CENTRALES TERMICAS A GAS
CENTRAL TERMOELÉCTRICA DEFINICION. Una central termoeléctrica o central térmica es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón en una caldera diseñada al efecto. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para producir energía eléctrica mediante la rotación del rotor de un generador o de un alternador. Este tipo de generación eléctrica es contaminante y contribuye al efecto invernadero pues libera dióxido de carbono. Cuando el calor se obtiene mediante la fisión controlada de núcleos de uranio la central se llama central nuclear. Este tipo de central no contribuye al efecto invernadero, pero tiene el problema de los residuos radioactivos que han de ser guardados durante miles de años y la posibilidad de accidentes graves. Independientemente de cuál sea el combustible fósil que utilicen (fuel-oil, carbón o gas), el esquema de funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas clásicas es prácticamente el mismo. Las únicas diferencias consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y en el diseño de los quemadores de la misma, que varían según sea el tipo de combustible empleado. CIRCUITOS DE ENERGÍA En la central típica se distinguen siempre cinco circuitos, cuya combustión permite la transformación de energía térmica del combustible en la energía eléctrica. Estos circuitos son: 1. Circuito del combustible. 2. Circuito del aire de combustión. 3. Circuito del vapor. 4. Circuito del agua de refrigeración. 5. Circuito de la energía eléctrica. 1. Circuito del combustible Este circuito difiere sobre todo en su primera parte según el tipo de combustible utilizado, carbón, fuel-oil, gas, etc. Consideramos ahora una central como combustible de carbón pulverizado. Transporte del combustible: El carbón es descargado en la inmediata cercanía de la sala de calderas. Luego el carbón es secado y llevado sobre cintas transportadoras hasta la casa de trituración, donde una máquina trituradora reduce las dimensiones de los trozos demasiado grandes. Para eliminar los trozos de hierro que generalmente se mezclan con el carbón durante la extracción y el transporte, el carbón pasa por un separador magnético.
Un sistema de cintas transportadoras lleva el combustible hasta una tolva, ubicada delante de la caldera. Su capacidad es dimensionada de modo de poder alimentar la caldera durante unas horas a plena carga. Pulverización: Antes de introducirlo en la caldera, se somete el carbón al procesamiento de pulverización, con lo cual se mejora su combustión y se aumenta el rendimiento de la caldera. Combustión: Del molino pulverizador el carbón reducido a polvo muy fino fluye a los quemadores ubicados en los cuatro rincones o en frente de la caldera. Transporte de la ceniza: La ceniza cae en la parte inferior de la cámara de combustión, que tiene la forma de embudo, y de ahí deriva a zanjas, donde una corriente de agua la arrastra a un pozo. 2. Circuito del aire de combustión El aire de combustión es enviado al hogar de las caldera por medio del ventilador de tiro forzado a través del precalentador de aire que tiene por objeto calentar el aire aprovechando parte del calor que contienen los gases entes de pasar a la chimenea. Una parte de este aire primario, sirve para secar el carbón en el molino y para la inyección del carbón pulverizado en la cámara de combustión, mientras que la parte restante del aire, llamado aire secundario, se suministra alrededor de los quemadores para lograr un contacto íntimo con las partículas del carbón. Así, se obtiene una combustión rápida y una menor cantidad de productos no quemados. 3. Circuito del vapor En la central de condensación , el vapor descargado por la turbina, es condensado en el condensador en la superficie, por medio del agua de circulación. El condensado es aspirado por la bomba de extracción y conducido al desgasificador después de haber sido calentado en el precalentador. Del tanque el condensado fluye a la bomba de alimentación que manda el agua a la caldera. El agua de alimentación evapora en la caldera y el vapor producido vuelve a la turbina y, completando así el circuito cerrado del agua de alimentación. 4. Circuito del agua de circulación La refrigeración de los condensadores exige una cantidad considerable de agua fría. la refrigeración de condensador se efectúa en circuito cerrado. El agua de circulación, que se calienta en el condensador condensando el vapor descargado por la turbina y, es enfriada a su ves en la torre de refrigeración y luego impulsada por la bomba de circulación. 5. Circuito de la energía eléctrica El alternador accionado por la turbina, produce la energía eléctrica y la envía por medio de los cables de conexión al transformador elevador instalado en la casa de alta tensión. Después de la elevación de la tensión la energía eléctrica es enviada desde la barras ómnibus a los centros de consumo a través de los cables alimentadores o bien por medio de líneas aéreas
PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA CENTRAL TÉRMICA Los elementos característicos de las centrales térmicas son:
EL ALMACÉN DE COMBUSTIBLE: Si el combustible es carbón, la central dispone de un recinto para depositarlo y disponer de una reserva permanente. El carbón se tritura en forma de polvo fino para facilitar la combustión. Desde el Molino es enviado a los quemadores de la caldera mediante corrientes con aire caliente. En el caso del fuel, se almacena en grandes depósitos que tienen reserva cada uno o dos meses. El fuel se precalienta para que sea más liquido sí se indirecta en los quemadores. Si se usa gas natural, que normalmente llega a la central en gaseoductos a alta presión, se adecua a las características del funcionamiento de los quemadores.
LA CALDERA: Hay muchos tipos de calderas. Las más usadas son las de la irradiación. Las calderas tienen quemadores adecuados para el tipo de combustible que usan y una cámara de combustión rodeada de un tubo muy largo que da muchas vueltas en la caldera para que el agua se sobrecaliente, y por lo tanto alcance temperaturas que oscilan entre los 300 y 400 grados centígrados.
QUEMADOR: Es el encargado de evaporar el agua que circula por la caldera. La estructura del quemador varía según el combustible que utiliza la central (carbón, gas o fuel-oil).
LAS TURBINAS: Son las máquinas motrices y transforman energía cinética del vapor de agua en energía cinética rotatoria para obtener el máximo rendimiento de la transformación está formada por 3 etapas: alta, media y baja presión. El vapor a alta temperatura y presión procedente del sobrecalentamiento se introduce en la turbinas en el cuerpo de alta presión formados por centenares de pequeñas hélices. A medida que el vapor se expande y pierde presión, la dimensión de las hélices aumenta. De esta manera, las etapas de media presión es más grande que la de alta presión, si trabaja aún lo será más. Las turbinas de vapor y gas, a pesar de usar fluidos de trabajo muy diferentes, tienen muchos puntos comunes de diseño, construcción y operación. Las mayores diferencias están en las presiones y temperaturas de trabajo de estas máquinas. Para turbinas a vapor, la temperatura máxima está hoy limitada a unos 540 a 600ºC. En las turbinas de gas en cambio, la temperatura de ingreso de los gases a la turbina es de unos 1000ºC para las de uso industrial y hasta unos 1300ºC para turbinas a gas de uso aeronáutico y alta performance. Las presiones máximas son de unos 35 MPa para turbinas a vapor (350 bar), y entre 4 y 2 MPa para turbinas a gas. El tener altas presiones de admisión requiere una construcción robusta para las turbinas de vapor, en cambio las turbinas de gas son de construcción mas liviana.
EL CONDENSADOR: Sirve para aumentar el rendimiento termodinámico de la transformación. El agua para vaporizar de a de entrar en la caldera en estado líquido. En el condensador, el vapor procedente de las turbinas se condensa antes de volver a entrar en la caldera para repetir el ciclo.
TORRE DE REFRIGERACIÓN: En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene del circuito de refrigeración del condensador mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado "relleno". Los circuitos de refrigeración pueden ser abiertos o cerrados, en función de la disponibilidad del agua. En los circuitos cerrados es imprescindible enfriar el agua para volverla a usar. En los circuitos abiertos, que usan el agua de un río, es necesario, para no afectar a la fauna, que se devuelva al río. Su funcionamiento es muy simple: se provoca una lluvia muy fina de agua para refrigeración para que ofrezca una buena superficie de contacto con el aire que circula en sentido contrario. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico.
LAS CHIMENEAS: Tienen la función de dar presión dentro de la caldera para que los gases desprendidos en la combustión y poderlos expulsa a la atmósfera. Puede haber chimenea de tiro natural en que la circulación de los gases es provocada por la geometría de la propia chimenea, o de tiro forzado cuando la circulación se ayuda mediante impulsos mecánicos. En función del combustible usado se disponen de registros más o menos sofisticados para eliminar el máximo número de partículas sólidas en suspensión de los elementos contaminantes antes de liberar los gases a la atmósfera posible.
EQUIPO ELÉCTRICO PRINCIPAL: Formado por el alternador, los transformados y el parque de distribución.
SALA DE TRATAMIENTO DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN: El agua usada en la caldera es casi siempre agua natural que contiene diferentes sales minerales y gases disueltos. Estas sales se precipitan formando barro e incrustaciones en los tubos. El buen funcionamiento de la caldera depende en gran parte de la calidad del agua; por lo tanto, las centrales van equipadas con instalaciones de tratamiento de las aguas, que, con adición de sustancias químicas, contrarrestan las sales que contiene el agua y evitan el deterioro de los tubos. También se aumenta su PH para evitar el efecto corrosivo.
FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA. En las centrales térmicas convencionales, la energía química ligada por el combustible fósil (carbón, gas o fuel -óil) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fuel -óil o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de combustible empleado. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera. Una vez en la caldera, los quemadores provocan la combustión del carbón, fueloil o gas, generando energía calorífica. Esta convierte a su vez, en vapor a alta temperatura el agua que circula por una extensa red formada por miles de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El calor desprendido en la combustión calienta el agua de los tubos y produce el vapor y en el calentador se elimina la humedad y aumenta la temperatura; El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el
vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado). Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La turbina consta de tres cuerpos-de alta, media y baja presión, respectivamenteunidos por un mismo eje. El objetivo de esta triple disposición es provechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente. En el primer cuerpo (alta presión) hay centenares de álabes o paletas de pequeño tamaño. El cuerpo a media presión posee asimismo centenares de álabes pero de mayor tamaño que los anteriores. El de baja presión, por último, tiene álabes aún más grandes que los precedentes. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente, por lo cual los álabes de la turbina se hacen de mayor tamaño cuando se pasa de un cuerpo a otro de la misma., Hay que advertir, por otro lado, que este vapor, antes de entrar en la turbina, ha de ser cuidadosamente deshumidificado. En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua en suspensión que transportaría serían lanzadas a granvelocidad contra los álabes, actuando como si fueran proyectiles y erosionando las paletas hasta dejarlas inservibles. El vapor de agua a presión, por lo tanto, hace girar los álabes de la turbina generando energía mecánica. A su vez, el eje que une a los tres cuerpos de la turbina (de alta, media y baja presión) hace girar al mismo tiempo a un alternador unido a ella, produciendo así energía eléctrica. Esta es vertida a la red de transporte a alta tensión mediante la acción de un transformador. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de rotación. El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres de enfriamiento, grandes estructuras que identifican estas centrales. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de unos precipitadores que retienen retiene la mayor parte posible de partículas sólidas contaminantes, cenizas y otros volátiles de la combustión y salen por la chimenea, que normalmente son de mucha altura (llegan a los 300 m) para dispersar los contaminantes no eliminados a las capas altas de la atmósfera. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento. La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador asíncrono acoplado a la turbina.
Ciclo de producción de vapor. Todas las centrales térmicas siguen un ciclo de producción de vapor destinado al accionamiento de las turbinas que mueven el rotor del alternador.
Fases 1. Se calienta el agua líquida que ha sido bombeada hasta un serpentín de calentamiento (sistema de tuberías). El calentamiento de agua se produce gracias a una caldera que obtiene energía de la combustión del combustible (carbón pulverizado, fuel o gas). 2. El agua líquida pasa a transformarse en vapor; este vapor es húmedo y poco energético. 3. Se sobrecalienta el vapor que se vuelve seco, hasta altas temperaturas y presiones. 4. El vapor sobrecalentado pasa por un sistema de conducción y se libera hasta una turbina, provocando su movimiento a gran velocidad, es decir, generamos energía mecánica. 5. La turbina está acoplada a un alternador solidariamente que, finalmente, produce la energía eléctrica. 6. En esta etapa final, el vapor se enfría, se condensa y regresa al estado líquido. La instalación donde se produce la condensación se llama condensador. El agua líquida forma parte de un circuito cerrado y volverá otra vez a la caldera, previo calentamiento. La corriente eléctrica se genera a unos 20.000 voltios de tensión y se pasa a los transformadores para elevar la tensión hasta unos 400.000 voltios, para su traslado hasta los puntos de consumo. Si la central térmica es de gas, éste pasa de los tanques de almacenamiento a la caldera, experimentando también un calentamiento previo. OBJETIVO DE LAS CENTRALES TÉRMICAS Las centrales térmicas convencionales queman gas natural, carbón, fuel-oil para producir electricidad por medio de la combustión. CLASIFICACION DE LAS CENTRALES TERMOELECTRICAS. Las centrales térmicas se clasifican en centrales de base y centrales de regulación. Las primeras tienen interés en utilizar combustibles baratos, por lo que se instalan cerca a bocaminas, etc. Las segundas utilizan combustibles más nobles, tales como carbones industriales y aceites pesados. Están instalados cerca de centros importantes de consumo, que no pueden disponer en abundancia de energía hidráulica. Las grandes centrales térmicas utilizan, casi exclusivamente, turbinas de vapor. También poseen varios turbo alternadores, de igual potencia, cada uno de los cuales constituye una unidad capaz de funcionar con autonomía completa. Solo se recurre a las turbinas de gas como aparatos motores en las centrales móviles suplementarias o auxiliares. Estas ocupan un espacio relativamente pequeño y su peso, por unidad de potencia, es muy reducido. Existen dos tipos de centrales térmicas: clásicas y de doble ciclo
CENTRALES TERMOELÉCTRICAS CLÁSICAS O DE CICLO CONVENCIONAL Una Central Termoeléctrica es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador y, por tanto, obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El vapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las turbinas para que en su expansión sea capaz de mover los álabes de las mismas. Se denominan centrales clásicas a aquellas centrales térmicas que emplean la combustión del carbón, petróleo (fuel-oil) o gas natural para generar la energía eléctrica. Posee, dentro del propio recinto de la planta, sistemas de almacenamiento del combustible que utiliza (parque de carbón, depósitos de fueloil) para asegurar que se dispone permanentemente de una adecuada cantidad de éste. Son consideradas las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental. El apelativo de "clásicas" o "convencionales" sirve para diferenciarlas de otros tipos de centrales termoeléctricas (nucleares y solares, por ejemplo), las cuales generan electricidad a partir de un ciclo termodinámico, pero mediante fuentes energéticas distintas de los combustibles fósiles empleados en la producción de energía eléctrica desde hace décadas y, sobre todo, con tecnologías diferentes y mucho más recientes que las de las centrales termoeléctricas clásicas. ·Centrales Térmicas de Carbón Centrales térmicas que usan como combustible carbón (hulla, antracita, lignito,...). El carbón es previamente triturado en molinos pulverizadores hasta quedar convertido en un polvo muy fino para facilitar su combustión. De los molinos es enviado a la caldera de la central mediante chorro de aire precalentado. ·Centrales Térmicas de Fuel-Oil En las centrales de fuel, el combustible es precalentado para que fluidifique, siendo inyectado posteriormente en quemadores adecuados a este tipo de combustible. ·Centrales Térmicas de Gas Natural. En vez de vapor de agua se usa gas natural. Los quemadores están, asimismo, concebidos especialmente para quemar dicho combustible. - Centrales termoeléctricas mixtas Centrales termoeléctricas clásicas cuyo diseño les permite quemar indistintamente combustibles fósiles diferentes (carbón o gas, carbón o fuel-oil, etc.).
ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA CLÁSICA
1. Cinta transportadora 2. Tolva 3. Molino 4. Caldera 5. Cenizas 6. Sobrecalentador 7. Recalentador 8. Economizador 9. Calentador de aire 10. Precipitador 11. Chimenea 12. Turbina de alta presión 13. Turbina de media presión 14. Turbina de baja presión 15. Condensador 16. Calentadores 17. Torre de refrigeración 18. Transformadores 19. Generador 20. Línea de transporte de energía eléctrica.
CENTRAL TÉRMICA VAPOR CARBÓN Y/O GAS NATURAL Este tipo de centrales corresponde a las que obtienen la energía mecánica necesaria para mover el rotor del generador a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El agua es tomada por una bomba y depositada en la caldera a una alta presión. En este lugar el agua hierve debido al aumento de temperatura que provoca la quema del combustible. Luego, este vapor a alta presión se hace llegar a la turbina donde su expansión provoca el movimiento de ésta última. El vapor que ha sido utilizado se transforma en agua al pasar por un
Figura 7: Central térmica a vapor condensador y es tomado por la bomba para empezar nuevamente el ciclo. Un dibujo simplificado del proceso que se lleva a cabo en este tipo de centrales se puede ver en la figura 7. LAS CENTRALES DE GAS DE CICLO COMBINADO (CGCC) Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un ciclo de vapor. Utilizan como combustible gas natural, gasóleo o incluso carbón preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Luego los gases de escape de la turbina de gas, que todavía tienen una elevada temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas turbinas está acoplada a su correspondiente alternador para generar energía eléctrica como en una central termoeléctrica clásica (generan electricidad a partir de una turbina de gas y otra de vapor). Sus componentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador. Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales, sólo funciona la turbina de gas, a este modo de operación se le llama ciclo abierto. Si bien la mayoría de las centrales de este tipo pueden intercambiar de combustible (entre
gas y diesel) incluso en funcionamiento, al funcionar con petróleo diesel ven afectada su potencia de salida (baja un 10% aprox.), y los intervalos entre mantenimientos mayores y fallas, se reducen fuertemente. Como la diferencia de temperatura que se produce entre la combustión y los gases de escape es más alta que en el caso de una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%. El funcionamiento de este tipo de centrales se puede esquematizar como en la siguiente figura:
Figura 8: Esquema Central Ciclo Combinado
Esquema básico de funcionamiento de una central térmica de ciclo combinado.
La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38 por ciento normal de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60por ciento. Y la alta disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas equivalentes al año.
El ciclo de gas se realiza en una turbina de gas y sus gases de escape (a diferencia de una unidad en ciclo simple, es decir, con solo turbina de gas, en la que los gases de escape son dirigidos directamente a la atmósfera) se hacen pasar a través de una caldera de recuperación de calor, generando vapor a varias presiones, el vapor generado es enviado a la turbina de vapor y al aprovechar el calor de estos gases aumenta considerablemente la eficiencia energética de la planta. El aumento de este último es superior a la pérdida del primero, con lo que a escala global se obtiene un mejor rendimiento. Gracias a este sistema se consigue obtener un rendimiento neto próximo al 55%, muy superior a una unidad convencional, con lo que se consigue una mejora ambiental gracias al uso más racional de la energía primaria. El ciclo de Bryton es un ciclo de turbina de gas. El fluido de trabajo puede ser aire o gas. Su temperatura de trabajo es mayor que en el ciclo Rankine, por lo que su rendimiento es mayor. En caso de utilizar gas, en circuito abierto, tendremos una aplicación de las normalmente utilizadas en las centrales de gas, con combustión; si utilizamos aire u otro tipo de gas o mezcla de gases podemos realizar un circuito cerrado con aportación de calor con energía solar. Los ciclos Rankine emplean agua/vapor como fluido de trabajo y son los normalmente empleados en centrales térmicas, tanto convencionales como nucleares. Su rendimiento presenta un valor medio aproximado del 60 o 70 % y las temperaturas de trabajo son altas. Estos ciclos son los más usuales cuando la temperatura del foco caliente está entre los 300 y los 550 ºC. IMPACTO AMBIENTAL La emisión de residuos a la atmósfera y los propios procesos de combustión que se producen en las centrales térmicas tienen una incidencia importante sobre el medio ambiente. Para tratar de paliar, en la medida de lo posible, los daños que estas plantas provocan en el entorno natural, se incorporan a las instalaciones diversos elementos y sistemas.
