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Cagua, 13 de julio de 2015Informe

1 ) Generacin de potencia con una turbina a gas.Las centrales con turbinas de gas tienen la ventaja de que prcticamente no contaminan. Adems, como apenas tienen inercia trmica se utilizan como centrales de punta o como centrales de reserva, es decir para sustituir total o parcialmente a las centrales hidrulicas o trmicas de base en el caso de escasez de agua o de avera. Para centrales de punta y potencias unitarias de 10 a 25 MW son ms convenientes las centrales trmicas de gas que las centrales de vapor o que las centrales con grupos motor diesel-alternador. Para potencias inferiores a los 10 MW se ha de descartar por razones econmicas la central de vapor, siendo las dos soluciones restantes equivalentes. En las zonas donde hay escasez de agua y existen prximos yacimientos de gas natural se suelen utilizar centrales con turbinas de gas como centrales de base. Las turbinas de gas funcionan siguiendo un ciclo de Brayton. La diferencia esencial del ciclo Brayton con el Rankine es que en el primero el fluido de trabajo es un gas, mientras que en el segundo es un vapor que se condensa y evapora en el ciclo. Adems, la compresin en el ciclo Brayton absorbe mayor trabajo que en el ciclo Rankine por realizarse en la fase gaseosa y fase lquida respectivamente.Los elementos bsicos de la turbina son: - el compresor - la cmara de combustin - la turbina de gas En el ciclo no regenerativo de Brayton los gases de escape de la turbina a elevada temperatura ceden a la atmsfera una gran cantidad de calor. El ciclo regenerativo consiste en recuperar parte de este calor para calentar el aire que sale del compresor y entra en la cmara de combustin con lo que se mejora el rendimiento del ciclo y se ahorra combustible. En los ciclos con regeneracin con varias etapas de compresin se puede llegar a rendimientos del 34 al 35% y la potencia unitaria lmite del orden de los 30 MW. A base de un solo compresor (4,5 bar) y una sola turbina con un cambiador de calor se alcanzan rendimientos del 24% y la potencia lmite es del orden de los 10 MW. Los ciclos de las turbinas de gas se clasifican en ciclos abiertos y cerrados, segn los gases de la turbina sean evacuados directamente a la atmsfera o se recirculen hacindolos pasar al compresor a travs de un intercambiador de calor.En el ciclo cerrado se trabaja con presin mucho ms elevada que en el ciclo abierto, con la consiguiente reduccin del volumen de aire y de las dimensiones de tuberas y maquinaria. La presin a la salida de la turbina es del orden de los 5 bar y el calentamiento del aire se efecta a 25 bar para centrales de hasta 10 MW de potencia, pudiendo llegar hasta los 50 bar para potencias superiores. Los rendimientos de los ciclos cerrados pueden llegar al 32% y 34 % con potencias lmites unitarias de unos 10 MW (para presiones de 30 bar) o 20 MW (para presiones del orden de los 60 bar). Finalmente hay que sealar que la turbina de gas es mecnicamente ms sencilla que la turbina de vapor. Exige un motor elctrico o un motor de combustin interna para el arranque. No exige apenas agua de refrigeracin.La cmara de combustin: Se fabrican de tipo cilndrico o en forma de anillo. Debe llevar el gas a temperatura uniforme con mnimas diferencias de presin. Generalmente se fabrican metlicos y se enfran con el aire entrante.2) Dispositivos auxiliares.Accesorios: Tambin posee varios dispositivos auxiliares tales como filtros, dispositivos de regulacin de velocidad, de lubricacin, de alimentacin, del combustor y de puesta en marcha. Estos dispositivos dependen de las caractersticas de velocidad y de la relacin peso / potencia.3) Funcionamiento de una turbina a gas.El ciclo bsico de la turbina de gas es el BRAYTON o JOULE.Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto.A) Aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presin se eleva. B) El aire de alta presin sigue hacia la cmara de combustin donde el combustible se quema a presin constante. C) Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presin atmosfrica, de tal forma que producen potencia. D) Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), lo que provoca que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.

