Generación T ermoeléctrica con Turbinas de Gas

1. Generación Termoeléctrica con Turbinas de Gas 65.17 - CentralesEléctricasFI – UBA - 2011

2. INTRODUCCION • DISEÑO COMPACTO Y LIVIANO • EXCELENTE DISPONIBILIDAD • SIMPLICIDAD, VERSATILIDAD • ALTA DENSIDAD DE POTENCIA • FACIL INSTALACION • BAJA VIBRACION • LARGA VIDA UTIL • POCO MANTENIMIENTO • COMBUSTIBLE: GAS NATURAL O DESTILADOS DE PETROLEO SEGÚN EL DISEÑO

3. TIPOS DE TURBINAS DE GAS • ETAPAS DEL CICLO: • INDUCCION -> COMPRESION -> COMBUSTION -> EXPANSION • CICLO DE COMBUSTION CONTINUA (A DIFERENCIA DEL OTTO) • CICLO BRAYTON: • INDUCCION Y COMPRESION DEL AIRE ATMOSFERICO • MEZCLADO CON EL COMBUSTIBLE • EXTRACCION DE ENERGIA EN ALTERNADOR • ACCIONAR AL COMPRESOR • LIBERAR GASES A LA ATMOSFERA

4. TIPOS DE TURBINAS DE GAS TURBINA DE GAS AERODERIVADAS INDUSTRIALES • MATERIALES DE “ALEACIONES POBRES”, MAS ECONOMICOS, PERO REQUIEREN MAYOR ESPESOR. • GRADIENTE DE CARGA LIMITADO PARA EVITAR STRESS TERMICO QUE RESULTA EN UN MAYOR MANTENIMIENTO • ACELERACION MAS LENTA Y MAYOR CUPLA DE ARRANQUE (INERCIA CONSIDERABLEMENTE MAYOR). • EL DISEÑO DE LA CAMARA DE COMBUSTION NO QUEDA LIMITADO POR PESO O ESPACIO, SIENDO CAPACES DE QUEMAR DISTINTOS COMBUSTIBLES. • RODAMIENTOS MENOS EXIGIDOS, CON ACEITES LUBRICANTES MINERALES (MENOR COSTO). • MENOR REQUERIMIENTO DE MANTENIMIENTO. • RELACIONES DE COMPRESION ENTRE 20:1 A 30:1 • ADAPTACION DE LA AVIACION PARA EL USO INDUSTRIAL • DISEÑO COMPACTO, LIVIANO PERMITIENDO SER ENSAMBLADA EN FABRICA Y MINIMZAR LOS TIEMPOS DE PUESTA EN MARCHA. • ALEACIONES DELGADAS, CARAS Y LIVIANAS PARA LA CARCAZA. • RAPIDA VARIACION DE CARGA Y TOLERAN NUMEROSOS ARRANQUES/PARADAS (BAJA CAPACIDAD TERMICA) • BAJA FLEXIBILIDAD PARA UTILIZAR DISTINTOS COMBUSTIBLES (DISEÑO COMPACTO DE LA CAMARA DE COMBUSTION) • RAPIDA ACELERACION (BAJO MOMENTO DE INERCIA). • CAJA REDUCTORA (TURBINA DE ALTA VELOCIDAD) • RELACIONES DE COMPRESION 15:1 • MAYOR MANTENIMIENTO

5. TIPOS DE TURBINAS DE GAS TURBINA DE GAS AERODERIVADAS INDUSTRIALES GE LM6000 SIEMENS SGT-750

6. TIPOS DE TURBINAS DE GAS

7. TIPOS DE TURBINAS DE GAS • EL COMPRESOR DE AIRE Y TURBINA, AMBOS EN UN EJE COMUN ROTANDO A MISMA VELOCIDAD • IMPOSIBILIDAD EN EL CAMBIO DE VELOCIDAD DE ROTACION PARA LOGRAR MEJOR RENDIMIENTO DEL COMPRESOR ANTE DIFERENTES ESTADOS DE CARGA. • Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.

8. TIPOS DE TURBINAS DE GAS • La turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. • La segunda sección comparte eje con el generador, aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad. • PERMITEN LA OPERACIÓN A VELOCIDAD VARIABLE ENTRE 60-100% DE LA VELOCIDAD • Esta configuración permite mejorar la eficiencia por medio de la optimización de las secciones de alta baja presión de del ciclo. • RESPUESTA TRANSITORIA INFERIOR A LA SINGLE SHAFT • tecnología utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.