Combustible
Emisión de CO2 kg/kWh
Gas natural
0,44
Fuelóleo
0,71
Biomasa (leña, madera)
0,82
Carbón
1,45
El problema de la contaminación es máximo en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. Además, la combustión del carbón tiene como consecuencia la emisión de partículas y ácidos de azufre que contaminan en gran medida la atmosfera. En las de fueloil los niveles de emisión de estos contaminantes son menores, aunque ha de tenerse en cuenta la emisión de óxidos de azufre y hollines ácidos, prácticamente nulos en las plantas de gas. En todo caso, en mayor o menor medida todas ellas emiten a la atmósfera dióxido de carbono, CO2. Las centrales de gas natural pueden funcionar con el llamado ciclo combinado, que permite rendimientos mayores (de hasta un poco más del 50%), lo que todavía haría las centrales que funcionan con este combustible menos contaminantes. VENTAJAS E INCONVENIENTES Ventajas Son las centrales más baratas de construir (teniendo en cuenta el precio por megavatio instalado), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad (comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma masiva. Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más baratas (alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía térmica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad de combustible, y rebajando las emisiones citadas más arriba en un 20%, quedando así en 0,35 kg de CO2, por kWh producido. Inconvenientes El uso de combustibles calientes genera emisiones de gases de efecto invernadero y de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes que pueden contener metales pesados. Al ser los combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica. Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclima local. Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente en éstos. Su rendimiento (en muchos casos) es nulo (comparado con el rendimiento ideal), a pesar de haberse realizado grandes mejoras en la eficiencia.
CENTRALES TERMICAS DE GAS En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por un generador. El uso de gas en las centrales térmicas, además de reducir el impacto ambiental, mejora la eficiencia energética. Menores costos de la energía empleada en el proceso de fabricación y menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera. La eficiencia de éstas no supera el 35%. El gas natural constituye una fuente de energía clave. La inversión inicial de capital de las plantas de ciclo combinado (vapor + electricidad) alimentadas por gas es relativamente baja, requieren un corto tiempo de construcción, y tienen mayor eficiencia térmica que el resto de combustibles y por contar con grandes ventajas entre las que se encuentran las siguientes: - Alto poder calorífico - Combustión "limpia y sin residuos", lo que facilita su escaso impacto ambiental. - Como es conocido, el gas no contiene azufre, de manera que ofrece una respuesta efectiva al problema de la lluvia ácida. - Por otra parte, todos los combustibles fósiles liberan dióxido de carbono al quemarse (uno de los causantes del “efecto invernadero”) Por cada KWh generado, el uso del gas en una central termoeléctrica convencional origina menor cantidad de CO2 que cualquier otro combustible (carbón o petróleo). CENTRALES TURBO GAS CICLO ABIERTO DIESEL/G.N. Este tipo de centrales se caracteriza por tener una turbina especialmente diseñada para transformar la combustión de un gas a alta presión en el movimiento de un eje solidario al rotor del generador, con la consiguiente generación de energía eléctrica. El compresor toma aire de la atmósfera, lo comprime y lo deposita en la cámara de combustión, donde al mismo tiempo se inyecta combustible y se provoca la combustión. Esta combustión provoca la rápida expansión de los gases, lo que hace mover la turbina y a través de ésta el eje del generador. Luego de este proceso el aire es devuelto a la atmósfera, por esta razón es llamada de “ciclo abierto”. El combustible que se utiliza para hacer la mezcla en la cámara de combustión es principalmente gas natural, pero en general se presenta la flexibilidad de utilizar diesel como sustituto. Al final, aproximadamente sólo un 34% de la energía térmica es transformada en energía eléctrica. Se han diferenciado dos mercados dentro de las turbinas de gas, basándose en las potencias: a) Turbinas de gas industriales de baja potencia (con una potencia inferior a 10-13 MW)
b) Turbinas de gas industriales de alta potencia (con una potencia superior a los 10-13 MW). Flexibilidad en centrales térmicas: - Las pequeñas turbinas de gas (1-15 MW) compiten de forma efectiva con las grandes (de hasta 60 MW). Por lo tanto, las centrales multi-unidad ofrecen una flexibilidad que resulta ventajosa cuando los clientes tienen necesidades diversas de potencia. Las turbinas son máquinas rotativas. En forma global se clasifican en tres grandes familias: •
Las turbinas hidráulicas: son las más antiguas. Usan agua como fluido de trabajo. Sus antepasados directos son los molinos de agua. Hoy existen varios modelos básicos: Pelton, Francis y Kaplan (o hélice de paso variable). A estos modelos básicos se debe agregar la Mitchell- Banki que es muy utilizada en instalaciones de microhidráulica. La típica turbina hidráulica se usa en centrales de generación eléctrica sea centrales de pasada o centrales de embalse.
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Las turbinas a vapor: en este caso el fluido de trabajo es vapor de agua (típicamente). Aunque también hay instancias en que se han fabricado usando otro vapor de trabajo (Mercurio, Propano u otro). Las típicas turbinas de vapor se dividen en de acción y de reacción. La turbina a vapor típicamente se usa en centrales térmicas de generación eléctrica. Estos son sistemas de combustión externa (el calor se usa para calentar el fluido de trabajo en forma indirecta en caldera).
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Las turbinas a gas: Son las más recientes. Difieren de las anteriores en el sentido de que se realiza combustión dentro de la máquina. Por lo tanto el fluido de trabajo son gases de combustión (de allí su nombre). Si bien la turbina a gas es un motor de combustión interna y su ciclo tiene puntos en común con los ciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental. Se trata (igual que todas las turbinas) de máquina de funcionamiento continuo. Es decir, en régimen permanente cada elemento de ella está en condición estable.
TURBINAS DE GAS. 1. Introducción Las turbinas de gas son turbomáquinas que, de un modo general, pertenecen al grupo de máquinas térmicas generadoras de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas o en las de cogeneración, así como en los campos aeronáuticos y marítimos. Su franja de operación va desde pequeñas potencias (30 KW para las microturbinas) hasta 500 MW para los últimos desarrollos. De esta forma, compiten tanto con los motores alternativos (ciclos termodinámicos OTTO y DIESEL) como con la instalaciones de vapor de pequeña y media potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite
expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc. Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de 35000 hp. Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. 3. Historia y evolución de la turbina de gas Hoy en día, el diseño de turbina de gas que se ha impuesto está basado en un compresor axial multietapa, una cámara de combustión interna y una turbina de expansión, todo ello construido de una forma bastante compacta que da idea de un equipo unitario.
Figura 3: Aeolipilo de Hero.
La primera turbina de gas realmente construida fue concebida por J.F. Stolze en 1872 a partir de una patente de Fernlhougs, y construida realmente entre 1900 y 1904. Constaba de un compresor axial multietapa, un intercambiador de calor que precalentaba el aire antes de entrar en la cámara de combustión, utilizando los gases de escape de la turbina para este fin, y una turbina de expansión multietapa. A pesar de lo genial del diseño, el poco éxito fue debido al bajo rendimiento tanto del compresor como de la turbina, por las bajas relaciones de compresión y la baja temperatura máxima alcanzada en función de los materiales disponibles en la época.
Figura 5: Turbina diseñada por Stolz en 1872. (A) Compresor axial multietapa; (B) Turbina de reacción multietapa; (C) Precalentador de aire de admisión con los gases de escape. Las turbinas de gas han sufrido un fuerte desarrollo desde que en 1939 se exhibiera en Suiza el primer modelo de turbina industrial para la generación de energía eléctrica. La aparición de las centrales termicas de ciclo combinado y la exigencia de mayores potencias, mayores rendimientos, mayor disponibilidad y mayor fiabilidad han hecho de la turbina de gas uno de los equipos en los que se centra una buena parte de la investigación para generación de energía a partir de combustibles fósiles. Además, la posibilidad de hibridación con energías renovables (solar térmica) y nuevos ciclos basados en el Hidrógeno o el Helio hacen pensar que el desarrollo de las turbinas de gas continuará a un ritmo creciente los próximos años.
Figura 6: La primera turbina de gas industrial para generación eléctrica, presentada en 1939 en la Swiss National Exhibition en 1939. Su potencia era de 4000 KW.
Las instalaciones de turbinas de gas pueden ser abiertas o cerradas. En las de tipo abierto, los productos de la combustión fluyen a través de la turbina junto con la corriente de aire. Para diluir los productos de la combustión hasta una temperatura que pueda resistir el rodete de la turbina (649 - 982)ºC, es necesario un elevado porcentaje de aire. Este diseño ofrece las ventajas de requerir un control simple y poseer un sistema hermético. Puede diseñarse para altas relaciones peso / potencia y para drenaje sin agua de enfriamiento.
