CAPITULO IIITURBINAS A GAS

ANTECEDENTES HISTRICOSLa Compaa General Electric comenz su divisin de turbinas de gas en 1903.

En 1914 Charles Curtis aplic para la primera patente en los Estados Unidos para una turbina de gas. Esta fue otorgada pero gener mucha controversia.

En los aos 30, tantos britnicos como alemanes disearon turbinas de gas para la propulsin de aviones.

1939 BBC desarrolla la primera turbina a combustin a gas para la generacin elctrica en el mundo.

En la dcada de los 50s y 60s se generaliz el uso de estas mquinas pero mayormente como unidades de reserva o stand by.

En los 70s y 80s se incrementa el uso de estas mquinas por sus mayores tamaos y eficiencias.

En los 90s y en la actualidad estas mquinas son las que ms se instalan en el mundo para fines de generacin elctrica.

ANTECEDENTES HISTRICOS EN EL PERUEn la dcada de los 60s se instala la Central Trmica Santa Rosa con tres turbinas BBC de 10, 10 y 20 MW respectivamente. Actualmente ya estn fuera de servicio.En la dcada de los 70s se instalaron varias turbinas: O3 turbinas a gas de 20 MW c/u en la C.T. Chimbote, 01 turbina a gas de 20 MW en la C.T. Trujillo, 03 turbinas a gas de 20 MW en la C.T. Cerro Verde y 03 turbinas a gas de 20 MW en la C.T. MalacasEn la dcada de los 80s y 90s se incorporan: 03 turbinas a gas en la C.T. Santa Rosa, 2 de 55 MW y una de 125 MW; 04 turbinas a gas en la C.T. Ventanilla, 2 de 100 MW y 2 de 165 MW, 01 turbina a gas de 20 MW en la C.T. Chilina, Arequipa, 02 turbinas a gas de 35 MW en la C.T. Mollendo,02 turbinas a gas de 35 MW en la C.T. Ilo, 01 turbina a gas de 85 MW en la C.T. Malacas y 03 turbinas a gas de 85 MW en la C.T. AguaytiaCon la llegada del gas de Camisea En EDEGEL: Se ha transformado las TGs (2x165 MW) de la C.T. Ventanilla a gas natural y luego se ha adecuado a Ciclo Combinado; en la C.T. Santa Rosa se han convertido a gas natural las 02 unidades UTI (2x55 MW) y la unidad Westinghouse de 125 MW; luego se ha instalado una TG de 195 MW a gas natural, actualmente se viene convirtiendo esta ltima a Ciclo Combinado.

En ENERSUR y KALLPA, se han instalado en c/u; 03 turbinas de 195 MW, de las cuales 02 se vienen convirtiendo a Ciclo Combinado.

A futuro se prev la instalacin de ms turbinas a gas, las mismas que se conciben mayormente a ciclo combinado.

ESQUEMA DE UNA CENTRAL TERMOELCTRICA A GAS DE CICLO SIMPLECOMPRESION COMBUSTIONENTRADA DE AIRECOMPRESORENTRADA DE COMBUSTIBLECAMARA DE COMBUSTIONTURBINA A GASSALIDA DE GASES EXPANSION

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA CON TURBINAS A GASTal como se muestra en la diapositiva anterior, una central con turbinas a gas (turbinas de combustin), tiene 3 componentes principales: Compresor, Cmara de Combustin (Combustor) y la Turbina a Gas.

El ciclo termodinmico en la que se basan estas turbinas es el CICLO BRAYTON, que est compuesto por cuatro procesos que se indican ms adelante.

En estas mquinas el aire que se toma del ambiente es comprimido en el compresor para luego ser conducido a la cmara de combustin en donde se aade el combustible para producirse la combustin del que sale como producto gases calientes a alta velocidad que son conducidos a la turbina donde se expanden produciendo potencia mecnica en el eje.

