3 CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA TERMICA EN ENERGÁ ELÉCTRICA.docx

CENTRO DE LA INNOVACIÓN LA AGROINDUSTRIA Y EL TURISMO

GENERACIÓN DE ENERGÍA

MÓDULO 3

CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA TÈRMICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA

ELABORADO POR:

EDIWN FERMANDO SANCHEZ VELEZ

TECNOLOGO ELELCTORMECANICO

SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE SENA


RIONEGRO, ANTIOQUIA

2010

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5. PRINCIPIO BÁSICO DE LA CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA TÉRMICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA

El principio básico de la generación de energía eléctrica a partir de la energía térmica, consiste en convertir la energía química almacenada en un combustible en energía eléctrica, para la cual inevitablemente hay que pasar por una serie de transformaciones intermedias tales como:

Liberación de energía química. Dada a través de un proceso de combustión, cuando el combustible mediante una reacción de oxidación, reacciona con el aire, libera la energía química en forma de calor.

Transferencia de calor a un fluido caloportador. La energía térmica liberada puede ser portada por los gases de combustión o transferida a otro fluido. Si se trata de una turbina a gas el fluido caloportador son los gases de combustión. En una planta de vapor el calor liberado durante la combustión es transferido al agua, que como resultado de la transmisión de calor cambia de fase, en este caso el vapor de agua es fluido caloportador.

Transformación de la energía térmica a energía mecánica. En una turbomáquina la energía térmica almacenada en el flujo masico de fluido (entalpía del fluido) es transformada en energía mecánica rotacional en el eje de la máquina.

Transformación de la energía mecánica rotacional a energía eléctrica. Esta transformación es regida por el principio de inducción electromagnética de Faraday: “En todo conductor eléctrico en movimiento en presencia de un campo magnético se induce una fuerza electromotriz”.

En un caso más particular se ilustrará a continuación el proceso de conversión de energía térmica en energía eléctrica basada en turbinas a gas, las cuales en la actualidad toman un papel importante dentro de la industria de la generación de energía. La tecnología de las turbinas a gas pueden ser utilizadas en muchas clase de configuraciones, entre ellas esta la configuración de ciclo simple, ciclo combinado, ciclo STIG, cogeneración y otras configuraciones mejoradas de las anteriores con el fin de obtener mejor eficiencia térmica y generación de potencia.

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Para el análisis de una turbina a gas a ciclo simple se requiere la evaluación de tres procesos básicos:

Compresión (turbocompresor).

Adición de calor (combustión).

Expansión (turbina).

Además, el ciclo termodinámica sobre el cual operan todas las turbinas a gas se conoce como el ciclo Brayton.

5.1 Esquemas básicos de funcionamiento de las centrales termoeléctricas

Ciclo Simple

Figura 6.1 Turbina a gas de ciclo simple y un solo eje

En la Figura 6.1 se muestra el diagrama esquemático de una turbina a gas de ciclo simple y un solo eje. El aire entra en el compresor de flujo axial en el punto 1 en condiciones ambientales. Como tales condiciones varían en los distintos días y lugares, es aconsejable considerar algunas condiciones normales para fines comparativos. Las condiciones normales utilizadas por la

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industria de las turbinas a gas son temperatura 59° F (15° C), presión atmosférica 14,7 psia (1,013 bares) y 60 % de humedad relativa, establecidas por la Organización de Normas Internacionales, ISO, y a menudo se les conoce como las condiciones ISO.

El aire que entra en el compresor en el punto 1 se comprime a una presión más elevada. No se agrega calor, sin embargo, la compresión aumenta la temperatura del aire, con el fin de que en la descarga del compresor el mismo tenga una temperatura y presión más elevada.

Después de salir del compresor, el aire entra al sistema de combustión en el punto 2, donde se inyecta combustible y ocurre la combustión. El proceso de combustión ocurre básicamente a presión constante. Aunque se alcanzan temperaturas elevadas locales en la zona de combustión primaria (llegando a condiciones estequiométricas), el sistema de combustión está diseñado para permitir la mezcla, inflamación, dilución y enfriamiento. Por lo tanto, cuando la mezcla de combustión sale del sistema de combustión y entra en la turbina en el punto 3, se encuentra a una temperatura promedio mezclada.

