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CAPITULO III TURBINAS A GAS
ANTECEDENTES HISTRICOS
La 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 PERU En 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 20MW 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. Malacas En 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. Aguaytia
Con 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 SIMPLE
ENTRADA DE COMBUSTIBLE
SALIDA DE GASES
COMPRESIONENTRADA DE AIRE
COMBUSTION
EXPANSIONTURBINA A GAS
COMPRESOR
CAMARA DE COMBUSTION
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA CON TURBINAS A GAS Tal 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 PLANTA Calor entregado por el ciclo Q1= mgcpg(T3-T2) Calor rechazado por el ciclo Q2= mgcpg(T4-T1) Potencia requerida por el Compresor TC= macpa(T2-T1) Potencia desarrollada por la turbina TT= mgcpg(T3-T4)
TRABAJO UTIL TU = Q1 - Q2 = TT - TC
DETERMINACION DE LA EFICIENCIA DEL CICLO
ciclo = 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=0 d[mcp(T3-T4-T2+T1)]/dT2 = 0 T1 es la condicin ambiente (fijo) T3 es la temperatura mxima (fijo) T2 es la temperatura variable T4 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 COMPRESOR
COMPRESOR Trabajo 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)
TURBINA Trabajo 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 70F La temperatura mxima del ciclo es de 2 520R Relacin de presiones: 12 Considerar 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 aire Constante isentrpica = 1:4Calcular 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 ubicacin Poco espacio y mnimo de obras civiles Corto perodo de construccin Utilizan combustibles limpios (gas, Diesel 2) Bajo nivel de emisin de contaminantes No se requiere de agua de refrigeracin Rpido 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 UNITARIOS
Actualmente 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.
FABRICANTES
Existen 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 GAS
TIPO DE COMBUSTIBLE Gas natural Propano Petrleo liviano como el Diesel N2 Petrleo residual de bajo contenido de azufre Carbn gasificadoNOTA.- 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 NATURAL El 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 tuboanular. 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.
LA COMBUSTION EN UNA TURBINA A GAS 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%
LOS EXCESOS DE AIRE EN LAS TURBINAS A GASRESULTADOS DE ANALISIS DE GASES DE COMBUSTION DE TURBINA A GAS "X" e "Y" a Octubre de 2004 PARAMETRO UNIDAD TG "X" TG "Y" Carga MW 155,51 152,99 Temperatura C 422 443,9 O2 % 16,3 15,2 CO2 % 2,7 3,3 CO ppm 50 31 NO ppm 34 37 NOx ppm 35 39 Exceso de aire % 345,4 260,7
Los 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 SIMPLE
30% - 38%
65% - 57%
PARAMETROS QUE DEFINEN LA ECONOMIA DE UNA TURBINA A GAS
El costo especfico de inversin (US$/KW) Heat Rate eficiencia trmica
Precio del combustible
PRECIOS FOB DE TURBINAS A GAS DE CICLO SIMPLECapital Cost for Combustion Turbines(*)Manufacturer Modelo Capital Cost Rated Output US$ 1,000 (MW) 10100 NA 12800 14800 17600 21800 17800 20100 22400 18300 19600 20500 32400 32100 36400 34000 39.2 42.1 50.1 51.6 82.1 113.2 85.4 106.6 122.2 70.1 68.1 85.9 171.7 172.6 177.8 178.5 US$/KW 1998(1) Ene-2002(2) 258 NA 255 287 214 193 208 189 183 261 288 239 189 186 205 190 303 300
