INSTITUTO TECNOLÓGICO DE

ORIZABA

Ingeniería Mecánica

Ciclos Térmicos Avanzados

Revisa:Ing. Francisco Javier Miranda Sánchez

“Tópicos avanzados sobre plantas de turbinas de gas y vapor”

Presenta:

David Domínguez Juárez

Vo.Bo.

Fecha de entrega: 04 de Noviembre de 2013, Orizaba, Veracruz.

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Tabla de contenido1.- Introducción..................................................................................................................................2

2.1 Importancia de las temperaturas de recepción y rechazo de calor..............................................3

2.2 Efectividad del intercambiador de calor.......................................................................................3

3.1 Recalentamiento progresivo y eficiencia de Carnot.....................................................................4

4.1 Ciclo Regenerativo........................................................................................................................5

4.2 Vapor sobrecalentado y Ciclo reversible......................................................................................5

4.3 Recalentamiento en ciclos regenerativos de vapor......................................................................7

4.4 Plantas de cogeneración..............................................................................................................8

5.1 Plantas combinadas gas-vapor...................................................................................................11

5.2 Ciclos binarios de vapor..............................................................................................................15

Introducción a los ciclos binarios.................................................................................................16

Características de los fluidos de trabajo óptimos.........................................................................16

Sistemas.......................................................................................................................................17

Rankine cycle vapor..................................................................................................................17

Presión dual..............................................................................................................................17

Fluid dual..................................................................................................................................17

5.4 turbinas de gas con inyección de vapor.....................................................................................17

Inyección en Turbina de Gas – GTI....................................................................................................17

a) Mayor generación de energía..............................................................................................17

b) Reducción de emisiones.......................................................................................................18

c) Mayor generación de energía así como reducción de emisiones.........................................18

5.5 Combustión de Lecho fluido.......................................................................................................19

5.6 Plantas de ciclo combinado de alta eficiencia............................................................................20

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1.- IntroducciónLas turbinas son máquinas que desarrollan potencia en el eje como resultado de la variación de la cantidad de movimiento del fluido que pasa a través de ellas. Dicho fluido puede ser un gas, vapor o líquido, si bien las notas que se dan a continuación son aplicables a turbinas que operan con gas o vapor. Para que el fluido alcance la alta velocidad requerida para que se produzcan variaciones útiles en el momento, debe haber una diferencia importante entre la presión a la entrada a la turbina y la de escape.

Como fuentes de gas presurizado cabe mencionar un gas previamente comprimido y calentado, como sería el caso de una turbina de gas

Un suministro de energía fiable, ecológico y al menor coste posible es esencial. Las turbinas han evolucionado mucho desde que surgieron como unas simples ruedas, después empezaron a conectarse a otros aparatos para utilizarse con máquinas pero aquí no se detuvo su evolución y siguió evolucionando hasta las centrales eléctricas de hoy en día.

En la actualidad es elemental para el ingeniero, conocer profundamente el funcionamiento y los conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas. Esto es debido a que el ingeniero probablemente se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento de este tipo de equipos. Por esto, es de vital importancia conocer los conceptos básicos de estas maquinas de combustión.

En el presente trabajo se hará un breve recuento de los conceptos básicos, tipos de turbinas, los ciclos de funcionamiento y el mantenimiento de las mismas.

Definición de una turbina a gas: Es una turbo-máquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Es una máquina diseñada para utilizar la energía aportada por los gases que salen de una cámara de combustión a alta presión y muy altas temperaturas, por lo que llevan mucha energía, dichos gases al chocar contra los alabes de la turbina de expansión provocan su giro, este giro lo podemos aprovechar para mover un generador y producir electricidad o provocar un impulso utilizado para mover por ejemplo un avión.

Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un inter-enfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando.

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2.1 Importancia de las temperaturas de recepción y rechazo de calorSu importancia radica en la eficiencia del intercambiador, dado que lo más básico en el diseño sólo depende de un ciclo ideal, sin tener en cuenta el balance de energía, instrumentación, pérdidas por fricción, pérdidas de calor, calidad de la combustión, etc, etc,… Es por ello que estás se vuelven importantes; esto lo podemos definir con la siguiente conclusión:

APORTE DE CALOR AL FLUIDO FRÍO - APORTE DE CALOR AL FLUIDO CALIENTE + PERDIDAS DE CALOR = 0

2.2 Efectividad del intercambiador de calor.Los cálculos usando las ecuaciones anteriores para Δtm son convenientes cuando las temperaturas de entrada y salida se conocen en ambos fluidos. A menudo, las temperaturas de los fluidos dejando el intercambiador son desconocidas. Para eludir los cálculos de ensayo y error, NTU Effectiveness (ε) usa tres parámetros adimensionales: efectividad ε, número de unidades de transferencia (NTU), y ratio de tasa de capacidad cr; no se necesita la diferencia de temperatura media.