Las centrales elctricas de turbina de gas son empleadas por la industria de generacin elctrica en emergencias y durante perodos picos gracias a su bajo costo y rpido tiempo de respuesta. Las turbinas de gas tambin se utilizan con las centrales elctricas de vapor en el lado de alta temperatura, formando un ciclo dual. En estas plantas, los gases de escape de las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas tambin puede ejecutarse como un ciclo cerrado para ser utilizado en centrales nucleoelctricas. Esta vez el fluido de trabajo no se limita al aire., y puede emplearse un gas con caractersticas ms convenientes (como el helio).

4) Centrales de ciclos combinados.Una central de ciclo combinado es aquella en la que la energa trmica del combustible es transformada en electricidad mediante el acoplamiento de dos ciclos termodinmicos individuales, uno que opera a alta temperatura y otro con menores temperaturas de trabajo. El calor residual del proceso de generacin de trabajo neto en el ciclo de alta temperatura se aprovecha en su mayor parte en un intercambiador de calor para producir trabajo en un ciclo termodinmico de baja temperatura. En la prctica, el trmino ciclo combinado se reserva de forma casi universal a la conjuncin en una nica central de dos ciclos termodinmicos, Brayton y Rankine, que trabajan con fluidos diferentes: gas y agua-vapor. El ciclo que trabaja con aire-gases de combustin (Brayton) opera a mayor temperatura que el ciclo cuyo fluido es agua-vapor (Rankine) y ambos estn acoplados por el intercambiador de calor gases/agua-vapor, que es la caldera de recuperacin de calor. La unin termodinmica de estos ciclos conduce generalmente a la obtencin de un rendimiento global superior a los rendimientos de los ciclos termodinmicos individuales que lo componen. La justificacin de los ciclos combinados reside en que, desde un punto de vista tecnolgico, resulta difcil conseguir un nico ciclo termodinmico que trabaje entre las temperaturas medias de los focos caliente y fro usuales. Es por ello que, como solucin se acude al acoplamiento de dos ciclos: uno especializado en la produccin de trabajo con alta eficiencia en rangos altos de temperaturas de trabajo (Brayton) y otro para temperaturas medias bajas (Rankine).

