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Tarea “TURBINA DE GAS Y CICLO COMBINADO”
Turbina de gas y ciclo combinado
DESCRIPCIÓN Y PRINCIPIOS BÁSICOS DE LOS CICLOS COMBINADOS
Un ciclo combinado, es una central que funciona con un sistema de doble generación, por un lado tienen unidades o secciones de Turbina de Gas (TG), que utilizan como elemento motriz los gases calientes producto de la combustión del gas natural, y por otro lado, la misma combustión permite recuperar una parte del calor de los gases de combustión a través de un Recuperador de calor (HRSG), generando así el vapor para la sección de Turbina de Vapor (TV). El indicador más aceptado para medir el rendimiento de una planta de potencia se conoce como Régimen Térmico (RT) y es definido por: Es muy común por los fabricantes presentar el Régimen Térmico, en base al Poder Calorífico Superior (PCS), o Poder Calorífico Inferior (PCI) del combustible, respectivamente: Otro Indicador del comportamiento térmico de un ciclo combinado es su Eficiencia Energética definida de igual forma que para el Régimen Térmico, para el PCS y el PCI, mediante las ecuaciones:
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1.1 Sección de Turbina de Gas (TG)
Una turbina de gas es un motor térmico que genera una potencia eléctrica a través de la transformación química de gas natural realizada en un combustor a altas temperaturas. En la Figura 1 se puede apreciar el rotor de una turbina de gas, compuesto por las etapas del compresor, la cámara de combustión y las etapas de la turbina (expansor). Figura 1. Diagrama Esquemático de Flujos y Equipos principales en una Turbina de Gas El ciclo termodinámico que describe el comportamiento de una turbina de gas se conoce como Ciclo Brayton, el comportamiento de la turbina de gas puede ser evaluado en forma independientemente del ciclo de vapor, como la relación entre la potencia neta y el calor suministrado al combustor de la Turbina. Para la caracterización de la turbina de gas resulta conveniente definir la eficiencia y los procesos isoentrópicos de compresión y expansión en términos de relación de presiones (rp), relación de calor específicos (k), definidos a continuación:
- Relación de presiones
- Compresión isoentrópica
- Expansión isoentrópica
Tarea “TURBINA DE GAS Y CICLO COMBINADO” Figura 3. Representación Esquemática de los Recuperadores de Calor (HRSG) con (a) una etapa, (b) Dos Etapas y (c) Tres Etapas de Presión, Respectivamente. 1.3 Sección de Recuperador de Calor (HRSG) La sección de vapor es muy parecida a una planta térmica convencional (Ciclo Rankine), con la particularidad de que normalmente no cuenta con calentadores del agua que alimenta el HRSG, mostrado como ciclo en el diagrama T-s por la Figura 4. Figura 8. Diagrama de Fase para el Ciclo Rankine
Tarea “TURBINA DE GAS Y CICLO COMBINADO” De la misma manera que el HRSG, el criterio de diseño del ciclo de vapor puede variar en diversos aspectos de configuración de corrientes de vapor entre un diseñador y otro, las variantes más importantes en estos ciclos son:
- Niveles de presión para Alimentación a Turbina (HP, HP+LP, o HP+IP+LP).
- Fuente de la Tipo Extracción a Deareador (desde HRSG o desde Turbina).
- Presión de la Extracción de vapor al Deareador (desde HP, IP o LP).
- Uso de calentadores Regenerativos en para agua de condensado.
- Posición de las Bombas (condensado o alimentación).
- SISTEMA FILTRO – ENFRIAMIENTO El sistema filtro-enfriamiento, puede estar compuesto solo por un filtro que tiene la función de eliminar las posibles partículas suspendidas en el aire, permitiendo mantener el compresor sin ensuciamiento, sin embargo, el sistema puede contar con un sistema de enfriamiento de aire a partir de agua y un filtro de aire, esta última posibilidad permite tener un menor Régimen Térmico comparado con la primera opción.
3.1 Cálculo de la Humedad Relativa del Ambiente
Donde: P0= Presión barométrica [mm Hg] PG= Presión de saturación del vapor en función de la temperatura de bulbo seco [mm Hg] PVW =Presión parcial del vapor en función de la temperatura de bulbo húmedo [mmHg] Para la determinación de PG y PVW se utilizan las siguientes expresiones:
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4.2Determinación de la Presión a la Succión del
Compresor
Donde: Dp0= Caída de presión a través del sistema filtro-enfriamiento [mmHg]
4.3Determinación de la Eficiencia del Compresor
Donde: Ka es el exponente isoentrópico del aire evaluado a la temperatura promedio entre la entrada y salida del compresor (Tpc), determinado como:
4.5Determinación de la Potencia Requerida en el Compresor
Donde: h2 es la entalpía de salida del compresor [kJ/kg], determinada mediante las siguientes ecuaciones auxiliares:
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- CAMARA DE COMBUSTION La cámara de combustión es el lugar donde se realiza la combustión del combustible con el comburente, generalmente aire, en el motor de combustión interna. Sus aplicaciones principales son: Motores de combustión interna alternativos.
5.1Determinación del Caudal de Gases de Combustión
Donde: Mg= Flujo másico de gas natural [kg/s] M6 = M4 Masa de Gases de Combustión Nota: Similar que en el apartado 4. Donde: Combustor Eficiencia del combustor Mg Consumo de gas natural [kg/s] PCS Poder calorífico superior [kcal/kg] h1 Entalpía del aire entrando al compresor [kJ /kg] h6 Entalpía de los gases de combustión a la salida del expansor [kJ /kg] WB,TG Potencia bruta de la turbina de gas [MW] Para el calcula de h6 y h1 se emplean las siguientes ecuaciones auxiliares:
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6.3 Determinación de la Potencia del Expansor
6.4 Cálculo de la Eficiencia del Expansor
Donde: P4 y P6 son las presiones de los gases de combustión de entrada y salida del expansor respectivamente [kg/cm^2 ] Kg Es el exponente isoentrópico de los gases de combustión, evaluado a la temperatura promedio entre la entrada y salida del expansor, mediante las siguientes ecuaciones auxiliares: 7 GENERALES DEL CICLO TURBINA DE GAS
7.1 Cálculo de la Potencia Bruta de la Turbina de Gas
Donde: W (^) N ,TG Potencia eléctrica neta proporcionada por la turbina de gas. W (^) B,TG Potencia eléctrica bruta proporcionada por la turbina de gas. (^) M ,TG Eficiencia del acoplamiento mecánico (^) G,TG Eficiencia del generador eléctrico
7.2 Determinación de la Eficiencia de Turbina de Gas
Tarea “TURBINA DE GAS Y CICLO COMBINADO” Donde: W (^) B,TG Potencia bruta de la turbina de gas [MW] Mg Flujo de gas natural [kg/s] PCS Poder calorífico superior [kJ/kg]
7.3 Determinación del Calor de Gases al Recuperador (HRSG)
QhrkJ / s = M6 * h Donde: M6 =Flujo de gases salida expansor [kg/s] h6 =Entalpía de gases a la salida del expansor [kJ/kg]
7.4 Determinación del Régimen Térmico de la Turbina de Gas
Donde: Mg =Flujo de gas W (^) B,TG =Potencia bruta de la turbina de gas PCS =Poder calorífico superior