Figura 1: Situación de las turbinas en el conjunto de máquinas. Sus principales ventajas son su pequeño peso y volumen en relación a su potencia y la flexibilidad de su operación. Esto hace que sean máquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones, especialmente las referidas a la generación de electricidad y a la propulsión de buques y aviones, esté en claro aumento. Al ser máquinas rotativas presentan una clara ventaja frente a los motores alternativos, por la ausencia de movimientos alternativos y de rozamientos entre superficies sólidas (como las que se dan entre pistón y camisa), lo que se traduce en menores problemas de equilibrado y menores consumos de aceite lubricante, que además no están en contacto con superficies calientes ni con productos de combustión. Comparadas con las turbinas de vapor, las turbinas de gas apenas tienen necesidades de refrigeración, lo que facilita enormemente su instalación. Además, su baja inercia térmica les permite alcanzar su plena carga en tiempos muy bajos, lo que las hace ideales para determinadas aplicaciones en las que se requiere variaciones de carga rápidas (regulación de red o abastecimiento de picos de demanda). Esta simplicidad comparada con turbinas de vapor y con motores alternativos otorga a las turbinas de gas dos ventajas adicionales: un mantenimiento sencillo comparado con otras máquinas térmicas y una elevada fiabilidad. En efecto, la reducción de las necesidades de lubricación y refrigeración, la continuidad del
proceso de combustión y la ausencia de movimientos alternativos hace que la probabilidad de fallo disminuya. Una instalación de generación eléctrica basada en una turbina de gas puede alcanzar con facilidad valores de disponibilidad superiores al 95% y valores de fiabilidad cercanos al 99% si la instalación está bien diseñada, bien construida, bien operada y con un adecuado nivel de mantenimiento. No obstante, también tienen algunos inconvenientes importantes, entre los que hay que destacar dos: la alta velocidad de rotación y su bajo rendimiento (3035%) comparado con los motores alternativos diesel (algunos desarrollos ya alcanzan el 50% de rendimiento) o con las turbinas de vapor (valores del 40% son muy normales). Normalmente se entiende por turbina de gas el conjunto formado por los siguientes elementos: -
Compresor, responsable de la elevación de presión del fluido de trabajo.
-
Sistema de aporte de calor al fluido.
-
Elemento expansor, o turbina propiamente dicha.
Sus aplicaciones son muy variadas, siendo su campo de aplicación el más amplio entre los motores térmicos. Inicialmente se utilizaron para la realización de trabajo mecánico. Posteriormente se trasladaron al campo de la aeronáutica como elemento propulsor, sobre todo a partir de la segunda guerra mundial. Más tarde se utilizaron como elemento motor para la generación de energía eléctrica, aplicación para la que se han desarrollado modelos específicos que han tratado de adaptarse a las exigencias de ese mercado. La posibilidad de aprovechar el calor de los gases de escape para producir vapor aprovechable en la industria como energía térmica o para producir más energía eléctrica (en los denominados ciclos combinados gas-vapor) han provocado una auténtica revolución en el mercado de la generación eléctrica, donde la turbina de vapor ha sido la reina indiscutible durante muchos años. PARTES PRINCIPALES DE LA TURBINA DE GAS. Las turbinas de gas pueden dividirse en cinco grandes partes principales:
La admisión de aire, El compresor La cámara de combustión La turbina de expansión Carcasa
Además cuenta con una serie de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.
ADMISIÓN DE AIRE El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire. COMPRESOR DE AIRE Está ubicado en la sección frontal de la turbina y es el elemento por el cual se introduce en forma forzada el aire desde el exterior. Esta pieza, por la disposición de sus aletas, permite que el flujo sea "aspirado" hacia el interior de la turbina. Su diseño es principalmente axial para grandes turbinas, por su elevado rendimiento y capacidad; necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de 1:30, comparada con la turbina de expansión. Para pequeñas turbinas se han usado con éxito compresores centrífugos de pequeñas dimensiones que son de flujo radial dirigido hacia el centro.
La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) hasta la presión indicada para cada turbina, antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la turbina pero que normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina. Su funcionamiento consiste en empujar el aires a través de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presión es un proceso que consume mucha energía, llegando a significar hasta el 60% de la energía producida por la turbina. Para disminuir la potencia necesaria para este proceso, puede optarse por un diseño que enfríe el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la entrada más fría del aire en la cámara de combustión. El control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del compresor. A mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la turbina. Este
método se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas, como se verá más adelante. Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeración de álabes y de la cámara de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin. El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos posibilidades. -Turbinas monoeje: El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada por el generador, y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga máxima como si trabajamos a cargas más bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En este caso las primeras etapas se diseñan con geometría variable, dejando pasar más o menos aire según su posición relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia. -Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor es independiente del generador, la velocidad de rotación del compresor puede regularse para una admisión adecuada de aire para cada momento. CÁMARA DE COMBUSTIÓN. En ella tiene lugar la combustión a presión constante del gas combustible junto con el aire. Esta combustión a presión obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de presión adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar. A pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen un diseño general similar. Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño de las cámaras de combustión está enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los 1000 ºC, mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez evitar que el calor producido dañe otras partes de la turbina que no esta diseñadas para soportar tan altas temperaturas. Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire teórico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar las partes más calientes de la cámara. Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de la cámara de combustión para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra parte se hace circular por el interior de los álabes de la turbina, saliendo por orificios en los bordes que crean una película sobre la superficie de los álabes Están diseñadas mediante una doble cámara:
-Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores. -Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada. TURBINA DE EXPANSIÓN. Está diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reacción, y deben generar la suficiente energía para alimentar al compresor y la producción de energía eléctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado diseño aerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidos solidariamente. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misión es redireccionar el aire de salida de la cámara de combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente. Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altas temperaturas, además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda su superficie. En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpía), a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje). Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor. Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una presión de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600ºC. Esa alta temperatura hace que la energía que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN, que consiste en utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cámara de combustión) o bien, como es más habitual, para generar vapor en una caldera de recuperación. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor consiguiéndose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%). CARCASA. La carcasa protege y aísla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3
secciones longitudinales: -Carcasa del compresor: Está compuesta por una única capa para soporte de los alabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de la turbina de gas. -Carcasa de la cámara de combustión: Tiene múltiples capas, para protección térmica, mecánica y distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustión. -Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeración por el interior de los alabes. Debe también de proveer protección térmica frente al exterior. OTROS COMPONENTES DE LA TURBINA DE GAS: -Casa de filtros: Se encarga del filtrado del aire de admisión que se introduce al compresor, se componen de 2 primeras fases de filtrado grosero, y una última con filtro de luz del orden de las 5 micras. En este proceso se puede aplicar diferentes tecnologías para aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire. -Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, según sujeten el desplazamiento axial o el provocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por un material especial antifricción llamado material Babbit, el cual se encuentra su vez lubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco anillado al eje y se montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el contacto es directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento montados en angulo para detectar vibraciones. Los regeneradores: Transmiten el calor de los gases de escape del aire de los compresores. Aumentan rendimiento pero también volumen, peso y costo. Debido a su gran tamaño, no son aconsejables para la industria aeronáutica.
-Sistema de lubricación: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandes turbinas de generación eléctrica, su misión es tanto el refrigerar como mantener una película de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de
lubricación suele contar con una bomba mecánica unida al eje de rotación, otra eléctrica y otra de emergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mecánica por una turbina eléctrica extra. Entre sus componentes principales están el sistema de filtros, el extractor de vahos inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel, presostato, etc. -Recinto acústico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su función es aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido. Debe contar con un sistema contraincendios y de ventilación. -Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con una cimentación propia para que no se transmitan las vibraciones propias del funcionamiento de la turbina al resto de los equipos de la planta. -Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razón la turbina se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador. COMBUSTIBLES: El GAS NATURAL ( una forma primordial del metano) es el combustible ideal para las turbinas de gas. Los aceites ligeros destilados forman un combustible apropiado. 2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno.
Figura 2: Flujos en una turbina de gas.
Se toma aire atmosférico a través de la admisión del compresor desde donde se envía aire comprimido a la cámara de combustión (en rojo en la figura) en la cual el combustible entra con un caudal constante y se mantiene en llama continua (Las flechas en el dibujo indican la dirección del flujo). La ignición inicial se obtiene generalmente por medio de una chispa (Dispositivo de puesta en marcha). El aire, calentado en la cámara de combustión o combustor, se expande a través de toberas o paletas fijas y adquiere una elevada velocidad. Parte de la energía cinética de la corriente de aire es cedida a los álabes o cangilones de la turbina. Una fracción de esta energía se emplea para accionar el compresor y el resto para producir trabajo. En la operación de las turbinas de gas se presentan varias limitaciones de índole práctica, las cuales determinan gran parte de la actuación de esta clase de máquinas. Entre estas limitaciones merecen citarse la temperatura y velocidad de los álabes, el rendimiento del compresor, el rendimiento de la turbina y la transferencia de calor (en ciclos con regeneración). El ciclo térmico que representa esta máquina es el ciclo Brayton. La máquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a través de ella. El aire es aspirado de la atmósfera y comprimido para después pasar a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignición. Los gases calientes, producto de la combustión, fluyen a través de la turbina. Allí se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.
Ignitor plug: Bujía de encendido. Burner: Quemador Exhaust: Exhosto Turbine wheels: Ruedas de la turbina Turbine nozzles: Toberas Bearings: Cojinetes Oil feed: Alimentación de combustible Combustion chamber liner: Cámara de combustión (recubrimiento)
Figura 8: Interior del compresor de alta presión de una turbina industrial. El diseño aerodinámico de los álabes es una de las claves de su excelente rendimiento. La relación de compresión era sin duda uno de los retos a superar para el desarrollo de las turbinas, pues mientras no se consiguieran compresores eficaces era imposible desarrollar turbinas con rendimientos que permitieran su desarrollo. Los primeros turbocompresores axiales de rendimiento aceptable aparecen en 1926, A. A. Griffith establece los principios básicos de su teoría del perfil aerodinámico para el diseño de compresores y turbinas, y es a partir de aquí cuando se emprende el desarrollo de los compresores axiales. La teoría del perfil aerodinámico expuesta por Griffith es sin duda un importante hito en el desarrollo de las turbinas de gas tal y como las conocemos hoy en día, y gracias a los conocimientos desarrollados por Griffith se consiguió desarrollar compresores y turbinas de alto rendimiento. Tipos de Turbinas de Gas Las turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energía química contenida en un combustible en energía mecánica, ya sea para su aprovechamiento energético o como fuerza de impulso de aviones, automóviles o barcos. En este artículo prestaremos atención a su papel como productor comercial de electricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologías renovables. Pueden clasificarse según el origen de su desarrollo, por el diseño de su cámara de combustión y por su número de ejes. -Turbina de gas aeroderivadas: Provienen del diseño de turbinas de para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la producción de energía eléctrica en plantas industriales o como micro turbinas. Sus principales características son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan con una gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica 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 diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven acabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.