En la sección de la turbina a gas, la energía de los gases calientes se transforma en trabajo. Esta conversión en realidad ocurre en dos pasos. En la sección de las toberas de la turbina, los gases calientes se expanden y una parte de la energía térmica se convierte en energía cinética. En la siguiente sección de los álabes de la turbina, parte de esa energía se transfiere a los álabes móviles y se transforma en trabajo.

Parte del trabajo desarrollado por la turbina se utiliza para impulsar el compresor y el resto está disponible para trabajo útil en la brida de salida de la turbina a gas. Normalmente, más de 50% del trabajo desarrollado por las secciones de la turbina se usa para accionar el compresor de flujo axial.

Como se puede ver en la Figura 6.1, las turbinas a gas de un solo eje están configuradas en un eje continuo y, por lo tanto, todas las etapas operan a la misma velocidad. Estas unidades por lo general se emplean para aplicaciones de impulso de generador donde no se requiere una importante variación de la velocidad.

En la Figura 6.2 se muestra el diagrama esquemático de una turbina a gas de dos ejes y ciclo simple. El rotor de baja presión o de la turbina de potencia está separado mecánicamente de la turbina de alta presión y el rotor del compresor. Esta función única permite que la turbina de potencia se opere en un rango de velocidades y hace que las turbinas a gas de dos ejes sean ideales para aplicaciones de velocidad variable.

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Todo el trabajo desarrollado por la turbina de potencia está disponible para impulsar el equipo de carga pues el trabajo desarrollado por la turbina de alta presión suministra toda la energía necesaria para impulsar al compresor.

Los requerimientos de arranque del tren de carga de la turbina a gas se reducen porque el equipo de carga está separado mecánicamente de la turbina de alta presión.

Figura 6.2 Turbina a gas de ciclo simple y dos ejes

Los gases de escape de las turbinas a gas salen de estas a una presión ligeramente superior a la atmosférica y a una temperatura considerable. De acuerdo con lo anterior, una alternativa para aumentar el aprovechamiento de la energía contenida en el combustible, consiste en instalar dispositivos que aprovechen el calor contenido en los gases de escape. Este calor se puede aprovechar en equipos conocidos como calderas de recuperación de calor que toman el calor de escape de las turbinas de gas y lo transfieren al agua de alimentación para obtener vapor a alta presión y temperatura. El vapor generado de esta forma es dirigido a una turbina de vapor para conformar de esta manera el ciclo combinado. La Figura 6.3 ilustra un esquema básico de un ciclo combinado.

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Figura 6.3 Turbina a gas de ciclo combinado

El ciclo termodinámico empleado para la generación de vapor en un ciclo combinado se rige con el ciclo Rankine.

La caldera de recuperación comprende tres tipos de intercambiadores de calor diferentes. El agua a alta presión fluye a través del extremo frío de la caldera de recuperación a un economizador, donde se recalienta hasta aproximadamente la temperatura de saturación y se transforma acto seguido en vapor en un bucle de evaporación. El vapor saturado se calienta aún mas en un recalentador. El vapor vivo obtenido llega desde aquí a la turbina de vapor y se expansiona en las filas de álabes, transformando la energía térmica en energía mecánica. La turbina de vapor esta acoplada a su vez a un generador que produce corriente eléctrica.

A su salida de la turbina de vapor, el vapor de escape pasa a un condensador, donde se transforma en agua por un sistema de refrigeración que disipa el calor latente. El condensado pasa luego a un desgasificador y a un tanque de agua de alimentación. En el desgasificador, se eliminan todos los gases no condensables por recalentamiento del condensado mediante vapor extraído de la turbina de vapor. El tanque de agua de alimentación absorbe igualmente las fluctuaciones de volumen del circuito de agua y de vapor. El agua abandona el tanque de agua de alimentación a través de las bombas de alimentación, que la retornan a presión a la caldera de recuperación.

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Ciclo Stig

Este ciclo es similar al ciclo combinado, con la diferencia que el vapor generado en la caldera de recuperación de calor se dirige a la turbina de gas, la cual debe ser especialmente diseñada para admitir el flujo adicional de vapor.