Efectividad del intercambiador de calor ε es el ratio entre la máxima tasa de transferencia de calor posible en un intercambiador de calor a contraflujo de área de superficie infinita con las mismas tasas de caudal másico y temperaturas de admisión. La máxima tasa de transferencia de calor posible para fluidos calientes entrando a thi y el fluido frío entrando a tci es:

Qmáx = Cmin (Thi –Tci)

Donde Cmin es el más pequeño del fluido caliente:

Ch = (mCp)H

Y las tasas de capacidad del fluido del fluido frío:

Cc = (mCp)c

W/K; Cmax es la más grande.

La tasa de transferencia de calor actual es:

q = ε qmax

O con un tipo de intercambiador dado, la efectividad de un intercambiador de calor puede expresarse como una función de NTU (número de unidades de transferencia) y el ratio de tasa de capacidad cr.

ε = f (NTU Cp “Disposición del flujo”)

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Donde:

NTU = UA/Cmin

Cr = Cmin/Cmax

La efectividad es independiente de la temperatura de entrada del intercambiador. Para cualquier intercambiador de calor en el que cr es cero (donde un fluido sufre un cambio de fase, como en un condensador o evaporador, tiene un efectivo cp = ∞), la efectividad es:

ε = 1- exp ( - NTU)

La diferencia de temperatura media viene dada por:

∆T=( thi−t ci)

ε

NTU

3.1 Recalentamiento progresivo y eficiencia de CarnotPara el aprovechamiento de las energías que puedan disiparse en el ambiente, han realizado diversos esfuerzos para que se pueda utilizar ese calor y así propiciar no sólo un equipo más eficiente, sino también más económicos desde el punto de vista de la quema de combustible y aprovechamiento del agua tratada.

El teorema de Carnot es una consecuencia de que todas las transformaciones son reversibles, por lo que intuitivamente se deduce que ninguna máquina podrá funcionar mejor, es decir, tendrá mayor rendimiento.

Ninguna máquina funcionando entre dos focos térmicos tiene mayor rendimiento que el de una máquina de Carnot operando entre dichos focos.Todas las máquinas reversibles que operen entre dos focos poseen el mismo rendimiento, dado por el de Carnot.Como en la práctica siempre existe algún grado de irreversibilidad, el rendimiento de Carnot proporciona un límite superior para el valor del rendimiento, conocidas las temperaturas de los focos, independientemente de cómo se construya la máquina, de la sustancia de trabajo, etc.

4.1 Ciclo RegenerativoEs más bien el proceso bajo el cual se efectúan diversos “pasos”, para como hemos dicho, volver más eficiente y eficaz el proceso. Normalmente aprovechando los “desechos” de un intercambiador o aquellos elementos que no son aprovechados por nuestras máquinas llamándoles así Regenerativos. Los ciclos a los cuales se les adjunta está palabra, tiene el propósito de aprovechar ese calor que se disipa.

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4.2 Vapor sobrecalentado y Ciclo reversibleComo hemos visto el vapor es un desperdicio muy apreciado dentro de un sistema térmico, así que es aprovechado para logra mayor eficiencia en el sistema y demás. Por otro lado también hemos manejado la reversibilidad y irreversibilidad de los ciclos.

Brevemente explicaremos como el vapor sobrecalentado ayudar a mejorar un ciclo, es decir, que antes y después de pasar por la turbina tiene diferentes utilidades, como ejemplo usamos el Ciclo Rankine.

1. Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los álabes de la turbina.

2. Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.

3. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas temperaturas.

4. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.

5. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan.

Ahora bien para que un ciclo sea reversible, según los términos técnicos de la termodinámica.

Si es reversible, entonces es posible restaurar tanto el sistema como su entorno a sus estados iniciales. Es decir, debe existir algún proceso por el que el cuerpo sea levantado a su posición inicial en tanto que la energía interna del gas y consiguiente su temperatura disminuya.

