel aire pasa por la cámara de combustión y turbina. Cogeneración Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de un único combustible. El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneración de electricidad calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas. No obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o residuos que se incineran. En un proceso de cogeneración, el calor se presenta en forma de vapor de agua a alta presión o en forma de agua caliente. Por ejemplo, se puede utilizar el vapor caliente que sale de una turbina de producción de energía eléctrica,
    • para suministrar energía para otros usos. Hasta hace poco lo usual era dejar que el vapor se enfriara, pero con esta técnica, con el calor que le queda al vapor se calienta agua para distintos usos. El aprovechamiento del calor residual, los sistemas de cogeneración presentan rendimientos globales del orden del 85%, lo que implica que el aprovechamiento simultáneo de electricidad y calor favorezca la obtención de elevados índices de ahorro energético, así como una disminución importante de la factura energética, sin alterar el proceso productivo, ahorro energético que se incrementa notablemente si se utilizan energías residuales. En una central eléctrica tradicional los humos salen directamente por la chimenea, mientras que en una planta de cogeneración los gases de escape se enfrían transmitiendo su energía a un circuito de agua caliente/vapor. Una vez enfriados los gases de escape pasan a la chimenea. Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un rendimiento energético del orden del 90%. El procedimiento es más ecológico, ya que durante la combustión el gas natural libera menos dióxido de carbono (CO2) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo o el carbón. El desarrollo de la cogeneración podría evitar la emisión de 127 millones de toneladas de CO2 en la UE en 2010 et de 258 millones de toneladas en 2020, ayudando a cumplir los objetivos fijados en el Protocolo de Kioto. La producción de electricidad por cogeneración representó en la UE en 1998 el 11% del total. Si se lograra aumentar hasta un 18%, el ahorro de energía podría llegar a ser del 3-4% del consumo bruto total de la UE. Además, son cada vez más numerosas las aplicaciones que se le está dando a esta técnica, tanto en usos industriales, como en hospitales, hoteles, etc. • VENTAJAS: o Ahorra energía y mejora la seguridad del abastecimiento. o Disminuye las pérdidas de la red eléctrica, especialmente porque las centrales de cogeneración se suelen situar próximas a los lugares de consumo o Aumenta la competencia entre los productores o Permite crear nuevas empresas
    • o Se adapta bien a las zonas aisladas o ultraperiféricas • SISTEMAS DE COGENERACIÓN Plantas con motores alternativos Utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes eléctricamente, pero son poco eficientes térmicamente. El sistema de recuperación térmica se diseña en función de los requisitos de la industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión (hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también adecuadas la producción de frío por absorción, bien a través del vapor generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple efecto. Plantas con turbinas de vapor En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del vapor de alta presión procedente de una caldera convencional. El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración. Actualmente su aplicación ha quedado prácticamente limitada como complemento para ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles residuales, como biomasa o residuos que se incineran. La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo que se denomina " Ciclo Combinado". Plantas con turbinas de gas En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un turbogenerador, cediendo parte de su energía para producir energía mecánica. Su rendimiento de conversión es inferior al de los motores alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una recuperación fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea para producir vapor en un generador de recuperación. Se diferencian 2 tipos de ciclos: (1) simple, cuando el vapor se produce a la presión de utilización del usuario; y (2) combinado, cuando el vapor se produce a alta presión y temperatura para su expansión previa en una turbina de vapor. • Ciclo simple Es la planta clásica de cogeneración y su aplicación es adecuada cuando los requisitos de vapor son importantes (>10 t/h), situación que se encuentra fácilmente en numerosas industrias (alimentación, química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y
    • económicamente rentables cuando están diseñadas para una aplicación determinada. El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, pues su economía está directamente ligada al mismo, ya que a diferencia de las plantas con motores alternativos el precio del calor recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas. • Ciclo combinado Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo simple y permite, por ello, mejorar la recuperación térmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuya recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda turbina de contrapresión. En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía. Por ello se requiere la existencia de experiencias previas e "imaginación responsable" para crear procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño. Una variante del ciclo combinado, es el ciclo combinado a condensación • Ciclo combinado a condensación Variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, se basa en procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran capacidad de regulación ante demandas de vapor muy variables. El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración consiste en evacuar gases a través del by-pass cuando la demanda de vapor es menor a la producción y utilizar la post-combustión cuando sucede lo contrario. Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptación a la demanda de vapor, debido a una importante bajada en el rendimiento de recuperación, ya que los gases de escapa mantienen prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ellos, las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes, y la planta deja de cumplir los requisitos de rendimiento. Por contra, un ciclo de contrapresión y condensación permite aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la
    • condensación del vapor que no puede usarse en el proceso, produciendo una cantidad adicional de electricidad. Trigeneración Se basa en la producción conjunta de calor, electricidad y frío. Una planta de trigeneración es similar a una de cogeneración, a la que se le ha añadido un sistema de absorción para la producción de frío. No obstante existen una serie de diferencias. La trigeneración, permite a la cogeneración, que inicialmente, no era posible en centros que no consumieran calor, acceder a centros que precisen frío que se produzca con electricidad. Facilita a la industria del sector alimentario ser cogeneradores potenciales. Asimismo, permite la utilización de cogeneración en el sector terciario (hoteles, hospitales, etc.) donde además de calor se requiere frío para climatización, y que debido a la estacionalidad de estos consumos (calor en invierno, frío en verano) impedía la normal operación de una planta de cogeneración clásica. Esta modalidad de cogeneración tiene más aplicaciones: • Aplicaciones de secado. Especialmente en industria cerámica que utilizada atomizadores. Son plantas muy simples y económicas, ya que los gases calientes generados por una turbina o un motor se utilizan directamente en el proceso de secado. • Aplicaciones en la industria textil. • Calefacción y refrigeración. • Aplicaciones para industrias medioambientales, como plantas depuradoras de tipo biológico, o de concentración de residuos o de secado de fangos, etc, al demandar calor son potencialmente cogeneradoras. En estas aplicaciones puede ser un factor importante para la reducción del coste de tratamiento de os residuos. Motor alternativo En los sistemas basados en motores alternativos, el elemento motriz es un motor de explosión. El calor recuperable se encuentra en forma de gases calientes y agua caliente ( Circuito Refrigeración ). Tipo Ventajas Desventajas Turbina de Amplia gama de gas aplicaciones Muy fiable Limitación en los combustibles Elevada temperatura de la energía térmica Rango desde 0,5 a 100 Tiempo de vida relativamente MW corto
    • Gases con alto contenido en oxígeno Rendimiento global muy alto Baja relación electricidad/calor Extremadamente segura Posibilidad de emplear Turbina de todo tipo de No permite alcanzar altas vapor combustibles potencias eléctricas Larga vida de servicio Amplia gama de potencias Pues en marcha lenta Coste elevado Elevada relación electricidad/calor Alto rendimiento Alto coste de mantenimiento eléctrico Motor alternativo Bajo coste Tiempo de vida largo Energía térmica muy Capacidad de distribuida y a baja adaptación a variaciones temperatura de la demanda