CICLO BRAYTON IDEALPROCESOS:

1-2 Compresin (isentrpica, s=cte)2-3 Combustin(isobrica, p=cte)3-4 Expansin(isentrpica, s=cte)4-1 Enfriamiento(isobrica, p=cte)

BALANCE TERMICO DE LA PLANTACalor entregado por el ciclo

Q1= mgcpg(T3-T2)

Calor rechazado por el cicloQ2= mgcpg(T4-T1)

Potencia requerida por el Compresor

TC= macpa(T2-T1)

Potencia desarrollada por la turbinaTT= mgcpg(T3-T4)

TRABAJO UTIL TU = Q1 - Q2 = TT - TC

DETERMINACION DE LA EFICIENCIA DEL CICLOciclo = 1 1/ rp(k-1)/k

CURVA DE VARIACION DE LA EFICIENCIA Y TRABAJO CON LA RELACIN DE PRESIONES

CONDICIN PARA OBTENER EL TRABAJO NETO MXIMOdWn/dT2=0d[mcp(T3-T4-T2+T1)]/dT2 = 0 T1 es la condicin ambiente (fijo)T3 es la temperatura mxima (fijo)T2 es la temperatura variableT4 se puede poner en funcin de T2, T3 y T1

Reemplazando resulta:

T2 = (T1* T3)1/2

PROBLEMA DE APLICACION

CICLO BRAYTON REALPROCESOS:

1-2 Compresin real (con incremento de entropa)2-3 Combustin (isobrica, p=cte)3-4 Expansin real (con incremento de entropa)4-1 Enfriamiento(isobrica, p=cte)

EFICIENCIA DE LA TURBINA Y EL COMPRESORCOMPRESORTrabajo requerido por el compresor(Tc)ideal: Tci = mcp(T2 T1)real: Tcr= mcp(T2 T1)

Eficiencia del compresor (c) c = Tci/Tcr = (T2 T1)/(T2 T1)

TURBINATrabajo desarrollado por la turbina(Tt)ideal: Tti = mcp(T3 T4)real: Ttr= mcp(T3 T4 )

Eficiencia de la turbina (t) t = Ttr/Tti = (T3 T4 )/(T3 T4)

PROBLEMA DE APLICACIONPara una planta con turbinas a gas de ciclo simpIe abierto concebido como un Ciclo Brayton Real, se tiene la siguiente informacin: Eficiencia del compresor: 88%Eficiencia de la turbina: 90%La temperatura a la entrada del compresor es de 70FLa temperatura mxima del ciclo es de 2 520RRelacin de presiones: 12Considerar despreciables las prdidas por friccin en la cmara de combustin y en los ductos de instalacin; considerar adems que la masa de combustible es pequea respecto a la masa del aireConstante isentrpica = 1:4

Calcular la eficiencia del Ciclo

CICLO BRAYTON REGENERATIVO

PROBLEMA DE APLICACIONEn una turbina a gas regenerativa, el aire ingresa al compresor a 14,7 lb/pulg2 y 70F: siendo comprimido hasta 176,4 lb /pulg2 con una eficiencia de 87%. El aire comprimido antes de ingresar a la cmara de combustin pasa por un intercambiador de calor, en donde es calentado por los gases que salen de la turbina. A la entrada de la turbina, los gases se encuentran a 176,4 lb/pulg2 y 2 060,6 F y se expande hasta 14,7 lb/pulg2 con una eficiencia de 89%. Los gases salen del intercambiador de calor a una temperatura de 482F. Considerar =1.4.

Determinar la eficiencia de la planta, suponiendo que en el regenerador la eficiencia es de 100%.

VENTAJAS DE LAS TURBINAS A GAS Bajos costos de inversin especfica (en USS/KW)Buena eficiencia y especialmente en caso de ciclo combinado.Mnimas restricciones para su ubicacinPoco espacio y mnimo de obras civilesCorto perodo de construccinUtilizan combustibles limpios (gas, Diesel 2)Bajo nivel de emisin de contaminantesNo se requiere de agua de refrigeracinRpido arranque y toma de carga.Facilidad para conversin a ciclos combinados o cogeneracin.No requiere de zona de acumulacin de cenizas o desechos de combustin.

TIPO DE TURBINAS A GASAERO-DERIVATIVAS

Utilizan la tecnologa de los motores Jet para aviacin, siendo estos materiales livianos y de alta calidad, de caractersticas compactas y de alta eficiencia.

Estas mquinas tienen mayores costos especficos que las del tipo industrial.HEAVY DUTY PESADAS O INDUSTRIALES

Son las que mas se utilizan para generacin elctrica, siendo de un diseo ms robusto y para ms variedad de combustibles.

Debido al avance tecnolgico en los materiales se han incrementado las temperaturas de operacin y por lo tanto sus eficiencias.

TAMAOS UNITARIOSActualmente se fabrican grupos, de generacin elctrica accionados por turbinas a gas desde aproximadamente 500kW hasta 200MW.

En el caso de las .turbinas aero-derivativas o "jet", el tamao mximo actual del grupo turbina -generador para generacin elctrica es de 50 MW en condiciones ISO (15C).