En los ciclos combinados el escape de la turbina de gas se utiliza como fuente calorfica para un ciclo de turbina de vapor, llegando a alcanzar en aplicaciones de plantas para generacin de energa elctrica, rendimientos trmicos superiores al 50%. Una planta simple de ciclo combinado consiste en una instalacin de turbina de gas (ciclo Brayton) mejorada, por cuanto los gases de escape de dicha turbina pasan a travs de un generador de vapor, que forma parte de un ciclo de vapor. El generador de vapor utiliza como fuente calorfica los gases de escape de la turbina de gas, para configurar un ciclo Rankine con su turbina de vapor. Se genera electricidad con los trabajos mecnicos de la turbina de gas y la turbina de vapor. En el ciclo combinado, el generador de vapor recupera el calor residual que tienen los gases de escape de la turbina de gas, que se comporta como una caldera de recuperacin, o caldera de calor residual. La utilizacin de ciclos de turbinas de vapor en ciclos combinados gas-vapor se deriva del excelente acoplamiento trmico existente con el ciclo de las turbinas de gas en los rangos actuales de temperaturas de trabajo y los altos rendimientos que el empleo conjunto de dichas tecnologas posibilita. El ciclo de las turbinas de vapor es la aplicacin tecnolgica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolucin se produzcan cambios de fase. El fluido motor empleado suele ser agua desmineralizada, fundamentalmente por su facilidad de manejo, reposicin y abundancia, aunque conceptualmente no es el nico y podra emplearse otros fluidos tales como mercurio o fluidos orgnicos. Las turbinas de vapor modernas admiten de un 16% a un 18% de humedad en las ltimas ruedas sin que el deterioro de los labes sea importante. Es sin embargo un hecho que, incrementos de presin en la caldera o disminuciones en la presin de condensacin llevan aparejados incrementos en el porcentaje de humedad presente. Para reducir la humedad en el escape, la solucin adoptada en las centrales trmicas convencionales consiste en el recalentamiento del vapor una vez que se ha realizado en la turbina la expansin parcial del mismo. Con el recalentamiento, a la vez que se consiguen incrementos significativos de potencia, puede mejorarse el rendimiento si se aumenta la temperatura media del foco caliente. Esto es generalizable para el ciclo agua-vapor en centrales trmicas de ciclo combinado.La existencia de recalentamiento en un ciclo combinado viene definida por consideraciones termo econmico, no justificndose la complicacin que representa su instalacin en la central cuando las potencias de la misma son pequeas o su perodo de amortizacin muy largo. En la actualidad, las centrales de ciclo combinado se construyen con un nico recalentamiento. En centrales de ciclo combinado gas-vapor, el hecho de realizar extracciones para hacer regenerativo el ciclo es contraproducente, ya que un incremento de la temperatura de aportacin del agua a la caldera lleva aparejado un menor salto de temperaturas entre el agua y el gas en la caldera de recuperacin de calor y una transmisin de calor menos eficaz en la misma. La regeneracin representa un incremento en el rendimiento del ciclo Rankine, pero un menor rendimiento global del ciclo combinado. En los ciclos Rankine empleados en centrales de ciclo combinado puede existir, sin embargo, un cambiador de calor de mezcla denominado desgasificador, no tanto para modificar el ciclo termodinmico y efectuar una regeneracin, sino como tanque de agua de alimentacin a caldera y eliminacin de oxgeno y gases disueltos en el agua empleada.Presiones elevadas de trabajo en el ciclo de una central representan un incremento en la temperatura media de aportacin de calor, y por tanto un incremento de rendimiento a pesar de las dificultades constructivas que ello conlleva, tanto por los materiales empleados en los tubos de la caldera como por los restantes elementos que componen el ciclo. Este hecho es vlido tanto para presiones de trabajo supercrticas (superiores a 221 bar para el agua) como subcrticas. En los ciclos combinados gas-vapor, el empleo de presiones altas representa una mejora en el proceso de recuperacin de calor en la caldera al acercar la lnea de aportacin de calor en el ciclo Rankine a la de cesin de energa de los gases de escape de la turbina de gas, y por tanto, dando lugar a incrementos importantes en el rendimiento. Hay que destacar que la meseta de cambio de fase en la caldera siempre representa una diferencia de temperaturas importante entre los gases de escape de la turbina y el agua, y por tanto la causa de una disminucin en los rendimientos globales del ciclo, factor que para presiones de trabajo supercrticas en los que dicha meseta no existe se minimiza. Incrementos en la presin de alimentacin a caldera representan incrementos en la humedad existente en los ltimos escalonamientos. Es por ello que los incrementos en las presiones de trabajo en los ciclos combinados gas-vapor van normalmente acompaados de modificaciones tendentes a la reduccin de la humedad existente en las ltimas etapas de la turbina de vapor.Otras aplicaciones de los ciclos combinados incorporan una combustin suplementaria en la caldera de recuperacin, aprovechando el aire en exceso caliente de los gases de combustin de la turbina de gas, elevando la temperatura del vapor y mejorando las caractersticas de funcionamiento del ciclo de vapor. Otra solucin para combinar ciclos de gas y de vapor es aquella en la que el hogar de la unidad generadora de vapor sirve de cmara de combustin para producir los gases destinados al ciclo de la turbina de gas; la fuente principal de calor, para ambos ciclos, es el proceso de combustin que tiene lugar en el hogar del generador de vapor, correspondiente al ciclo Rankine; los gases de la combustin, tras el intercambio trmico en el generador de vapor, se expansionan en la turbina de gas, mientras que el vapor generado se expansiona en la turbina de vapor. El calor contenido en los gases de escape de la turbina de gas no es despreciable, y se puede recuperar utilizando un calentador regenerativo gas-aire, en el ciclo de la turbina de gas, o incluso mediante un calentador de agua en el ciclo de la turbina de vapor; un ejemplo de esta solucin, lo constituye la combinacin de un generador de vapor con combustin en lecho fluido presurizado con su correspondiente ciclo de vapor y de turbina de gas. La eficiencia global del ciclo combinado gas-vapor vendr determinada por las eficiencias individuales de los ciclos Brayton y Rankine que lo componen, as como por la capacidad para realizar un adecuado trasvase del calor residual presente en el escape del ciclo Brayton al ciclo Rankine por medio de la caldera de recuperacin de calor.El rendimiento del ciclo combinado viene dado por:

El rendimiento global del ciclo combinado depende tambin del rendimiento obtenible en la caldera de recuperacin de calor. En el caso de un ciclo combinado gas-vapor se puede comprobar que la eficiencia, en general, puede mejorar aumentando las temperaturas medias de los focos calientes y reduciendo las temperaturas medias de los focos fros, es decir, aumentando la temperatura de trabajo en las turbinas y reduciendo la temperatura y presin a la cual se produce la cesin de calor (humos y vaco del condensador). Tambin puede aumentarse la eficiencia optimizando el proceso para reducir las prdidas asociadas a las distintas mquinas que componen el ciclo y disminuyendo los saltos de temperatura existentes entre los gases de salida de la turbina de gas y el ciclo aguavapor en la caldera de recuperacin. Esto ltimo se consigue aumentando el nmero de niveles de presin en la caldera, recalentando el vapor, e introduciendo un nivel de presin supercrticoen el ciclo Rankine, medidas que dan lugar adems a una mayor temperatura media del foco caliente en el ciclo de vapor, y por consiguiente, a una mejora de su rendimiento. Las calderas de recuperacin de calor para un ciclo combinado gas-vapor pueden disearse de forma que, en lugar de ser puramente convectivas y recuperar el calor de los gases de escape del ciclo de alta, permitan una combustin suplementaria. El combustible en esos casos puede ser o no el mismo que el empleado en la cmara de combustin de la turbina de gas, y cuando se emplea este sistema se dice que el ciclo combinado admite postcombustin. Desde el punto de vista termodinmico, la principal diferencia con los ciclos combinados sin postcombustin es que no todo el calor se aporta en la parte de alta temperatura del ciclo. El rendimiento total de un ciclo combinado con postcombusitn para un esquema tpico en una configuracin 1x1 (una turbina de gas y una turbina de vapor), y de los elementos individuales que lo componen viene dado por la expresin:

Las ventajas de estas centrales frente a las trmicas convencionales pueden resumirse en: - Menores emisiones de CO2 por kWh producido - Reduccin muy significativa de las emisiones de NOx - Menores consumos de agua de refrigeracin - Elevado rendimiento - Menor superficie ocupada - Corto plazo de construccin - Alta disponibilidad de estas centrales - Alto grado de automatizacin

Ciclos combinados gas vapor con diferente niveles de presin y temperatura.Dado que las turbinas de gas utilizadas en los ciclos combinados gas-vapor estn estandarizadas con potencias y temperaturas de gases ya definidas-, quedan como grados de libertad para la optimizacin del ciclo la presin, la temperatura y el caudal de vapor producido en la caldera de recuperacin de calor. Estos han de ser seleccionados de forma que se obtenga el menor coste final del kWh producido en el conjunto caldera-turbina de vapor.Los principales parmetros que contribuyen a definir de forma ms eficiente el ciclo agua-vapor son: - Presin de vapor - Temperatura de vapor - Pinch point - Approach temperatura - Cada de presin en el sobre calentador - Cada de presin en el economizador - Temperatura del agua de alimentacin