No se hizo ningún cambio en el entorno excepto bajar el peso durante el proceso original. Por consiguiente, durante el proceso inverso no puede hacerse ningún cambio en el entorno excepto levantar cuerpo. Si este proceso inverso fuera posible, entonces el proceso de agitado es reversible.

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Es Posible Este Proceso Inverso

Respondamos a esto suponiendo que el proceso inverso es posible. Luego, consideremos un ciclo compuesto de dos procesos.

Proceso 1. El proceso antes descrito, donde se eleva el peso conforme disminuyen la temperatura y energía interna del gas. El sistema cambia de un estado inicial B a su estado inicial A.

Proceso 2. Es aquel en que se transfiere calor de algún reservorio de energía de temperatura constante en el entorno al gas, en tanto que la rueda con paletas está en reposo. Durante este proceso debe eliminarse parte del aislamiento térmico del tanque. Este proceso continúa hasta que el gas llega su temperatura inicial T.

Los resultados netos de este cielo son los siguientes: el sistema ejecutó un ciclo y regresó a su estado inicial el entorno cambió de dos formas. El peso está a un nivel más alto. La cantidad de energía almacenada en el reservorio de energía disminuye. La aplicación de la primera ley muestra que la disminución de energía en el reservorio es igual al incremento de energía del peso. Por consiguiente el sistema es un dispositivo que opera en un cielo, intercambia calor con un solo reservorio y produce trabajo.

Ésta es precisamente la clase de dispositivo que el postulado de Keivin-Planck de la segunda ley declara como imposible. Puesto que el proceso 1 es imposible, el proceso original de agitado es irreversible. La única alternativa es que la segunda ley sea falsa, y contra esta alternativa hay una tremenda cantidad de experiencia.

Un ciclo compuesto enteramente de procesos reversibles se conoce como ciclo reversible. Si todos los procesos son sólo internamente reversibles, el ciclo es internamente reversible.

4.3 Recalentamiento en ciclos regenerativos de vaporLa importancia del recalentamiento, es fundamental en un proceso de generación de vapor, ya que permite un aprovechamiento mayor de la energía.

En el ciclo con recalentamiento, el vapor no se expande por completo en una sola etapa hasta la presión del condensador. Luego de expandirse parcialmente, el vapor se extrae de la turbina y se recalienta a presión constante. A continuación, se lo devuelve a la turbina para su expansión posterior hasta la presión de salida. Se puede considerar que la turbina está constituida por dos etapas, una de alta y otra de baja presión.

Para responder a las crecientes demanda de potencia, las presiones de operación de las calderas, han ido incrementándose de manera de elevar las ganancias térmicas al incrementar la temperatura de entrada a la caldera por efecto de la presión, disminuyendo el calor transferido al fluido de trabajo. Sin embargo el aumento de la presión. La caldera origina la disminución de la calidad del vapor de agua que sale de la

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turbina como se observa en el diagrama Ts, es decir, a la salida de la turbina de alta presión, el vapor esta generalmente próximo a la línea de saturación. Para evitar el problema de erosión de los álabes de la turbina, y seguir aprovechando las ventajas de la alta presión en las calderas es necesario el desarrollo de los ciclos con recalentamiento.

La temperatura tras el recalentamiento, es generalmente igual o algo inferior a la temperatura de entrada en la primera etapa de la turbina.

El máximo rendimiento térmico de un ciclo ideal con recalentamiento se obtiene cuando el cociente Pent / Psal en la turbina de alta presión, se encuentra dentro del intervalo de 0,15 a 0,35.

La temperatura promedio durante el proceso de recalentamiento puede incrementarse si se aumenta el número de etapas de expansión y recalentamiento. Sin embargo, el uso de más de dos etapa de recalentamiento no es práctico, la ganancia en la eficiencia es tan pequeña que no justifica el costo y la complejidad adicional. El doble recalentamiento se emplea sólo en plantas de energía de presión supercrítica.

El ciclo regenerativo consiste, en extraer parte del vapor expandido en la turbina y utilizarlo para suministrar calor al fluido de trabajo, aumentado su temperatura antes de pasar por la fuente principal de calor (Caldera) a una presión determinada. Existen dos tipos de calentadores uno denominado calentador abierto o de contacto directo y el calentador cerrado o cambiador de calor de carcasa y tubos.

Ciclo Rankine con calentadores abiertos, en el caso ideal, se ajustan los flujos másicos de las corrientes que entran al calentador, de manera que el resultado de la mezcla a la salida del calentador sea líquido saturado a una presión determinada. Las presiones de entrada deben ser iguales, para que no se produzcan retornos indeseables en las líneas de tuberías.