En el caso de las unidades del tipo " heavy duty" o para servicio pesado, los fabricantes mas importantes a nivel mundial tienen unidades de generacin entre 30 y 200 MW.

FABRICANTESExisten cuatro (4) fabricantes de unidades de generacin elctrica con turbinas a gas importantes a nivel mundial y que son: General Electric (GE), Westinghouse (W), Siemens Kraftwerk (KWU)y Asea Brown Boveri (ABB).

As mismo otros fabricantes importantes con licencias de algunos de los fabricantes anteriores son: GEC Alsthom, Mitsubishi, Ansaldo, Hitachi,etc.

FACTORES DE CORRECCION PARA TURBINAS A GAS

FACTORES DE CORRECCION PARA TURBINAS A GAS

FACTORES DE CORRECCION PARA TURBINAS A GAS

CORTE DE UNA TURBINA A GAS DE UNA SOLA CAMARA VERTICAL

CORTE DE UNA TURBINA A GAS CON CAMARA DE COMBUSTION ANULAR

COMBUSTIBLE USADOS EN TURBINAS A GASTIPO DE COMBUSTIBLEGas naturalPropanoPetrleo liviano como el Diesel N2Petrleo residual de bajo contenido de azufreCarbn gasificado

NOTA.- En ciclos cerrados es posible usar cualquier combustible puesto que en este caso la turbina a gas solo se mueve con aire comprimido y no con gases de combustin.VENTAJAS DEL GAS NATURALEl combustible ideal es el gas natural por la siguientes razones:Est libre de partculas e impurezas slidas con lo que se evita erosiones en los labes.No contiene azufre, lo cual permite un nivel de recuperacin del calor contenido en los gases de escape superior al que se puede conseguir con otros combustibles.Tiene una combustin limpia, sin humo ni cenizas lo cual facilita la limpieza de los quemadores.No requiere de muchos equipos para su manejo.

ESQUEMA TIPICO DE UNA ESTACION DE REGULACION Y MEDICION

LA COMBUSTION EN UNA TURBINA A GAS Se realiza en las cmaras de combustin que pueden ser de tipo: tubular, anular y tubo-anular.Los combustibles usuales son el gas natural y el petrleo liviano (Diesel N2).La relacin aire-combustible vara alrededor de 50/1.El aire que se utiliza es aire comprimido y su presin depende de la relacin de compresin del compresor, actualmente es del orden de 30/1.Las temperaturas de la llama alcanzan valores del orden de 1900C.

Los gases que salen de la cmara de combustin hacia la turbina alcanzan temperaturas del orden de 1310C.

El aire se distribuye en las siguientes proporciones:Aire primario: 15 a 20%Aire secundario: aprox. 30%Aire terciario: 50 a 50%

LA COMBUSTION EN UNA TURBINA A GAS

LOS EXCESOS DE AIRE EN LAS TURBINAS A GASLos excesos de aire son grandes ya que el aire no slo sirve para la combustin sino tambin para el enfriamiento de las partes calientes que entran en contacto con los gases de combustin.

BALANCE DE ENERGIA EN UNA TURBINA A GAS DE CICLO SIMPLE30% - 38%65% - 57%

PARAMETROS QUE DEFINEN LA ECONOMIA DE UNA TURBINA A GASEl costo especfico de inversin (US$/KW)

Heat Rate eficiencia trmica

Precio del combustible

PRECIOS FOB DE TURBINAS A GASDE CICLO SIMPLE

COSTO DE INVERSION DE TURBINAS A GASDE CICLO SIMPLE

HEAT RATE Y EFICIENCIA DETURBINAS A GASHEAT RATE.- Es el consumo especfico de calor de una mquina termoelctrica, se expresa en KJ/KWh; BTU/KWh; Kcal/KWh.

HR = Flujo de combustible*Poder calorfico/Potencia

EFICIENCIA.- Es igual a la relacin entre la energa til consumida(energa qumica del combustible); cuando ambas se expresan en las mismas unidades. Es decir es un parmetro adimensional. Es una funcin inversa al Heat Rate. = 1 / HR = 860 / HR(Kcal/KWh) = 3600 / HR(KJ/KWh) = 3412 / HR(BTU/KWh)