5.2Componentes Principales de una central termoeléctrica a gas

Una central termoeléctrica a gas en ciclo simple se compone básicamente de lo siguiente:

Turbina a gas Generador Equipos y Sistemas auxiliares

Figura 6.4 Central térmica a gas, ciclo simple (central termoeléctrica la sierra Empresas públicas de Medellín)

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Figura 6.5 Central térmica a gas, ciclo simple

Turbina a gas

Una turbina a gas es una máquina que convierte la energía térmica en trabajo mecánico. Es un motor térmico de combustión interna, cuyos componentes que interactúan con las corrientes de flujo, lo hacen con base a efectos dinámicos, por tanto una turbina a gas es considerada como una turbomáquina.

Los elementos fundamentales que constituyen una turbina a gas son:

- Turbocompresor o compresor.- Cámara de combustión.- Turbina o expansor.- Sistema de admisión y escape de aire.

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Su funcionamiento puede ser descrito de la siguiente manera: El aire es aspirado de la atmósfera y comprimido en el compresor, para después pasar a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignición, los gases calientes productos de la combustión fluyen a través del expansor, donde se expansionan entregando potencia al eje, la cual se distribuye aproximadamente en 2/3 partes para accionar el turbocompresor y 1/3 parte que se transfiere al generador eléctrico. Los gases al salir del expansor salen con una presión ligeramente superior a la atmosférica, pero a alta temperatura.

- Compresor

El compresor de una turbina a gas puede ser centrífugo o axial. Siendo el compresor de flujo axial el más utilizado en turbinas a gas.

El compresor centrífugo, tal como lo ilustra la Figura 6.6, está constituido por dos elementos principales: el rotor (G) y el difusor (D). El aire entra por el punto A y es acelerado en los conductores comprendidos entre los álabes del rotor; en el difusor, la energía cinética que lleva el aire se transforma gradualmente en energía de presión. El grupo rotor difusor constituye uno de los saltos o etapas del compresor. Generalmente este tipo de compresores están constituidos por varias etapas, lo que permite la instalación de inter-refrigeradores que mejoran el rendimiento de la instalación, al reducir la temperatura del aire entre una y otra compresión.

Figura 6.6 Compresor Centrífugo

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El compresor axial está constituido por varias etapas, las cuales contribuyen a una elevación sucesiva de la presión del aire. Una etapa esta formada por álabes móviles (rotor) y álabes fijos (estator), los álabes móviles al interactuar con la corriente de aire incrementan su energía cinética que luego al pasar por el estator aumenta su presión, debido al efecto difusor que se da en este. Tanto el rotor como el estator están constituidos por una corona de álabes radiales con perfil de ala. Los álabes del rotor están fijados a un disco rotativo, mientras que los del estator lo están a la cubierta exterior.

- Cámara de combustión

La cámara de combustión es el lugar donde el aire y el combustible reaccionan liberando calor y generando productos de combustión a altas temperaturas.

La cámara de combustión puede ser simple o múltiple. Las múltiples son siempre tubulares y las simples pueden ser tubulares y anulares. A su vez, todos estos pueden ser de construcción horizontal o de construcción vertical. Las de construcción horizontal se montan encima o alrededor de la turbina; las de construcción vertical, al lado de la turbina.

Normalmente, en la primera mitad de la cámara de combustión se encuentra los inyectores o toberas que introducen el combustible a presión. La inyección de combustible puede realizarse, según los tipos de turbinas, en el mismo sentido de la corriente de aire, o a contracorriente.

- Turbina

La turbina o expansor es la parte donde a expensas de la disminución de la entalpía de los productos de combustión se genera la potencia para mover el compresor y el generador eléctrico.

Este componente es un convertidor de energía que transforma la energía de los gases a alta presión y temperatura en energía mecánica al eje de la turbina. Con el objeto de obtener una mayor eficiencia y potencia en las turbinas a gas, éstas deben trabajar con altas temperaturas. Por tal razón, es necesario enfriar las partes sujetas a mayores temperaturas y esfuerzos, particularmente en las primeras etapas de la turbina. Para efectos de enfriamiento usualmente se toma aire comprimido de alguna de las etapas intermedias del compresor y se dirige hacia las partes internas de los álabes de la turbina. Otra tecnología recientemente desarrollada incluye el enfriamiento por medio de vapor.

La turbina propiamente dicha puede ser axial o radial, siendo la de tipo axial la más empleada para la producción de energía eléctrica.

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En su forma más sencilla, la turbina axial está constituida, de forma parecida a las turbinas a vapor, por un estator y un rotor provistos, respectivamente, de álabes distribuidores o directrices y álabes motrices.