4.4 Plantas de cogeneración

La cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil (vapor, agua caliente sanitaria). Si además se produce frío (hielo, agua fría, aire frío, por ejemplo) se llama trigeneración.

La ventaja de la cogeneración es su mayor eficiencia energética ya que se aprovecha tanto el calor como la energía mecánica o eléctrica de un único proceso, en vez de utilizar una central eléctrica convencional y para las necesidades de calor una caldera convencional.

Otra ventaja, y no pequeña, es que al producir la electricidad cerca del punto de consumo, se evitan cambios de tensión y transporte a larga distancia, que representan una pérdida notable de energía por efecto Joule (se calcula que en las grandes redes esta pérdida está entre un 25 y un 30%).

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Al generar electricidad mediante una dinamo o alternador, movidos por un motor térmico o una turbina, el aprovechamiento de la energía química del combustible es del 25% al 46% (sobre el poder calorifico inferior), y el resto debe disiparse en forma de calor. Con la cogeneración se aprovecha una parte importante de la energía térmica que normalmente se disiparía a la atmósfera o a una masa de agua y evita volver a generarla con una caldera. Además evita los posibles problemas generados por el calor no aprovechado.

La eficiencia de la planta se puede medir mediante unos coeficientes: el FUE, factor de uso de energía, que es el cociente de la energía eléctrica generada, más el calor útil, entre la energía aportada al motor de combustión interna. Y el RCE, relación calor/electricidad, que es el cociente entre el calor útil o aprovechable, y la potencia eléctrica generada por el conjunto motor-generador. El primero es el más importante ya que da idea del rendimiento global de la instalación.

Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos grandes edificios en los que el calor puede emplearse para calefacción, para refrigeración (mediante sistemas de absorción) y preparación de agua caliente sanitaria como por ejemplo grandes superficies de ventas, ciudades universitarias, hospitales, etc...

Aunque es difícil acoplarlo a viviendas particulares (lo cierto es que cada vez existen más instalaciones, denominándose específicamente microcogeneración), es mucho más favorable realizar instalaciones grandes, como en las de calefacción urbana.

4.5 Criterios de rendimientos de plantas de cogeneración

Para caracterizar los sistemas de cogeneración se deben definir un conjunto de parámetros que permitan: valorar las oportunidades de inversión, seleccionar el sistema más adecuado, y optimizar su operación una vez instalado. Suponiendo, para simplificar, que el sistema de cogeneración es una caja negra, que consume F unidades de energía de combustible (poder calorífico inferior), produce simultáneamente W unidades de trabajo y Q unidades de calor. Para un análisis energético de la operación convendrá expresar F, W y Q como flujos de energía en el mismo Sistema de Unidades y manejar los parámetros siguientes:

Eficiencia eléctrica aW ºW/F

Eficiencia térmica aQ ºQ/F

Eficiencia global h º (W +Q)/F

Relación calor–trabajo b º Q/W

Nótese, sin embargo, que para caracterizar por completo el sistema basta conocer 3 variables independientes de entre las anteriores. Por ejemplo, pueden emplearse W, aW y b. Otros parámetros interesantes para el análisis muestran la ventaja

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comparativa de los sistemas de cogeneración sobre los sistemas convencionales de aprovisionamiento de calor y trabajo. Para definirlos, la operación de un sistema convencional que produce las mismas cantidades de trabajo y calor que el sistema de cogeneración.

Sistema de cogeneración

Supóngase que se ha de suministrar W y Q para satisfacer las demandas del consumidor. Este debe decidir entre instalar un sistema de cogeneración o proceder de modo convencional comprando energía eléctrica a la compañía distribuidora (que se supone se ha producido con rendimiento hW) e instalando una caldera de rendimiento hQ para producir el calor. La decisión a favor de la cogeneración conllevará un ahorro de combustible

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Relacionado con este concepto, se define el índice de ahorro de energía primaria IAF (Fuel Energy Saving Ratio, FESR), como el ahorro de combustible por unidad de energía requerida en el modo convencional de aprovisionamiento

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El último parámetro que se va a considerar es el rendimiento eléctrico equivalente, cuya definición proviene de utilizar un criterio particular a la hora de repartir el consumo de combustible entre los dos productos del sistema de cogeneración. Concretando, si una caldera convencional de rendimiento hQ consumiría el combustible FQ = Q/hQ para producir (por obligación y sin cogenerar) el calor útil Q, la decisión de instalar (por interés económico) el sistema de cogeneración, supone un consumo adicional de combustible FeqW = F - FQ para producir además la electricidad W. Por tanto, el rendimiento eléctrico equivalente es

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Obsérvese como los criterios IAF y heq ponen especial énfasis en averiguar si los sistemas de cogeneración transforman con mayor eficiencia la energía consumida en productos útiles (calor y trabajo) que los sistemas convencionales.