-Turbina de gas industriales: La evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad, buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas ni arranques continuos. Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo. -Turbina de cámara de combustión tipo silo: En estos diseños la cámara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta. Su diseño no está muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales. -Turbina de cámara de combustión 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. -Turbina de cámara de combustión 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. La pieza de transición, que es la que recoge todos los gases de combustión para dirigirlos a la turbina de expansión, es una parte delicada de la instalación. Esta tecnología es utilizada en sus diseños por Mitshubishi y General Electric. -Turbina monoeje: El compresor, turbina de expansión y generador giran de forma solidaria con un único eje de rotación. La velocidad de giro es en la inmensa mayoría de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador eléctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica. -Turbina multieje: 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. Esta tecnología es utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga. Motor alternativo En los sistemas basados en motores alternativos, el elemento motriz es un motor de explosión. El calor recuperable se encuentra en forma de gases calientes y agua caliente (Circuito Refrigeración).
Figura 9: Turbina de gas. Partes principales.
Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras con interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuación:
CICLO DE BRAYTON El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustión interna se puede observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe un ciclo cerrado teórico de una turbina de gas simple. En esta gráfica podemos observar el compresor, la cámara de combustión, la turbina, el aire y combustible en el ciclo abierto Brayton. El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es, por lo tanto, una función de la relación isentrópica de presión. El rendimiento aumenta con la relación de presión, y esto es evidente en el diagrama T-s ya que al ir aumentando la relación de presión, se cambiará el ciclo de 1-2-3-4-1 a 1-2‟-3‟-4-1. El último ciclo tiene mayor suministro de calor y la misma cantidad de calor cedido, que el ciclo original, y por tanto, tiene mayor rendimiento; advierta, sin embargo, que el último ciclo tiene una temperatura máxima (T3‟) más alta que la del ciclo (T3). En la turbina de gas real, la temperatura máxima del gas que entra a la turbina es determinada por consideraciones metalúrgicas. Por lo tanto si fijamos la temperatura T3 y aumentamos la relación de presión, el ciclo resultante es 1-2‟3‟‟-4‟‟-1. Este ciclo tendrá un rendimiento más alto que el del ciclo original, pero, de esta manera, cambia el trabajo por kilogramo de substancia de trabajo. Con el advenimiento de los reactores nucleares, el ciclo cerrado de la turbina de gas ha cobrado gran importancia. El calor se transmite ya sea directamente o a través de un segundo fluido, del combustible en el reactor nuclear a la substancia de trabajo en la turbina de gas; el calor es cedido de la substancia de trabajo al medio exterior. CICLO DE UNA TURBINA DE GAS SIMPLEMENTE CON REGENERADOR El rendimiento del ciclo de una turbina de gas, puede mejorarse con la adición de un regenerador. Se puede observar el ciclo en la gráfica siguiente:
Observe como el intercambiador de calor utiliza la energía en forma de calor de los gases de escape para calentar el aire de entrada a la cámara de combustión. Note que el ciclo 1-2x3-4-y -1, la temperatura de los gases que salen de la turbina en el estado 4, es más alta que la temperatura de los gases que salen del compresor: por lo tanto puede transmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presión que salen del compresor; si esto se realiza en un intercambiador de calor de contracorriente, conocido como regenerador, la temperatura de los gases que salen del regenerador Tx‟ pueden tener en el caso ideal, una temperatura igual a T4, es decir, la temperatura de los gases de salida de la turbina. En este caso la transmisión de calor de la fuente externa sólo es necesaria para elevar la temperatura desde Tx hasta T3 y esta transmisión de calor está representada por el área x-3-d-b-x; el área y-1-a-c-y y representa el calor cedido.
MANTENIMIENTO EN TURBINAS DE GAS El mantenimiento de la turbina de gas tiene dos bases: mantenimiento condicional, basado en observar el comportamiento de la máquina e inspeccionar regularmente sus partes internas, actuando en caso de encontrar algo anormal, y el mantenimiento en parada, con la organización de grandes revisiones en las que se cambian sistemáticamente gran cantidad de piezas sometidas a desgaste. Podemos dividir las actividades de mantenimiento de la turbina de gas en tres grandes grupos: mantenimiento rutinario, inspecciones y grandes revisiones. MANTENIMIENTO RUTINARIO Las actividades principales son las siguientes:
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Vigilancia de parámetros (temperaturas en las cámaras de combustión, presión y temperatura del compresor de la turbina, niveles de vibración en cojinetes, presión y temperatura del aceite de lubricación, caudal y temperatura del aire de refrigeración, caída de presión en los filtros de aire de admisión y temperatura en el escape, como parámetros más importantes)
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Comprobación y seguimiento de alarmas y avisos
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Análisis del aceite de lubricación. Filtrado y/o sustitución cuando corresponde
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Sustitución de prefiltros y filtros del aire de admisión al compresor de la turbina, cuando la caída de presión alcanza un valor determinado
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Limpieza del compresor, tanto con el compresor en marcha como con el compresor parado (también llamadas limpiezas on-line y off-line).
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Calibración de la instrumentación (presiones, temperaturas y caudales, fundamentalmente)
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Comprobaciones del sistema contraincendios INSPECCIONES
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Inspecciones boroscópicas para comprobar el estado de las partes internas de la turbina. Suele comprobarse el estado de las cámaras de combustión y quemadores, y las distintas filas de álabes de la turbina. Estas son las partes sometidas a condiciones más extremas de funcionamiento, pues las temperaturas son muy elevadas, en el límite de la resistencia de los materiales. En las cámaras de combustión, las inspecciones borocópicas (o boroscopias) tratan de buscar deformaciones y daños en los quemadores y en las paredes de la cámara. En los álabes, buscan deformaciones, decoloraciones en la superficie del álabe, impactos de objetos extraños contra la superficie de cada álabe, estado de la capa de recubrimiento cerámico y rozamientos entre partes en movimiento y partes estáticas, fundamentalmente.
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Alineamiento de la turbina, si es necesario
GRANDES REVISIONES Las grandes revisiones suponen la apertura de la turbina y la sustitución de piezas de desgaste. Entre los trabajos que se realizan en estas grandes revisiones están los siguientes: - Sustitución de álabes. Suele ser la parte principal del trabajo, y lo realiza personal muy especializado. Se sustituyen tanto los álabes fijos como los móviles de la turbina (no del compresor). Los álabes que se retiran se envían al fabricante para su reacondicionamiento, lo que abarata el coste de la revisión sin afectar considerablemente el resultado de ésta. - Sustitución completa de la cámara de combustión. Se cambian tanto los quemadores como las paredes de la propia cámara.
- Limpieza manual de los álabes del compresor. - Revisión completa de toda la instrumentación, incluidos sensores, transmisores y cableado. -
Revisión y reacondicionamiento en su caso de los cojinetes de apoyo
- Revisión completa de todo el sistema de lubricación, con cambio o filtrado de aceite, revisión de bombas, cambio de filtros, limpieza del depósito - Equilibrado del conjunto rotor -
Alineamiento de la turbina
Como el tiempo necesario para llevar a cabo estas grandes revisiones suele ser alto (entre 10 y 30 días), se acometen en este momento muchos otros trabajos en la planta, por lo que la cantidad de personal que se ve implicado en una de estas grandes revisiones suele ser grande. PLAN DE MANTENIMIENTO EN TURBINAS DE GAS Introducción. La fiabilidad y la disponibilidad de una CTCC dependen, en primer lugar, del diseño y de la calidad de su montaje, en segundo lugar de la operación del grupo, evitar los disparos a plena carga, las maniobras bruscas innecesarias, evitar trabajar con parámetros anormales durante largos espacios de tiempo, colocar los valores de los diferentes parámetros en los puntos apropiados, etc., es responsabilidad de los operadores, y los problemas técnicos de la central van a estar en gran medida condicionados por la forma de operar, en tercer y último lugar, la fiabilidad y disponibilidad dependen del mantenimiento que se realice. Si el mantenimiento es básicamente correctivo, atendiendo sobre todo los problemas cuando se presentan, es muy posible que a corto plazo esta política sea rentable. Debemos tener en cuenta que lo que hagamos en mantenimiento no tiene su consecuencia de manera inmediata, sino que los efectos de las acciones que tomamos se revelan con seis meses o un año de retraso. Hoy pagamos los errores de ayer, o disfrutamos de los aciertos. La ocasión perfecta para diseñar un buen mantenimiento programado que haga que la disponibilidad y la fiabilidad de una central eléctrica sean muy altas es durante la construcción. Cuando la construcción acaba y la planta es entregada al propietario para su explotación comercial, el plan de mantenimiento debe estar ya diseñado, y debe ponerse en marcha desde el primer día que la central entra en operación. Perder esa oportunidad significa renunciar a que la mayor parte del mantenimiento sea programado, y caer en el error, un grave error de consecuencias económicamente nefastas, de que sean las averías las que dirijan la actividad del departamento de mantenimiento. Es normal prestar mucha importancia al mantenimiento de los equipos principales como son turbina gas, turbina de vapor, generador y caldera, y no preocuparse en la misma medida de todos los equipos adicionales o auxiliares, esto es un grave error, pues una simple bomba de refrigeración o un simple transmisor de presión pueden parar una central y ocasionar un problema tan grave como un fallo en la
turbina o en el generador. Conviene, pues, prestar atención a todos aquéllos equipos capaces de provocar fallos críticos. Un buen plan de mantenimiento es el que analiza todos los fallos posibles, y ha sido diseñado para evitarlos. Eso quiere decir que para elaborar un buen plan de mantenimiento es absolutamente necesario realizar un detallado análisis de fallos de todos los sistemas que componen la planta. Por desgracia, esto raramente ocurre. Sólo en los equipos más costosos de la CTCC suele haberse realizado este pormenorizado análisis, y lo suele haber llevado a cabo el fabricante del equipo. Por ello, en los equipos principales como son turbina de gas, turbina de vapor, generador y caldera de recuperación, debe seguirse lo indicado por el fabricante. Pero el resto de equipos y sistemas que componen la planta, capaces como hemos dicho de parar la central y provocar un grave problema, también deben estar sujetos a este riguroso análisis. Ocurre a veces que no se dispone de los recursos necesarios para realizar este análisis de forma previa a la entrada en funcionamiento de la planta, o que ésta ya está en funcionamiento cuando se plantea la necesidad de elaborar el plan de mantenimiento. En esos casos, es conveniente realizar este plan en dos fases: 1)
Realizar un plan inicial, basado en instrucciones generales, en la experiencia de los técnicos, en las recomendaciones de los fabricantes y en las obligaciones legales de mantenimiento que tienen algunas instalaciones. Este plan puede elaborarse con rapidez. Hay que recordar que es mejor un plan de mantenimiento incompleto que realmente se lleva a cabo que uno inexistente.