Los gases calientes entran a los álabes directrices con cierta velocidad, y salen desviados con una velocidad mucho más alta. La energía cinética así obtenida y la que se obtiene al chocar los gases contra los álabes del rotor, es cedida bajo forma de energía mecánica al mismo rotor.

Figura 6.7 Turbina

-Sistema de admisión y escape de aire

El sistema de admisión de aire consiste en un recinto de filtros, integrado y autolimpiante en algunos casos, con un sistema captador de polvo, una estructura de soporte, un sistema de ductos de admisión, y un impelente de entrada que conduce a la sección del compresor de la turbina.

El aire de entrada entra al compartimento de admisión y circula a través de los ductos, con silenciadores acústicos incorporados, un módulo de calefacción de la admisión y filtros de residuos, hasta el impelente de admisión y luego hacia el compresor de la turbina. La posición elevada de los ductos permite que el sistema sea compacto y minimiza la captación de polvo concentrado cerca del suelo.

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El sistema de escape es la sección de la turbina a gas donde los gases utilizados para accionar los rodetes de la turbina son desviados hacia la chimenea de escape y liberados al aire libre. El sistema de escape incluye dos juntas de expansión, un ducto difusor, un codo ascendente, un silenciador del escape, una transición rectangular a redonda y una chimenea de escape (exhosto). La totalidad del sistema de escape está aislado internamente.

Figura 6.8 Admisión Figura 6.9 Escape

Generador

Las turbomáquinas dispuestas para la generación eléctrica generalmente utilizan generadores eléctricos trifásicos sincrónicos de alta velocidad, velocidades entre 1800 (cuatro polos) y 3600 r.p.m. (dos polos), para la producción de energía eléctrica.

El generador básicamente se compone de:- Estator- Rotor- Sistema de enfriamiento- Sistema de excitación

El estator es la parte estática del generador donde se instala el núcleo y los devanados compuestos por barras aisladas montadas sobre las ranuras del núcleo del estator.

El rotor es la parte giratoria del generador, del tipo rotor cilíndrico o de polos lisos. El rotor se maquina a partir de una sola pieza forjada, el cual posee unas ranuras longitudinales maquinadas en forma radial en la estructura que

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contienen las bobinas de campo. Las bobinas de campo se mantienen en las ranuras contra la fuerza centrífuga mediante cuñas.

El sistema de enfriamiento puede ser implementado con aire, con agua o con hidrógeno dependiendo de su capacidad.

Los generadores que emplean el hidrógeno como sistema de enfriamiento del estator y el rotor, poseen un sistema de aceite de sello en los cojinetes que impide la liberación del gas a la atmósfera. Además, contienen un sistema de control de pureza del hidrógeno, ya que debe estar en un alto porcentaje de pureza y a una presión determinada y también poseen un sistema de purga con CO2 en caso de liberar el hidrógeno. Este tipo de generadores está completamente blindado para el funcionamiento con hidrógeno como medio de enfriamiento.

El sistema de excitación suministra la corriente necesaria al campo del rotor para la inducción en los devanados del estator.

Figura 7 Rotor de polos lisos

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Figura 7.1 Generador

Equipos y Sistemas Auxiliares

Si bien una turbina a gas tiene tres componentes principales (turbocompresor, cámara de combustión y expansor o turbina), su operación es posible también debido a la función que realizan los equipos auxiliares. Mas aún, en muchas circunstancias la operación eficiente, la confiabilidad y disponibilidad de la máquina puede depender de la respuesta de los sistemas auxiliares.

Los equipos auxiliares de una turbina a gas pueden clasificarse como imprescindibles y circunstanciales. Los imprescindibles serán aquellos que se requieren para la operación de la máquina independientemente de las condiciones que rodean su funcionamiento. Los circunstanciales dependerán de factores como las exigencias de las condiciones atmosféricas, condiciones para la alimentación del combustible y las estrategias de operación y despacho de carga.

Entre los equipos imprescindibles se pueden nombrar los siguientes: sistema de arranque, sistema de lubricación, sistema de tratamiento de aceite, mecanismos de protección, estación reguladora de combustible, sistemas de protección contraincendio.

Entre los equipos circunstanciales se tiene: sistema de enfriamiento del aire atmosférico, sistema de calentamiento del aire atmosférico, ventilador para incrementar la presión del aire atmosférico, compresor para la alimentación de combustibles gaseosos, planta de tratamiento de agua.

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