La disminución de emisiones de CO2 es un criterio ambiental que puede calcularse direc-tamente a partir del ahorro de combustible en el caso de que este sea el mismo para cogeneración y para producción convencional. En caso de que los combustibles sean diferentes la disminución será

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donde cFi es la emisión de CO2 por unidad de energía en el combustible i.

5.1 Plantas combinadas gas-vaporEn la configuración de un ciclo combinado gas-vapor es relativamente frecuente que varias turbinas de gas alimenten con el vapor que producen sus calderas de recuperación de calor a una única turbina de vapor. Este hecho obliga a presentar una clasificación atendiendo al número de equipos principales existentes en la central.

La disposición relativa de los ejes de la turbina de gas y de la turbina de vapor, según se encuentren alineados o no, hace que se pueda establecer otra clasificación atendiendo al número de ejes principales de que consta el tren de potencia:

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Centrales monoeje Centrales multieje

Además, en los monoeje, el generador puede estar en el extremo del eje - mayor facilidad de mantenimiento- o entre la turbina de gas y la de vapor. En este último caso hay un embrague que acopla la turbina de vapor con el eje de la turbina de gas y el generador, permitiendo producir energía funcionando solo la turbina de gas

Las configuraciones más comúnmente empleadas en las centrales de ciclo combinado gas-vapor en operación comercial hoy día son las siguientes:

Configuraciones 1x1 (una turbina de gas que alimenta a una caldera de recuperación de calor y produce vapor para un único ciclo de Rankine),

Configuraciones 2x1 (dos turbinas de gas que alimentan cada una de ellas a su correspondiente caldera de recuperación de calor y producen vapor para un único ciclo de Rankine)

También son posibles las configuraciones 3x1, 4x1, etc.

Es importante destacar que, para las configuraciones 2x1 y 3x1, cuando por una situación operativa de la central al menos una de las calderas está fuera de servicio y la otra funcionando, existe la posibilidad de que puedan producirse retornos de vapor desde el colector común de vapor a las calderas que están fuera de servicio. Si esto ocurre, pueden producirse daños en los tubos y materiales no aleados de la caldera. Para evitarlo, y desde el proceso de especificación, se debe poner especial énfasis en una alta calidad de las válvulas de retención y cierre.

Las ventajas de esta configuración son las siguientes:

Posibilidad de funcionamiento con sólo la turbina de gas, derivando los gases a la atmósfera si fuese necesario.

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Mayor disponibilidad de la turbina de gas, al poder operar ésta en caso de avería de la turbina de vapor.

Admite el condensador con disposiciones axial e inferior. Al disponer de dos alternadores puede suministrar energía eléctrica con dos

tensiones. Fácil mantenimiento de generadores y turbinas. Inconvenientes:

o Requiere dos alternadores y dos transformadores con el consiguiente incremento de inversión.

o Mayor necesidad de espacio.o Puente grúa más grande.

Configuración monoeje 1x1 con embrague Ventajas:

o Requiere un alternador menos que la configuración multieje.o El generador, al estar ubicado entre la turbina de gas y la de vapor, proporciona un

mayor equilibrio a todo el conjunto.o Menor coste de inversión que la configuración multieje.o Menor coste de obra civil. Esto es debido a la menor altura necesaria del pedestal

del turbogenerador, al poder disponer el condensador de forma axial.o Puente grúa de menor luz que la configuración multieje.o Menor espacio requerido que la configuración multieje.o El embrague permite un sistema de arranque más sencillo al poder independizar el

rodaje de la turbina de gas de la de vapor. A diferencia del monoeje sin embrague, en esta configuración no es necesaria una caldera auxiliar para el calentamiento previo del vapor en el arranque de la turbina.

Inconvenientes:o Menor flexibilidad de operación que la configuración multieje, ya que en general

esta configuración no suele llevar chimenea de by-pass.