9. TIPOS DE TURBINAS DE GAS

10. TIPOS DE TURBINAS DE GAS

11. INSTALACION BASICA

12. CICLO TERMODINAMICO • 1-> 2 COMPRESIÓN ISOENTROPICA DEL GAS (AIRE) • 2-> ADICION DE CALOR A PRESION CONSTANTE • 3-> EXPANSION ISOENTROPICA DEL GAS HASTA LA PRESION AMBIENTE • 4-> CALOR ENTREGADO A LA ATMOSFERA A PRESION CONSTANTE • INDUCCION Y COMPRESION DEL AIRE ATMOSFERICO (COMPRESOR) • MEZCLA CON EL COMBUSTIBLE (CAMARA DE COMBUSTION) • EXTRACCION DE ENERGIA EN ALTERNADOR (TURBINA) Y ACCIONAR AL COMPRESOR • LIBERAR GASES A LA ATMOSFERA

13. RENDIMIENTO SE DEFINE RELACION DE PRESION: EN PROCESOS ADIABATICOS: El rendimientoaumena con: ↑Relacion de presion ↓Temperaturaambiente

14. RENDIMIENTO • RENDIMIENTO SEGÚN RELACION DE COMPRESION: • CONSUMO ESPECIFICO SEGÚN TIPO:

15. RENDIMIENTO • LA OPERACION REAL DE LA TG DIFIERE DEL CICLO BRAYTON IDEAL POR LAS IRREVERSIBILIDADES: • EN EL COMPRESOR • TURBINA • FRICCION EN RODAMIENTOS • PERDIDA DE PRESION EN LOS ALABES Y CAMARA DE COMBUSTION • EL COMPRESOR CONSUME APROXIMADAMENTE ENTRE UN 40-80% DEL TRABAJO GENERADO POR LA TURBINA • EL RENDIMIENO DEL CICLO PUEDE VARIAR DE MANERA SIGNIFICATIVA CUANDO BAJA EL RENDIMIENTO EN COMPRESOR Y TURBINA. • EL FLUJO DEL GAS (AIRE) VARIA PROPORCIONAL CON LA DENSIDAD DEL AIRE. DETERMINADO POR • ALTITUD, TEMPERATURA AMBIENTE, HUMEDAD, PERDIDAS EN EL DUCTO DE AIRE DE ALIMENTACION

16. RENDIMIENTO • LA DENSIDAD DEL AIRE DISMINUYE CON EL AUMENTO DE ALTITUD. • CADA 300 MSNM, EL FLUJO DE GAS DISMINUYE UN 3.5% • => LA TURBINA DISMINUYE SU CAPACIDAD

17. RENDIMIENTO • EL AUMENTO DE LA TEMPERATURA AMBIENTE DISMINUYE SIGNIFICATIVAMENTE EL RENDIMIENTO DE LA TG. • BAJA LA DENSIDAD DEL AIRE Y EL COMPRESOR REQUIERE MAS POTENCIA, DEJANDO MENOS DISPONIBLE A LA TURBINA. • APROXIMADAMENTE DISMINUYE 1% POR CADA °C • SOLAR TURBINE ABB

18. RENDIMIENTO • EL AUMENTO DE LA HUMEDAD AMBIENTE • EL VAPOR DE AGUA, ES MAS LIVIANO QUE EL AIRE, DE MANERA QUE EL FLUJO MASICO SE VE REDUCIDO PARA UNA VELOCIDAD DE ROTACION DETERMINADA. • ENTONCES, SE REDUCE LA RELACION DE COMPRESION • TIPO DE COMBUSTIBLE: • E COMBUSTIBLE LIQUIDO QUEMA MAS CALIENTE Y DE MANERA MENOS EFICIENTE QUE EL COMBUSTIBLE GASEOSO • EL RENDIMIENTO DISMINUYE APROXIMADAMENTE 1.3%

19. RENDIMIENTO • EL AUMENTO DE LAS PERDIDAS POR CAIDA DE PRESION EN LA ADMISION DISMINUYE SIGNIFICATIVAMENTE LA POTENCIA DESARROLLADA POR LA TG. • BAJA LA DENSIDAD DEL AIRE Y EL COMPRESOR REQUIERE MAS POTENCIA, DEJANDO MENOS DISPONIBLE A LA TURBINA. in H20 = 0.187 cmHg

20. RENDIMIENTO • CONDICIONES DE REFERENCIA ISO PARA ESPECIFICACION DE TGs: • EJ TG QUE FUNCIONARÁ BAJO CONDICIONES DISTINTAS A ISO: • CONDICIONES DISTINTAS A ISO: FACTORES DE CORRECION DEL FABRICANTE: Power = 10,000 x 0.983 x 0.956 x 0.984 x 0.997 = 9,219 hp (6,873 kW) Heat rate = 7,770 x 1.015 x 1.007 x 1.003 =7,966 Btu/hp-h (11,269 kJ/kWh)

21. RENDIMIENTO • OPERACIÓN A CARGA PARCIAL:

22. Elementos De Las Turbinas a Gas • Álabes • DISEÑO QUE DEBE SOPORTAR GRAN ESTRES TERMICO • Tipos de Refrigeración: Por convección o por Capas • Convección: el calor es transferido desde la sup. Del álabe al aire refigerante mediante métodos convectivos. (Generadores de turbulencia Long y transv) o por el paso de aire por las superficien interna a través de orificios existentes en los álabes. • Por Capas: aire comprimido a alta presión atraviesa orificios confeccionados en la sup. Del álabe, direccionando el flujo de aire hacia la sup. Externa del álabe. El aire luego se mezcla con los gases de escape. • Materiales: Aleaciones en base a Niquel. Pequeños contenidos de cromo mejoran mucho su resistencia a la corrosión. • Se utilizan álabes monocristalonos para evitar problemas de bordes de granos, que por las condiciones de operación generan problemas de creep, fatiga, stress, etc.

