Análisis termodinámico de un ciclo simple de turbina de gas

Resumen

La Turbina de gas es base de la generación eléctrica a nivel mundial, este documento se centra en la investigación de la obtención de los modelos matemáticos de las relaciones de presiones óptimas del ciclo simple de la turbina de gas para obtener el máximo trabajo y la máxima eficiencia térmica. Se presentan curvas donde se muestran las relaciones de presiones óptimas para obtener el trabajo motor y eficiencia térmica máxima y la influencia que tiene la caída de presión en los componentes que conforman la turbina de gas. La relación de presiones óptimas para obtener el trabajo motor máximo se encuentra entre 6.5 a 14 y para la eficiencia térmica máxima entre 12.4 y 38.6 con las condiciones de estudio. La influencia de la caída de presión en los componentes de la turbina de gas repercute negativamente en el trabajo motor y en la eficiencia térmica máxima.

Introducción

La generación de energía eléctrica es un factor determinante en el desarrollo de un país, en México en 2014, el consumo nacional de energía eléctrica se ubicó en 258,255 Gigawatt-hora (GWh), esto representó un incremento de 0.2% con respecto a 2013, en ese mismo año la capacidad efectiva de generación de energía eléctrica se ubicó en 54,379.3 Megawatt (MW), donde la tecnología de Ciclo Combinado contribuyó con 19,906.5 MW. La central de Ciclo Combinado está compuesta principalmente por la turbina de vapor y la turbina de gas, sin embargo la turbina de gas no solo ha sido utilizada para generación eléctrica sino también para impulsión mecánica, en la industria aeroespacial y en diversas aplicaciones industriales. Usualmente las turbinas de gas son diseñadas para operar con un combustible específico típicamente gas natural o diésel [1].

La turbina de gas es una máquina que convierte la energía térmica en trabajo mecánico, consiste de uno o varios compresores rotativos, un dispositivo térmico(s) que calienta el fluido de trabajo, una o varias turbinas, un sistema de control, y el equipo auxiliar esencial. Cualquier intercambiador de calor (excepto los intercambiadores de recuperación de calor de gases de escape) en el circuito principal del fluido de trabajo se considera como parte de la turbina de gas [2].

Las turbinas de gas son sistemas que operan a elevadas velocidades, temperaturas y presiones, esto lo convierte en un sistema complejo que requiere de un sistema de control, aunado a esto, están sometidas a largas jornadas de operación que producen pérdidas graduales en la capacidad de generación de potencia debido a varios factores, tales como fatiga térmica, ensuciamiento de los filtros de admisión de aire y en el compresor axial, pérdidas mecánicas no recuperables, etc. [3].

La importancia de operar con una relación óptima repercute en la en la economía de la generación de energía, la cual depende del costo del combustible, eficiencia y costo de mantenimiento; para reducir los costos de combustible la eficiencia de la turbina debe ser

maximizada, es decir una pequeña mejora puede ser vista como una gran cantidad de ahorro. Además el costo de mantenimiento y los costos por unidad de potencia ($/kW) pueden ser reducidos si el trabajo neto es incrementado [4]. El incremento de la eficiencia térmica depende de ciertos factores incluyendo cambios en algunos parámetros del ciclo como la relación de presión (π) y la temperatura a la entrada de la turbina (T3).

Hay un límite T3 debido a la metalurgia de los materiales y un límite en la relación de presiones del compresor a una velocidad fija. Las mejoras en las turbinas de gas se han alcanzado por medio de avances metalúrgicos que ha permitido la producción de componentes con mayores valores nominales de temperatura y tecnología de cómputo avanzada para optimizar el diseño, simulación y operación de turbinas de gas [5].

Para aumentar la eficiencia del ciclo simple dentro del rango permitido se añade componentes como intercoolers, regeneradores y recalentadores. Las mejoras en el rendimiento del ciclo provocado por estos componentes se justifican solamente si la disminución del costo de combustible compensa el incremento de costos de mantenimiento y costos iniciales [4,6].

En los ciclos complejos óptimos las relaciones de presiones máximas están entre 25 y 150, para arreglos los arreglos de [(Nc=3 y Nt=1), (Nc=2 y Nt=1) y (Nc=1 y Nt=1)], después de la relación de presiones óptima, la eficiencia disminuye al incrementar la relación de presiones [7].

La relación de presiones óptima para un ciclo regenerativo es cerca de 7 y para un ciclo simple es alrededor de 18 [8].

En este trabajo se obtiene los modelos matemáticos para un ciclo simple de turbina de gas con caída de presión en sus componentes del trabajo motor o útil, de la eficiencia térmica y de las relaciones de presiones óptimas para obtener el trabajo motor máximo y la eficiencia térmica máxima.

Los modelos matemáticos están en función de la eficiencia isoentrópica del compresor, de la eficiencia isoentrópica de la turbina, de la relación entre la temperatura a la entrada de la turbina (T3) y la del aire (T1) y de la suma total de la caída de presión entre sus componentes (ΔPc), se considera una Cp del aire constante e igual al Cp de los gases de combustión.

El objetivo es determinar cuáles son las relaciones de presiones óptimos del ciclo simple de la turbina de gas para obtener el trabajo útil máximo y eficiencia térmica máxima.

Metodología

La turbina de gas es una máquina motriz, la cual se compone principalmente de un compresor, una cámara de combustión y de una turbina de gas. El compresor se usa para aumentar la presión de aire antes de la combustión, en la cámara de combustión se mezcla el aire comprimido y el combustible suministrado a través de las boquillas, la turbina recibe los productos de la combustión los cuales impulsan los álabes, generando que el eje gire

impulsando al compresor y al generador. El ciclo termodinámico que modela los procesos de la turbina de gas es el ciclo Joule compuesto por los siguientes procesos:

1-2 Compresión politrópica 2-3 Suministro de calor a presión constante 3-4 Expansión politrópica 4-1 Rechazo de calor a presión constante

Figura 1. Turbina de gas simple Siemens SGT-100

En la Figura 2 se muestra el ciclo termodinámico de la turbina de gas en un diagrama de temperatura entropía con caídas de presión entre sus componentes, donde el suministro de calor (calentamiento) se realiza con caída de presión y el rechazo de calor (enfriamiento) con caídas de presión.

Figura 2. Diagrama T-s de la turbina de gas

Flecha

TurbinaCompresor

axial

Gases de

escape

Cámara de combustión

43

2

1

Suministro de aire

Temperatura

Entropía

2

1

3

4

1

2

34