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o Evacuación de energía a través de un solo generador y por tanto, menor fiabilidad del conjunto. En la configuración multieje cada alternador a través de su transformador puede alimentar sistemas de transporte con diferentes tensiones.

o Mayor dificultad en la revisión del generador, al tener que desplazarlo lateralmente para poder extraer su rotor.

o No es posible el montaje y la puesta en marcha por fases, a diferencia de la configuración multieje.

Configuración monoeje 1x1 sin embrague

Las ventajas e inconvenientes con respecto a la configuración multieje son similares a las descritas en la configuración monoeje con embrague con los siguientes elementos diferenciadores:

El hecho de disponer el generador en un extremo facilita su revisión e inspección. Al no poder situar el condensador axialmente, esta configuración requiere un pedestal

de mayor altura y mayor inversión en obra civil que en la configuración monoeje con embrague.

Frente al resto de configuraciones, el arrancador estático de la turbina de gas es de mayor potencia, al tener que arrastrar la turbina de vapor en el inicio del rodaje.

Requiere una caldera auxiliar en los arranques para proporcionar vapor de cierres, vapor de vacío -si éste se hace con eyectores- y refrigeración inicial de la turbina de vapor durante el rodaje.

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Configuración 2x1

Ventajas:o Menor coste de inversión que dos monoejes de la misma potencia

(aproximadamente un 10%).o Mayor flexibilidad de operación, al posibilitar el funcionamiento con una turbina

de gas y una turbina de vapor y arrancar de forma rápida la segunda turbina de gas.

o Mejor rendimiento a cargas parciales, y especialmente al 50% de carga, al poderse reducir la potencia en solo una de las turbinas de gas.

o Fácil acceso para el mantenimiento de los generadores.o Equipos de arranque estáticos de turbina de gas pequeños.o No es necesaria caldera auxiliar.o Posibilidad de emplear alternadores refrigerados por aire, al ser estos de menor

potencia Inconvenientes:

o La avería de la turbina de vapor deja fuera de servicio todo el ciclo combinado si no se dispone de by-pass de gases en las turbinas de gas.

5.2 Ciclos binarios de vaporUna planta de energía de ciclo binario es un tipo de planta de energía geotérmica que permite a los yacimientos geotérmicos más frías que se utilizan con plantas de vapor flash y vapor seco. A partir de 2010, las plantas de vapor flash son el tipo más común de las plantas de generación de energía geotérmica en funcionamiento hoy en día, que utilizan agua a temperaturas mayores de 182 C que se bombea a alta presión a los equipos de generación en la superficie.

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Con plantas de energía geotérmica de ciclo binario, las bombas se utilizan para bombear el agua caliente de un pozo geotérmico, a través de un intercambiador de calor, y el agua enfriada se devuelve al depósito subterráneo. Un segundo fluido "trabajo" o "binario" con un punto de ebullición bajo, típicamente un butano o pentano hidrocarburos, se bombea a bastante alta presión a través del intercambiador de calor, donde se vaporiza y se dirige entonces a través de una turbina. El vapor que sale de la turbina se condensa a continuación, por radiadores de aire frío o de agua fría y se encendía de nuevo a través del intercambiador de calor.

Un ciclo de vapor binario se define en termodinámica como un ciclo de potencia que es una combinación de dos ciclos, uno en una región de temperatura alta y el otro en una región de temperatura más baja

Introducción a los ciclos binarios

El uso de ciclos de mercurio del agua en los Estados Unidos se remonta a finales de 1920. Pequeña planta de mercurio del agua producen alrededor de 40 Mega Watts, se utilizaba en New Hampshire en 1950, con una eficiencia térmica superior a la mayoría de las plantas de energía en uso durante la década de 1950. Los estudios han demostrado que las eficiencias térmicas de 50 o más por ciento son alcanzables con el uso de ciclos de vapor binarios. Por desgracia, los ciclos de vapor binarios tienen un alto coste inicial y por lo tanto no son tan económicamente atractivas. El agua es el fluido de trabajo óptimo para utilizar en los ciclos de vapor debido a que es el más cercano a un fluido de trabajo ideal que está disponible actualmente. El ciclo binario es un proceso diseñado para superar las imperfecciones del agua como fluido de trabajo. El ciclo utiliza dos fluidos en un intento de acercarse a un fluido de trabajo ideal.