23. Elementos De Las Turbinas a Gas

24. Elementos De Las Turbinas a Gas

25. Elementos De Las Turbinas a Gas

26. Elementos De Las Turbinas a Gas Stationary blade Moving blade

27. Elementos De Las Turbinas a Gas • Cámara de Combustión • El aire que abandona el compresor ingresa A CADA UNO DE LOS QUEMADORES • Tres tipos posibles: - ANULAR - TUBO-ANULAR - SILO • Con el flujo de aire (estabilizado) que sale del compresor y con suministro continuo de combustible se PRODUCE la combustión de la mezcla. • La longitud de la cámara de combustión QUEDA determinada en función de flujo involucrado en el ciclo. • Se puede reducir utilizando más cámaras en paralelo, produciendo mayor número de llamas más cortas. • Las paredes de la cámara de combustión están sometidas elevadas temperaturas, debiendo tener una excelente refrigeración para evitar dilataciones de los materiales. • Pueden estar refirgerados por agua o aire (compresor) • La inyección de Agua es utilizada para la reducción de los NOX originados por los puntos calientes de la llama.

28. Elementos De Las Turbinas a Gas • CÁMARA COMBUSTION - ANULAR • En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado alrededor del eje. Tiene un único tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. • Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga, aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que en cámaras tuboanulares. • Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas.

29. Elementos De Las Turbinas a Gas • CÁMARA COMBUSTION – TUBO-ANULAR • Una serie de tubos distribuidos alrededor del eje de forma uniforme conforman este diseño de cámara de combustión. • Cada una posee un único inyector y bujía. • Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Además si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. • Esta tecnología es utilizada en sus diseños por Siemens, Mitshubishi y General Electric.

30. Elementos De Las Turbinas a Gas • CÁMARA COMBUSTION – TUBO-ANULAR The world-class gas turbine combines the best features of the existing product lines and technology advancements. single-shaft SGT-8000H innovative 375 MW gas turbine.

31. Elementos De Las Turbinas a Gas • CÁMARA COMBUSTION – SILO

32. Elementos De Las Turbinas a Gas • CÁMARA COMBUSTION – SILO

33. Elementos De Las Turbinas a Gas • CÁMARA COMBUSTION

34. Elementos De Las Turbinas a Gas • COMBUSTION CON AIRE PRIMARIO, ”MODO DIFUSION” • COMBUSTION CON EXCESO DE AIRE, MEZCLA POBRE, “MODO LEAN-LEAN” • TRANSICION A COMBUSTION PREMEZCLADA (LEAN-LEAN EXTENDIDO) • COMBUSTION PREMEZCLADA, “MODO PREMIX”

35. Elementos De Las Turbinas a Gas

36. Elementos De Las Turbinas a Gas

37. Elementos De Las Turbinas a Gas

38. Elementos De Las Turbinas a Gas

39. Mejoras al ciclo • INTERCOOLING: • PERMITE ENFRIAR EL AIRE QUE POR LA COMPRESION ENTRA A ELEVADA TEMPERATURA A LA CAMARA DE COMBUSTION. • MEDIANTE EXTRACCIONES A LA ETAPA DE BAJA PRESION Y ENFRIADO MEDIANTE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR, ES POSIBLE REDUCIR LA TEMPERATURA DE DESCARGA DEL COMPRESOR DE ALTA PRESION. • DE ESTA MANERA SE LOGRAN MAYORES RELACIONES DE COMPRESION (EJ: TG GE LMS100 rc: 42:1 Y η=44%) • EL RENDIMIENTO AUMENTA DEBIDO A QUE EL COMPRESOR CONSUME MENOS TRABAJO Y AUMENTA EL DISPONIBLE PARA LA TURBINA.

40. Mejoras al ciclo • INTERCOOLING: LMS100 • Highsimple cycle, base load efficiency (44%) • Fast startcapability delivers 100 MW in 10 min • Excellent hot day performance • Load followingand cycling capabilities • Excellent part-load performance • Aeroderivative design allows for high reliability and availability

41. Mejoras al ciclo • RECALENTAMIENTO (REHEAT o AFTERBURNER) • CAMARA DE COMBUSTION ADICIONAL • INYECCION DE OXIGENO • INCREMENTA LA TEMPERATURA MEDIA DEL FOCO CALIENTE • AUMENTA EL TRABAJO REALIZADO POR LA TURBINA