Ciclo combinado gas vapor con recalentamiento.En los ciclos combinados gas-vapor con uno, dos y tres niveles de presin, el contenido en humedad del vapor en la ltima rueda limita la posibilidad de incrementar la presin del vapor, y por tanto de aumentar la potencia obtenida en la turbina de vapor. Asimismo, en el ciclo con tres niveles de presin, se observa un cierto recalentamiento al mezclarse los flujos de vapor de alta presin y presin intermedia, si bien el efecto de recalentamiento es suave debido al poco flujo de vapor de presin intermedia.El concepto de recalentamiento introduce un cambio significativo en la turbina de vapor con dos cuerpos diferenciados: alta presin y presin intermedia en un cuerpo y otro cuerpo de baja presin, o un cuerpo de alta presin y otro cuerpo para la presin intermedia y baja presin. El vapor en este ciclo, despus de expandirse en el cuerpo de alta presin hasta la presin intermedia vuelve a la caldera y se mezcla con el vapor procedente del sobre calentador de presin intermedia, para recalentarse conjuntamente a una temperatura prxima de la del vapor de alta presin y expandirse en el cuerpo de presin intermedia-baja presin.En un ciclo combinado gas-vapor con tres niveles de presin y recalentamiento no hay mezcla de vapores en la turbina de vapor, evitando as zonas de fatiga trmica por diferencias de temperaturas.En el balance trmico se comprueba que, al incrementar la presin del vapor de alta, se reduce un poco su masa y aumenta ligeramente la del vapor de presin intermedia. El rendimiento del ciclo mejora debido al recalentamiento y la humedad en la ltima rueda de la turbina se reduce al 10%, valor significativamente ms bajo que el 16-18% del ciclo con triple nivel de presin debido a que la zona de trabajo del vapor recalentado, hasta el nivel de presin en el condensador, proporciona una humead final ms baja.Turbina de gas aeroderivadas: Provienen del diseo de turbinas de para fines aeronuticos, pero adaptadas a la produccin de energa elctrica en plantas industriales o como micro turbinas. Sus principales caractersticas son su gran fiabilidad y su alta relacin potencia/peso, adems cuentan con una gran versatilidad de operacin y su arranque no es una operacin tan crtica como en otros tipos de turbinas de gas.Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal. Su compacto diseo facilita las operaciones de sustitucin y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven a cabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.

Turbina de gas industrial:La evolucin de su diseo se ha orientado siempre a la produccin de electricidad, buscndose grandes potencias y largos periodos de operacin a mxima carga sin paradas ni arranques continuos.Su potencia de diseo puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneracin. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamao y peso, buscndose alargar lo ms posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

Turbina de cmara de combustin tipo silo:En estos diseos la cmara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cmara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansin por una abertura inferior conectada a sta.Su diseo no est muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.Turbina de cmara de combustin anular:En este caso la cmara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado alrededor del eje. Tiene un nico tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeracin de los gases de combustin y bajas perdidas de carga, aunque su distribucin de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que en cmaras tubo anulares.Este diseo se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas.

Turbina de cmara de combustin tubo anular:Una serie de tubos distribuidos alrededor del eje de forma uniforme conforman este diseo de cmara de combustin. Cada una posee un nico inyector y buja. Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Adems si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. La pieza de transicin, que es la que recoge todos los gases de combustin para dirigirlos a la turbina de expansin, es una parte delicada de la instalacin.Esta tecnologa es utilizada en sus diseos por Mitshubishi y General Electric

Turbina monoeje:El compresor, turbina de expansin y generador giran de forma solidaria con un nico eje de rotacin. La velocidad de giro es en la inmensa mayora de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador elctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseo usual en las grandes turbinas comerciales de generacin elctrica.

Turbina multieje:La turbina de expansin se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presin, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda seccin comparte eje con el generador, aprovechndose la energa transmitida en la generacin de electricidad. Esta tecnologa es utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequea potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.

6) combustibles utilizados en las plantas trmicas.- Gas- Diesel- Gasoil- Orimulsion