Características de los fluidos de trabajo óptimos

Una alta temperatura crítica y la presión máxima

Temperatura del punto triple Low

Una presión del condensador, que no es demasiado bajo

Una alta entalpía de vaporización

Una cúpula de saturación que se asemeja a una U invertida

De alta conductividad térmica

Otras propiedades: no tóxico, inerte, de bajo costo, y fácilmente disponibles

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Sistemas

Rankine cycle vapor

El ciclo de Rankine es la forma ideal de un ciclo de energía de vapor. Las condiciones ideales se puede llegar por sobrecalentamiento del vapor en la caldera y condensación por completo en el condensador. El ciclo de Rankine ideal no implica ningún irreversibilidades internas y consta de cuatro procesos; compresión isoentrópica en una bomba, la adición de calor a presión constante en una caldera, la expansión isentrópica en una turbina, y el rechazo de calor a presión constante en un condensador.

Presión dual

Este proceso está diseñado para reducir las pérdidas termodinámicas incurridos en los intercambiadores de calor de salmuera del ciclo básico. Las pérdidas se producen por el proceso de transferencia de calor a través de una gran diferencia de temperatura entre la salmuera de alta temperatura y la temperatura más baja del fluido de trabajo. Las pérdidas se reducen mediante el mantenimiento de una mayor correspondencia entre la curva de enfriamiento de salmuera y la curva de calentamiento de fluido de trabajo.

Fluid dual

"Energía se extrae de una corriente de fluido caliente, tal como el agua geotérmica, haciendo pasar la corriente en relación de intercambio de calor con un fluido de trabajo para vaporizar el último, la ampliación del vapor a través de una turbina, y condensar el vapor en un ciclo de Rankine convencional. La potencia adicional se obtiene en un segundo ciclo de Rankine mediante el empleo de una parte del fluido caliente después de intercambio de calor con el fluido de trabajo para vaporizar un segundo fluido de trabajo que tiene un punto de ebullición más bajo y la densidad de vapor mayor que el primer fluido ".

5.4 turbinas de gas con inyección de vapor

Inyección en Turbina de Gas – GTI

Las principales ventajas del proceso de inyección de vapor son las siguientes:a) Mayor generación de energía

La mayor generación de energía puede darse independientemente de las condiciones ambientales (temperatura o humedad). El proceso de incremento de la generación de energía brindará mayor energía en todos los climas y en todas las épocas del año. Hasta un 18% más de generación de energía menor consumo de combustible y mayor rendimiento térmico de la planta

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La inyección de vapor puede aumentar la generación de energía en aproximadamente un 17.5% para todas las condiciones ambientales (independientemente de la temperatura, la humedad, etc.).

b) Reducción de emisiones

El incremento de la generación de energía da como resultado una mayor reducción de emisiones de NOx. El vapor inyectado reduce la temperatura de la llama disminuyendo así las emisiones de NOx. Ese crédito de NOx se convierte en un producto comercializable para muchos operadores de plantas.

Una reducción de hasta el 80% en emisiones constantes de NOxUna disminución en las emisiones de CO

c) Mayor generación de energía así como reducción de emisiones

Hasta un 18% más de mayor generación de energíaMenor consumo de combustible y mayor rendimiento térmico de la plantaUna reducción de hasta el 80% en emisiones constantes de NOxUna disminución en las emisiones de CO

GTI ofrece uno de los menores costos por kW* para energía adicional, especialmente si se considera el mayor costo de instalación y capital para construir una planta más grande.

Se ha demostrado que el proceso de inyección en turbina de gas es altamente confiable para mejorar el desempeño de la turbina de gas.

Este proceso consiste en inyectar vapor en la cabecera de la cámara de combustión de las turbinas de gas, para reducir las emisiones constantes de NOx, y en la salida del compresor para incrementar el flujo másico y la generación de energía. En general, las turbinas están diseñadas para permitir hasta un 5% del caudal de aire del compresor, permitiéndose en algunas turbinas de gas un caudal de hasta el 10%. El vapor inyectado contiene por lo menos 50 °F (28 °C) de sobrecalentamiento y soportará presiones comparables con las presiones de gases combustibles. Un caudal de inyección de vapor del 5% del caudal total de salida aumentará la generación de energía en aproximadamente un 17.5% para todas las condiciones ambientales independientemente

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de la temperatura y la humedad mientras reduce de manera drástica los niveles constantes de NOx.