Conventional machines GE PG6561(B) (6B) ABB GTX100 Westinghouse 251 B12 ABB GT8C ABB GT11N1 ABB GT11N2 GE PG7121(EA)(7EA) Siemens V84.2 Westing/Mitsubishi W501D5A Advanced F Type Machines GE PG6101(FA)(6FA) Siemens V64.3 Westinghouse 401 GE PG7241(FA)(7FA) Westinghouse W501F ABB GT24 Siemens V84.3A
220
226
COSTO DE INVERSION DE TURBINAS A GAS DE CICLO SIMPLETamao Nominal Tipo de moneda Costo FOB equipo de Generacin Repuestos Transporte Martimo Seguro Costo CIF Costos de Conexin Ad Valorem CIF Supervisin de Importaciones Gastos de Desaduanaje Suministros y Obras Locales Total Costos Directos Costos indirectos Costo Total de Inversin CostoTotal Especfico (US$/KW) TG 100 M.N. M.E. 23,400 585 585 117 24,687 839 TG 125 M.N. M.E. 28,125 703 703 141 29,672 1,007 TG 150 M.N. M.E. 33,600 840 840 168 35,448 1,133
457 2,962 234 197 3,485 7,336 2,472 9,808 98.08 368
480 3,561 281 237 3,746 8,305 2,571 10,876 87.01 345
503 4,254 336 284 4,008 9,384 2,719 12,103 80.69 336
25,526 1,455 26,981 269.81
30,679 1,571 32,250 258.00
36,581 1,746 38,327 255.51
HEAT RATE Y EFICIENCIA DE TURBINAS A GAS HEAT 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 SIMPLEFABRICANTE MODELO MAQUINAS CONVENCIONALES GE PG6561(B)(6B) Westinghouse 251 B12 ABB GT8C ABB GT11N1 ABB GT11N2 GE PG7121(EA)(7EA) Siemens V84.2 Westinghouse/Mitsubishi W501D5A MAQUINAS TIPO AVANZADAS GE PG6101(FA)(6FA) Siemens V64.3A Westinghouse 401 GE PG7241(FA)(7FA) Westinghouse W501F ABB GT24 Siemens V84.3A MAQUINAS TIPO AERODERIVATIVAS GE LM600PC Turbo Power FT&Twin Rolls Royce TRENT P (KW) 39,2 50,1 51,6 82,1 113,2 85,4 106,6 122,2 70,1 68,1 85,9 171,7 172,6 177,8 178,5 171,7 172,6 177,8 HR - HHV BTU/KWh KJ/KWH 11884 11551 11296 11703 11070 11562 11255 10852 11074 10465 10353 10386 10397 10031 9820 9221 10057 9110 12538 12187 11918 12347 11679 12199 11875 11449 11684 11041 10923 10958 10969 10583 10361 9729 10611 9612 HR - LHV BTU/KWh KJ/KWH 10710 10410 10180 10547 9976 10420 10143 9780 9980 9431 9330 9360 9370 9040 8850 8310 9063 8210 11300 10983 10740 11128 10525 10994 10701 10318 10529 9950 9844 9875 9886 9538 9337 8768 9562 8662
EFICIENCIA DE ALGUNAS TURBINAS A GAS DE CICLO SIMPLE GAS NATURAL Estas 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 COMBUSTIBLES
Ejemplo: Gas Natural: 2,1 US$/MMBTU Petrleo Diesel N2: 12,18 US$/MMBTU
COSTOS DE GENERACION ELECTRICA DE UNA TURBINA A GAS El 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$/KW-AO Vs. HORAS DE OPERACIN DE LA UNIDAD El costo total anual (en US$/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$/KW-ao) = (CEI)*(frc)+CF + (CVC + CVNC)*t
frc = factor de recuperacin de capital = i*(1+i)n/(1+i)n 1 i = tasa de inters anual por perodo (p.e. 12% osea i= 0.12) n = vida util de la unidad (en este caso 15 aos) CVC y CVNC en US$/KWh t = horas de operacin
COSTO DEL KWh EN FUNCION DE LAS HORAS DE OPERACIN (FACTOR DE PLANTA)
CE(US$/KWh)=(CEI*frc+CF)/t + CVC + CVNC
CASO APLICATIVO Hallar la funcin que representa los costos totales en US$/KW-ao Vs horas de operacin y los costos del Kwh (US$/KWh) Vs horas de operacin, para los siguientes datos. Tambin hallar el Costo de generacin para una operacin promedio de 5000 h/ao.
CEI: 350 US$/KW Vida util: 15 aos Tasa de descuento: 12% CF: 2.5 US$/Kw-ao = 37% Precio Gas: 1.8 US$/MMBTU CVNC: 3.5 US$/MWH
RESPUESTAS: CT(US$/KW-ao) = 53,8885 + 0,02009*t CE(US$/KWh) = 53,8885/t + 0,02009 CE5000 = 0,03087 US$/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