HEAT RATE DE ALGUNAS TURBINAS A GAS DE CICLO SIMPLE

EFICIENCIA DE ALGUNAS TURBINAS A GAS DE CICLO SIMPLE GAS NATURALEstas pueden ser calculadas en funcin a la relacin que existe entre ste parmetro y el Heat Rate:Por ejemplo para la turbina Siemens V84.3 A; si se toma como dato el HR que le corresponde, se puede hallar la eficiencia:De la tabla anterior, se tiene:Base LHV: HR = 8850 BTU/KWh = 10361 KJ/KWh; entonces:

= 3412 / 8850 = 0,3855 = 1 / 10361= 0,3855

PRECIOS DE COMBUSTIBLESEjemplo:

Gas Natural: 2,1 US$/MMBTU

Petrleo Diesel N2: 12,18 US$/MMBTU

COSTOS DE GENERACION ELECTRICA DE UNA TURBINA A GASEl costo de generacin elctrica depende de los costos fijos y los costos variables que se indican:

COSTOS FIJOS: Depende de la capacidad (KW)Costo de inversin (CI)Costo de O y M fijo (Cf)

COSTOS VARIABLES: Depende de la produccin (KWh)Costo variable combustible (CVC)Costo variable no combustible (CVNC)

COSTO DE INVERSION (CI)Como ya vimos los costos especficos de inversin (CEI) de turbinas a gas son los ms bajos en comparacin a las otras tecnologas convencionales.

Para turbinas a gas medianas y grandes:200 350 US$/KW

Para turbinas pequeas:350 500 US$/KW

COSTOS DE INVERSION DE CENTRALES TERMICAS

COSTO DE O Y M FIJO (CF)Al igual que el costo de inversin, ste depende slo del tamao de la unidad; se expresa en US$/KW-ao y comprende bsicamente los costos que implica los mantenimientos preventivos (huaypes, aceites, grasas, solventes; etc).

Tambin debe incluir el costo de personal.

COSTO VARIABLE COMBUSTIBLE (CVC)Este costo expresado en US$/KWh, depende del precio del combustible y la eficiencia ( Heat Rate) de la turbina.

CVC = Precio del Combustible/ Rendimiento = Precio de la calora*Heat Rate

EFICIENCIA DE CENTRALES TERMICAS

COSTO VARIABLE NO COMBUSTIBLE (CVNC)Se refiere bsicamente a los costos de repuestos y/o reparaciones referidos al mantenimiento mayor, mantenimiento menor y mantenimiento de centrfugas (en el caso de que el combustible es el Petrleo Diesel N 2)

COSTO TOTAL ANUAL EN US$/KW-AO Vs. HORAS DE OPERACIN DE LA UNIDADEl costo total anual (en US$/KW-ao) en funcin de las horas de operacin que resulta de sumar los costos anuales fijos y variables, resulta ser una funcin lineal en la cual los costos fijos estn representados por el valor que corresponde a la interseccin de la recta con el eje de las ordenadas, mientras que la pendiente es funcin bsicamente de la eficiencia de la unidad y vara en funcin de las horas de operacin de la unidad.

CT (US$/KW-ao) = (CEI)*(frc)+CF + (CVC + CVNC)*t

frc = factor de recuperacin de capital = i*(1+i)n/(1+i)n 1

i = tasa de inters anual por perodo (p.e. 12% osea i= 0.12)

n = vida util de la unidad (en este caso 15 aos)

CVC y CVNC en US$/KWht = horas de operacin

COSTO DEL KWh EN FUNCION DE LAS HORAS DE OPERACIN (FACTOR DE PLANTA)

CE(US$/KWh)=(CEI*frc+CF)/t + CVC + CVNC

CASO APLICATIVOHallar la funcin que representa los costos totales en US$/KW-ao Vs horas de operacin y los costos del Kwh (US$/KWh) Vs horas de operacin, para los siguientes datos.

Tambin hallar el Costo de generacin para una operacin promedio de 5000 h/ao.

CEI: 350 US$/KWVida util: 15 aosTasa de descuento: 12%CF: 2.5 US$/Kw-ao= 37%Precio Gas: 1.8 US$/MMBTUCVNC: 3.5 US$/MWH

RESPUESTAS:

CT(US$/KW-ao) = 53,8885 + 0,02009*tCE(US$/KWh) = 53,8885/t + 0,02009CE5000 = 0,03087 US$/KWh

COSTOS DE GENERACION DE LAS CENTRALES TERMICAS DE EGASA A DIC 2006

RESULTADOS DE UNA PRUEBA DE POTENCIA EFECTIVA Y RENDIMIENTO EN UNA TURBINA A GAS PROCEDIMIENTO PR-17 COES SINAC

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