2)
Realizar un análisis de fallos de cada uno de los sistemas que componen la planta. Este análisis permitirá no sólo diseñar el plan de mantenimiento, sino que además permitirá proponer mejoras que eviten esos fallos, crear procedimientos de mantenimiento o de operación y seleccionar el repuesto necesario.
PLAN DE MANTENIMIENTO INICIAL. 1.1
Plan de mantenimiento inicial basado en instrucciones del fabricante.
La preparación de un plan de mantenimiento basado en las instrucciones de los fabricantes tiene tres fases: -
Fase 1: Recopilación de instrucciones.
Realizar un plan de mantenimiento basado en las recomendaciones de los fabricantes de los diferentes equipos que componen la planta no es más que recopilar toda la información existente en los manuales de operación y mantenimiento de estos equipos y darle al conjunto un formato determinado. Es conveniente hacer una lista previa con todos los equipos significativos de la planta. A continuación, y tras comprobar que la lista contiene todos los equipos, habrá que asegurarse de que se dispone de los manuales de todos éstos. El último paso será recopilar toda la información contenida en el apartado
mantenimiento preventivo que figura en esos manuales, y agruparla de forma operativa. Si el equipo de mantenimiento está dividido en personal mecánico y personal eléctrico, puede ser conveniente dividir también las tareas de mantenimiento según estas especialidades. -
Fase 2: La experiencia del personal de mantenimiento.
Con esta recopilación el plan de mantenimiento no está completo. Es conveniente contar con la experiencia de los responsables de mantenimiento y de los propios técnicos, para completar las tareas que pudieran no estar incluidas en la recopilación de recomendaciones de fabricantes. Es posible que algunas tareas que pudieran considerarse convenientes no estén incluidas en las recomendaciones de los fabricantes por varias razones: A)
El fabricante no está interesado en la desaparición total de los problemas, ya que diseñar un equipo con cero averías puede afectar su facturación.
B)
El fabricante no es un especialista en mantenimiento, sino en diseño y montaje.
C) Hay instalaciones que se han realizado en obra, y que no responden a la tipología de equipo, sino más bien son un conjunto de elementos, y no hay fabricante como tal, sino tan sólo un instalador. En el caso de que haya manual de mantenimiento de esa instalación, es dudoso que sea completo. Es el caso, por ejemplo, del ciclo agua-vapor que es un conjunto de tuberías, soportes y válvulas. Podemos encontrar instrucciones para ellas, pero también las tuberías y la suportación necesitan determinadas inspecciones. Además, el ciclo agua-vapor se comporta como un conjunto, son necesarias determinadas pruebas funcionales del conjunto para determinar su estado. En otros casos el plan de mantenimiento que propone el fabricante es tan exhaustivo que contempla la sustitución o revisión de un gran número de elementos que evidentemente no han llegado al máximo de su vida útil, con el consiguiente exceso de gasto. Cuantas más intervenciones de mantenimiento preventivo sean necesarias, más posibilidades de facturación tiene el fabricante. Además, está el problema de la garantía, si un fabricante propone multitud de tareas y éstas no se llevan a cabo, el fabricante puede alegar que el mantenimiento preventivo propuesto por él no se ha realizado, y que ésa es la razón del fallo, no haciéndose pues responsable de su solución en el periodo de garantía, con la consiguiente facturación adicional. -
Fase 3: Mantenimiento legal.
Por último, no debe olvidarse que es necesario cumplir con las diversas normas reglamentarias vigentes en cada momento. Por ello, el plan debe considerar todas las obligaciones legales relacionadas con el mantenimiento de determinados equipos. Son sobre todo tareas de mantenimiento relacionadas con la seguridad.
Algunos de los equipos sujetos a estas normas en una central de ciclo combinado son las siguientes: -
ERM.
-
Sistema de alta tensión.
-
Torres de refrigeración.
-
Puentes grúa.
-
Vehículos.
-
Tuberías y equipos a presión.
-
Instalaciones de tratamiento y almacenamiento de aire comprimido
-
Sistemas de control de emisiones y vertidos.
-
Sistemas contra incendios.
-
Sistemas de climatización de edificios.
-
Intercambiadores de placas.
1.2
Plan de mantenimiento inicial basado en instrucciones genéricas.
En este caso la consulta de los manuales de los fabricantes se hace después de haber elaborado un borrador inicial del plan, y con la idea de complementar éste. En la fase final se añaden las obligaciones legales de mantenimiento, como en el caso anterior. -
Fase 1: Listado de equipos significativos.
Del inventariado de equipos de la planta, deben listarse aquellos que tienen una entidad suficiente como para tener tareas de mantenimiento asociadas. Este listado puede incluir motores, bombas, válvulas, determinados instrumentos, filtros, depósitos, etc. Una vez listados, es conveniente agrupar estos equipos por tipos, de manera que sepamos cuántos tipos de equipos significativos tenemos en el sistema que estemos analizando. -
Fase 2: Tareas genéricas.
Para cada uno de los tipos de equipos, debemos preparar un conjunto de tareas genéricas que les serían de aplicación. Así, podemos preparar tareas genéricas de mantenimiento para transformadores, motores, bombas, válvulas, etc. -
Fase 3: Aplicación de las tareas genéricas a los diferentes equipos.
Para cada motor, bomba, trafo, válvula, etc., aplicaremos las tareas genéricas preparadas en el punto anterior, de manera que obtendremos un listado de tareas referidas a cada equipo en concreto.
-
Fase 4: Consulta a manuales.
Es en este punto, y no al principio, donde incluimos las recomendaciones de los fabricantes. -
Fase 5: Obligaciones legales.
Igual que en el caso anterior, es necesario asegurar el cumplimiento de las normas reglamentarias referentes a mantenimiento que puedan ser de aplicación. PLAN DE MANTENIMIENTO BASADO EN ANÁLISIS DE FALLOS (RCM). 2.1
¿Qué es RCM?
RCM, Reliability Centred Maintenance, Mantenimiento Centrado en Fiabilidad, es una técnica más dentro de las posibles para elaborar un plan de mantenimiento en una central de ciclo combinado y que presenta algunas ventajas importantes sobre otras técnicas. Inicialmente fue desarrollada para el sector de aviación, donde los altos costes derivados de la sustitución sistemática de piezas amenazaban la rentabilidad de las compañías aéreas. Posteriormente fue trasladada al campo industrial, después de comprobarse los excelentes resultados que había dado en el campo aeronáutico. El objetivo fundamental de la implantación de un mantenimiento centrado en fiabilidad o RCM en una planta industrial es aumentar la disponibilidad y disminuir costes de mantenimiento. El análisis de una central de ciclo combinado según esta metodología aporta una serie de resultados: 1)
Mejora la comprensión del funcionamiento de los equipos.
2)
Analiza todas las posibilidades de fallo de un sistema y desarrolla mecanismos que tratan de evitarlos, ya sean producidos por causas intrínsecas al propio equipo o por actos personales.
3)
Determina una serie de acciones que permiten garantizar una alta disponibilidad de la planta. Estas acciones pueden ser de varios tipos:
-
Planes de mantenimiento. Procedimientos mantenimiento.
operativos,
tanto
de
producción
como
de
Modificaciones o mejoras posibles. Adopción de medidas provisionales en caso de fallo, que minimizan los efectos de éste. Planes de formación. Determinación del stock de repuesto que es deseable que permanezca en planta.
En el análisis que conduce a RCM debemos contestar seis preguntas claves: 1)
¿Cuáles son las funciones y los estándares de funcionamiento en cada sistema?
2)
¿Cómo falla cada equipo?
3)
¿Cuál es la causa de cada fallo?
4)
¿Qué consecuencias tiene cada fallo?
5)
¿Cómo puede evitarse cada fallo?
6)
¿Qué debe hacerse si no es posible evitar un fallo?
El proceso atraviesa una serie de fases para cada uno de los sistemas en que se puede descomponer la planta: Fase 0: Codificación y listado de todos los subsistemas, equipos y elementos que componen el sistema que se está estudiando. Recopilación de esquemas, diagramas funcionales, diagramas lógicos, etc. -
Fase 1: Estudio detallado del funcionamiento del sistema. Listado de funciones del sistema en su conjunto. Listado de funciones de cada subsistema y de cada equipo significativo integrado en cada subsistema.
-
Fase 2: Determinación de los fallos funcionales y fallos técnicos. Nos podremos ayudar en esta fase del histórico de averías y consultando al personal de mantenimiento y de operaciones, además de ayudarnos de diagramas lógicos y diagramas funcionales.
- Fase 3: Determinación de los modos de fallo o causas de cada uno de los fallos encontrados en la fase anterior. Por ejemplo si el nivel de agua de alimentación es bajo puede ser por: 1)
Bombas de condensado no impulsan agua desde el condensador. 2) 3)
Hay alguna tubería rota u obstruida. Válvula de recirculación de las bombas del condensador está totalmente abierta.