La tecnología (OTSG) de IST complementa las aplicaciones de inyección en turbina de gas con una alta confiabilidad y un bajo mantenimiento MÁS una capacidad plena de funcionamiento en seco, uno de los mejores beneficios de rendimiento de la inversión global, el costo del ciclo vital y una capacidad superior de construcción (facilidad de instalación).

*El costo típico de la instalación completa que incluye todo el equipo auxiliar para las aplicaciones de GTI es de aproximadamente $250USD/kW. Comuníquese con su representante de ventas de IST para obtener más información sobre esta aplicación.

El vapor se inyecta directamente en la turbina de gas como una manera de incrementar la generación de energía, reducir el consumo de combustible, controlar las emisiones de NOx o enfriar las paletas de las turbinas. Este tipo de aplicación de OTSG permite una mayor producción de energía.

5.5 Combustión de Lecho fluidoLa combustión en lecho fluido (Fluidized bed combustion,FBC en inglés) es una tecnología de combustión usada en centrales eléctricas. Esta tecnología permite una mayor flexibilidad en el uso de combustible: carbón, biomasa, basura etc, además de un mayor aprovechamiento del combustible y una mejor transferencia del calor producido durante la combustión. Un lecho fluido está formado por el combustible en pedazos (aproximadamente es un 2-5% del peso total del lecho) y el lecho propiamente dicho( cenizas, piedra caliza, material adicional,...). No se permite la fundición del lecho, por lo que la temperatura está limitada a 850-900ºC. El lecho fluido sustenta el

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combustible sólido mientras se bombea aire hacia arriba durante la combustión. El resultado es la formación de remolinos que favorecen la mezcla del gas y del combustible.

Tipos y características

Los distintos tipos de lechos fluidos se clasifican en función del parámetro R que indica la cantidad de material que recircula entre el material que se introduce en el lecho. Si 0<R<1, se denomina lecho fluido estacionario. Si 1<R<20 el lecho fluido se llama circulante.

Lecho fluido estacionario Velocidad del lecho: 1-2 m/s Altura de la capa: 1-1,5 m Q= 1,2-1,6 MW/m^2

Ventajas: Temperatura de combustión más baja, buena transferencia de calor (superficie de metal para favorecer la transmisión de calor dentro del lecho), desulfuración interna por medio de piedra caliza, se evita la formación de otros gases contaminantes como halógenos, permite el quemado de carbones ricos en ceniza y combustibles de difícil ignición (por ejemplo basura).

Desventajas: Alto consumo propio y pérdidas en el hogar, mala respuesta a trabajo a carga parcial, el arranque en frío es complicado, técnica y económicamente costoso, la superficie de intercambio es susceptible a la erosión, se supera frecuentemente el límite de emisión de NOx

Lecho fluido circulante Comparación con lecho fluido estacionario: Más complejidad técnica, es decir más componentes: ciclón de recirculación, no existe intercambiador de calor dentro del lecho, velocidad del gas mayor que la velocidad de caída de las partículas (5-6 m/s), mejor mezcla de los sólidos (mejor desulfuración, menos consumo de caliza), temperatura constante en todo el ciclo, menos pérdidas en el hogar, menores emisiones de NOx (la combustión es escalonada).

5.6 Plantas de ciclo combinado de alta eficiencia

Hay una ampliación del concepto de cogeneración que permite disponer aparte del calor y la

energía mecánica/eléctrica habituales, frío a partir de calor residual.

Es posible obtener frío a partir de una fuente de calor mediante sistemas de absorción. Como

resultado se obtiene eficiencia mayor: en la mayoría de los climas, la calefacción no es necesaria

más que unos meses al año, mientras que con la trigeneración se utiliza el sistema también la

estación cálida, lo que mejora (disminuye) el tiempo de amortización del sistema.

Un sistema de refrigeración por absorción necesita una temperatura mínima de unos 80°C para

funcionar, del que se obtiene el agua de descarga a unos 40º o 50 °C y el agua de refrigeración a

unos 0º a 4º C.

Hay otro modos de maximizar el concepto de cogeneración.

En invernaderos se pueden reaprovechar los gases del sistema de cogeneración, previamente

tratados con un catalizador como fertilización carbónica.

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Otra modalidad es la denominada Tetrageneración, en la que además de las tres formas de

energía anteriores se genera simultáneamente energía mecánica aprovechable por ejemplo, para

generar Aire comprimido. En España hay pocos ejemplos de tetrageneración, salvo casos como la

factoría FORD en Almusafes, que es un buen ejemplo.

Biblografía

Pendiente…

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