4)
Fuga importante en la caldera.
5)
Fuga o rotura en el cuerpo del tanque de agua de alimentación.
6)
Válvula de drenaje abierta o en mal estado.
7)
El sistema de control de nivel no funciona correctamente.
-
Fase 4: Estudio de las consecuencias de cada modo de fallo. Clasificación de los fallos en críticos, importantes o tolerables en función de esas
consecuencias. Para que un fallo sea considerado crítico debe cumplir alguna de las siguientes condiciones: 1)
Que pueda ocasionar un accidente que afecte a la seguridad o al medioambiente, y que existan ciertas posibilidades de que ocurra.
2)
Que suponga una parada de planta o afecte a la potencia neta de la planta o a su rendimiento.
3)
Que la reparación del fallo más los fallos que provoque éste sea superior a cierta cantidad.
Fase 5: Determinación de medidas preventivas que eviten o atenúen los efectos de los fallos, suelen ser de 5 clases: 1) Tareas de mantenimiento, que se divide en 7 tipos. Tipo 1: Inspecciones visuales. Tipo 2: Lubricación. Tipo 3: Verificaciones de correcto funcionamiento realizados con instrumentos propios del equipo. Tipo 4: Verificaciones del correcto funcionamiento realizados con instrumentos externos del equipo. Tipo 5: Tareas condicionales. Se realizan dependiendo del estado en que se encuentre el equipo. Tipo 6: Tareas sistemáticas, realizadas cada ciertas horas de funcionamiento, o cada cierto tiempo, sin importar cómo se encuentre el equipo. Tipo 7: Grandes revisiones u Overhaul, cuyo objetivo es dejar el equipo como nuevo. 2)
Mejoras y modificaciones de la instalación, que pueden ser:
a)
Cambios en los materiales.
b)
Cambios en el diseño de una pieza.
c)
Instalación de sistemas de detección.
d)
Cambios en el diseño de una instalación.
e)
Cambios en las condiciones externas al ítem.
3)
Cambios en los procedimientos de operación
4)
Cambios en los procedimientos de mantenimiento.
5)
Formación.
-
Fase 6: Agrupación de las medidas preventivas en sus diferentes categorías: elaboración del plan de mantenimiento, lista de mejoras, planes de formación y procedimientos de operación y de mantenimiento. Entre estos grupos pueden estar:
1)
Plan de mantenimiento.
2)
Listas de mejoras.
3)
Formación.
4)
Lista de procedimientos de operación y mantenimiento a mejorar.
-
Fase 7: Puesta en marcha de las medidas preventivas que se han visto en el punto anterior y que dan como resultado los siguientes puntos:
1)
Plan de mantenimiento.
2)
Lista de mejoras.
3)
Plan de formación.
4)
Manual de operación y mantenimiento.
DIFERENCIAS ENTRE EL PLAN DE MANTENIMIENTO INCIAL Y RCM. Comparando el plan inicial, basado sobre todo en las recomendaciones de los fabricantes, con el nuevo, basado en el análisis de fallos, habrá diferencias notables: 1)
En algunos casos, habrá nuevas tareas de mantenimiento, allí donde el fabricante no consideró necesarias ninguna.
2)
En otros casos, se habrán eliminado algunas de las tareas por considerarse que los fallos que trataban de evitar son perfectamente asumibles, es más económico solucionar el fallo cuando ocurre que hacer las tareas preventivas.
AGRUPACIÓN EN GAMAS DE MANTENIMIENTO. Una vez elaborada la lista de tareas que compondrán el plan de mantenimiento es conveniente agruparlas, las tareas también llamadas gamas se agruparán teniendo en cuenta los siguientes aspecto en gamas diarias, semanales y mensuales y anuales, los aspectos son: -
Tareas referidas al mismo área, eléctricas, refrigeración, etc.
-
Tareas referidas al mismo equipo.
-
Tareas que deben ser realizadas por profesionales de la misma especialidad. Tareas agrupas por frecuencias de realización.
1)
Gamas diarias, son tareas que se realizan fácilmente.
2)
Gamas semanales y mensuales, complementan a otras tareas más complicadas, que no está justificado realizar a diario, implican desmontajes, paradas de equipos o tomas de datos laboriosas.
3)
Gamas anuales. Suponen en algunos casos la revisión completa del equipo. AVERIAS EN TURBINAS DE GAS
Fallos más comunes son los siguientes 1. Fallos en la refrigeración de los álabes de turbina, por obstrucción de orificios de refrigeración de éstos o por fallos de diseño de dichos orificios 2. Daños en la cámara de combustión 3. Fallo en los quemadores 4. Daños en álabes del compresor y/o de turbina, por desprendimiento de algún material que forma parte del rotor 5. Daños en álabes por entrada de material extraño proveniente del exterior y que choca con los álabes en movimiento 6. Fallos o daños en cojinetes 7. Alto nivel de vibraciones por mal equilibrado, desalineación, ensuciamiento del compresor, etc. 8. Bloqueo del rotor por curvatura de éste 9. Daños diversos en el eje, como golpes, pérdidas de material o fisuras 10. Fallos en la instrumentación 11. Fallos en el sistema de control 12. Obstrucción o colapso de filtro de aire de entrada 13. Daños por escarcha o hielo formado a la entrada del compresor 14. Roturas de manguitos de combustible o de aceite por vibraciones elevadas 15. Destrucción de la cámara de combustión y/o primera fila de álabes por alta temperatura, sobrealimentación de combustible o mal ajuste de la longitud de llama. FALLOS EN CASA DE FILTROS. Fallo importante ya que la caja de filtros se encarga de intentar que el aire entre lo más limpio posible de partículas y objetos extraños al compresor, ya que cualquier objeto por partícula sólida por muy pequeña que sea puede ocasionar graves daños a nuestro equipo, los posibles fallos que se suelen dar son los siguientes:
Roturas de filtros. Conductividad alta en agua. Desprendimiento de boquillas, conviene tenerlas atadas con cadenas para sujetarlas bien. Entrada de suciedad por cierre no estanco de la casa de filtros, por ejemplo que no esté bien cerrada la puerta de acceso. Corrosión en la casa de filtros.
Casa de filtros en mal estado. FALLOS EN ÁLABES (COMPRESOR Y TURBINA DE EXPANSIÓN). El fallo en los álabes es un muy delicado ya que los álabes son los encargados de impulsar el aire en el compresor y de aprovechar los gases de combustión para mover la turbina, por lo que están sometidos a esfuerzos y cargas térmicas muy grandes, todo ello girando a altas velocidades, lo que puede provocar que pequeños defectos en su superficie se hagan importantes al poco tiempo, pudiendo llegar a romperse el alabe y provocando un gran desastre en el interior de la turbina, a continuación a exponer algunos de los más importantes:
Impactos. Fisuras (cracks). Rotura por velocidad crítica. Pérdida de recubrimiento cerámico (coating loss). Obstrucción de orificios de refrigeración. Corrosión (fretting). Erosión.
Impactos en los álabes.
Roces (Rubbing). Deformación por fluencia térmica (creep). Sobretemperatura (overfiring).
Decoloración (en compresor).
FALLOS EN CÁMARA DE COMBUSTIÓN. La cámara de combustión es el lugar donde se produce combustión del combustible con el comburente en ella se pueden alcanzar muy altas temperaturas y presiones, que provocarían la destrucción del metal si este se encontrase desnudo por ello se ha de recubrir de materiales cerámicos y estar refrigerado, siendo este uno de los fallos posibles que se pueden dar en esta parte del grupo, pero también hay otros como los siguientes:
Llama pulsante, provoca una vibración. Pérdida de material en las placas de recubrimiento (TBC spallation). Sobretemperatura en lanzas, provocando su degradación. Sobretemperatura en piezas de transición, lo que puede llevar a su rotura como se muestra en la siguiente imagen.
Rotura en piezas de transición. FALLOS DEL ROTOR. El rotor es el elemento que nos une todo el sistema en la turbinas de un solo eje, por lo que un fallo en el es muy importante ya que al unir turbina, compresor, generador y turbina de vapor, el fallo puede ser comunicado a todo el sistema con lo que ello supondría de desajustes y daños. Los posibles fallos que de pueden dar en el rotor son:
Bombeo del compresor, no entra suficiente caudal de aire.
Ensuciamiento del compresor. Vibración que puede estar causada por las siguientes circunstancias:
- Mal estado de sensores de vibración o tarjetas acondicionadoras de señal. - Desalineación. - Falta de presión o caudal de aceite. - Mala calidad de aceite: aceite con agua o con viscosidad inadecuada. - Desequilibrio por: 1)
Incrustaciones.
2)
Rotura de un alabe.
3)
Equilibrado mal efectuado.
- Vibración en alternador o reductor. - Fisura en el eje. - Curvatura del eje. - Cojinetes en mal estado. - Defectos en la bancada.
Ensalada de paletas: consiste en una reacción en cadena como consecuencia de la rotura de un alabe o por la introducción de un objeto que provoque la rotura de álabes, pudiendo dejar la turbina como en la siguiente imagen.
Ensalada de paletas
Una fisura en el rotor, no tiene solución permanente solo temporal. Aparece cuando una grieta superficial progresa, se detecta por el aumento de vibración, que no se corrige con nada, el problema es que no se suele
tener un rotor de repuesto, y en muchos casos hay que fabricar uno nuevo, con todo esto hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar una turbina, que hay que elegir una turbina cuyo fabricante garantice la disponibilidad inmediata de un rotor. FALLOS DE LA CARCASA. La carcasa es la encarga de cubrir el compresor, cámara de combustión y turbina, sirviendo también de soporte a los álabes fijos y móviles, para las conducciones de combustible y los diversos instrumentos, por lo que al ser la encargada de cubrir todo el sistema se debe vigilar su perfecto estado para no tener fugas de aire que nos hagan perder presión, o que provoquen la entrada de objetos extraños, con el consiguiente riesgo para la turbina. Los fallos más comunes son:
Fisuras en la carcasa. Fugas de aire por carcasa. Perno bloqueado, los tornillos de sujeción se ha podido quedar soldados en sus agujeros.
Perno bloqueado. FALLOS EN COJINETES. Los cojinetes son unos elementos esenciales, ya que es ahí donde va apoyado el rotor y por tanto todo el sistema, también nos evitan los desplazamientos hacia delante o detrás del sistema, ya que la turbina provoca un empuje. Se utilizan cojinetes antifricción ya que los rodamientos no aguantarían el peso de semejante sistema, los cojinetes tienen una capa de un metal llamado Babit, que permite girar al rotor con un rozamiento muy pequeño, pero es un metal muy delicado que hay que cuidar para evitar su degradación y por tanto el comienzo de posibles problemas. Los posibles fallos que se pueden dar en esta pieza son los siguientes:
Desplazamiento axial excesivo. Fallos en la lubricación. Desgaste del material antifricción. Golpes y daños en material antifricción. Problemas de lubricación:
- Agua en el aceite. - Contaminación.
Figura 6. Cojinete antifricción. FALLOS DE CONTROL Y DE LA INSTRUMENTACIÓN. La probabilidad de fallo es estable en toda la vida del equipo, pero hay veces que todo el sistema puede estar funcionando bien, pero que sean los sensores que nos tendrían que indicar los fallos los que estén funcionando mal, y nos estén dando falsos fallos que nos podrían hacer parar la central y a la hora de ir a ver la avería ver que todo esta correcto y que ha sido un fallo del sensor que como todo se puede estropear, por lo que para evitar estas falsas alarmas se utiliza el sistema 2 de 3, esto es, tenemos 3 sensores para controlar la misma cosa, solo en caso de que 2 de esos 3 sensores nos adviertan de fallos debemos hacerlos caso, ya que puede ser que si solo fuese uno podría estar averiado. Existen determinados factores aumentan la probabilidad de fallo como son: - Temperatura. - Humedad. - Polvo y suciedad. - Tensión de alimentación. Los fallos más habituales en el sistema control podemos destacar los siguientes: - Sensores de temperatura.
- Sensores ópticos. El fallo más grave en control es el fallo del PLC, un autómata encargado de control, por lo que para mitigarlo en la medida de lo posible se debe hacer: - El PLC debe ser redundante. - Toda la instrumentación (incluidos sensores, transmisores y tarjetas de bus de datos) debe tenerse en stock en la planta. AVERIAS EN MOTORES La mayor parte de los fallos en motores de gas tienen tres orígenes: a) Fallos de diseño. Muchos motores no están suficientemente desarrollados o experimentados cuando llegan al mercado. Así, la resistencia de algunos elementos no ha sido suficientemente calculada, las condiciones de experimentación y prueba no se corresponde con las condiciones reales de trabajo, algunas de esas condiciones son demasiado exigentes para lo que posteriormente se encuentra en la realidad (condiciones de refrigeración, calidad de gas, temperatura exterior, etc.), o simplemente, no se han probado suficientemente y no se tienen una idea exacta de la vida de determinadas piezas. b) La competencia comercial entre fabricantes, que lleva a que éstos garanticen prestaciones, como potencia, rendimiento, disponibilidad o flexibilidad para arranques, paradas y cambios de carga, que no se corresponden con el desarrollo de la técnica. c) Las duras condiciones de uso de algunos de los equipos, obligados a producir al 100% de su capacidad (en muchos casos, realmente por encima de ese 100% real) durante larguísimos periodos de tiempo d) Negligencias graves de operación. La más habitual de todas estas negligencias suele ser tratar de arrancar una y otra vez con alarmas presentes sin solucionar el problema, confiando en que sea una falsa alarma proveniente de un instrumento que da una medida errónea. Esta interpretación „a la ligera‟ de las alarmas que proporciona el sistema, incluso la eliminación de la seguridad que evita el arranque en condiciones de riesgo para la máquina, causa en algunos casos la destrucción completa Gripado entre pistón y camisa El gripado es sin duda la avería más grave que puede tener un motor de gas, y significa en muchos casos la destrucción total del motor. Se entiende en general por gripado la avería que se produce cuando dos piezas que actúan conjuntamente mediante rozamiento, una fija y otra móvil, se agarrotan o sueldan entre sí. En el caso del motor, este efecto se produce entre pistón y cilindro o entre los casquillos y el cigüeñal.
El gripado pistón-camisa aparece normalmente por cuatro causas: un fallo en la lubricación, un fallo en la refrigeración, desequilibrio de biela que produce un desgaste diferencial en el cilindro y defectos en uno de los segmentos, el llamado aro de compresión o aro de fuego. El gripado suele producirse en la parte alta del cilindro, donde las condiciones son más extremas Por su alto coste y por la gravedad de esta avería, los motores están equipados con una serie de instrumentos capaces de detectar con antelación un problema que pueda conducir al gripado del motor. Aún así, resulta curioso que el gripado del motor no sea una avería rara e infrecuente. En un buen número de ocasiones detrás de un gripado hay una negligencia grave de operación o de mantenimiento del motor: arranques sucesivos en condiciones de fallo, desconexión de los sistemas de protección, alarmas repetidas a las que no se hace caso, etc. ARRANQUE DE TURBINAS DE GAS Los diferentes tipos de arranques los podemos clasificar según la temperatura de la carcasa y del rotor en el momento de iniciarlos. Aunque los fabricantes de turbinas hablan de 3 tipos de arranques (fríos, templados y calientes), en realidad hay dos situaciones adicionales: los arranques superfrios, y los rearranques. La diferencia fundamental es la rampa de subida de carga, ya que cuanto más frío sea el arranque será necesario una subida progresiva más suave, para conseguir un calentamiento uniforme que minimice las tensiones térmicas en el metal.
TIPOS DE ARRANQUE Los fabricantes de las turbinas los suelen dividir en tres grupos:
Arranque frío, que es aquel que se produce cuando la turbina ha estado más de 72 horas parada Arranque templado, entre las 24 y 72 horas.
Arranque caliente se produce en menos de 24 horas de que se haya producido la parada.
Adicionalmente, existen dos tipos más de arranques:
Arranque superfrío. Después de una parada programada, sin virador. El virador es una máquina encargada de hacer girar el rotor a muy bajas revoluciones para que se enfríe de forma homogénea y con ello evitar que se deforme. En el arranque superfrío el metal de la turbina está a temperatura ambiente, y posiblemente el rotor se encuentre ligeramente curvado, por lo que será necesario que la turbina fire en modo virador entre 6 y 24 horas Rearranque inmediatamente después de un disparo, se produce después de un disparo porque algún sensor ha dado un aviso y se ha corregido rápidamente o ha sido una falsa alarma, o se están haciendo prueba. Curiosamente, el número de arranques fallidos (arranques que no llegan a completarse) en rearranques es más elevado que en el resto de los tipos de arranque.
La diferencia fundamental está en la temperatura de la carcasa y del rotor en el momento de inicio del arranque. Debido a que la carcasa y el rotor se calientan a diferente ritmo por tener masas diferentes (la carcasa es más pesada que el rotor), lo que obliga a una subida controlada en carga. el estrés térmico y la dilatación diferencial entre la carcasa y el rotor marcan la velocidad de esa subida de potencia. Las diferencias en tiempo son menos acusadas que en la turbinas de vapor, por ejemplo. Un arranque frío con subida de carga hasta la plena potencia puede completarse entre 30 y 45 minutos, mientras que para un arranque caliente pueden ser necesarios menos de 15. FASES DE UN ARRANQUE Las 5 fases en que puede dividirse el arranque de una turbina de gas son las siguientes: 1)
Funcionamiento en virador.
Para asegurar el reparto de pesos a lo largo del eje de rotación en caso de parada prolongada es necesario que la turbina gire en virador durante unas horas, evitando así deformaciones producidas al enfriarse de forma no homogénea. Si tras la parada ha estado funcionando en virador, está fase ya está realizada. 2)
Preparación para el arranque.
Debe haber presión de gas, se debe ir metiendo gas poco a poco. El sistema de alta tensión debe estar operativo, ya que nos alimentara al generador que en este caso actuara de motor para arrancar la turbina. El sistema de refrigeración debe estar operativo, para ir evacuando el calor conforme lo vayamos generando y no tener que sacar mucho de golpe. Niveles de caldera correctos, si tiene sistema de recuperación de gases, se debe revisar el sistema para ver que todo está correcto y no nos de problemas cuando pongamos a plena carga la turbina.
3)
Bomba auxiliar de lubricación en marcha, temperatura correcta, para que todo este bien lubricado y evitar posibles daños. Ausencia de alarmas de cualquier tipo, ver que no hay ninguna alarma que nos avise de posibles fallos, no vaya a ser que exista un problema no nos demos cuenta y a la hora de poner a plena carga el sistema nos de un fallo y tengamos que parar. Inicio y subida hasta velocidad de barrido de gases.
El motor de arranque, que suele ser el propio generador, hace girar la turbina, empezando nosotros a meter gas y aire.
El variador controla la velocidad del motor de arranque para ir subiendo de forma adecuada intentando evitar lo más rápido posible las zonas peligrosas de vibración.
Sube lentamente la velocidad, hasta una velocidad de giro lento, no superior a 500 rpm. Se busca realizar un barrido de gases que pudiera haber en la turbina, para evitar explosiones. También se pretende que la distribución de pesos a lo largo del eje de rotación sea perfecta y se eviten problemas de vibración al atravesar las velocidades críticas.
4) Aceleración hasta velocidad de sincronismo. Paso por velocidades críticas.
5)
Se ordena desde el control subir hasta velocidades de sincronismo. Interesa pasar por las velocidades críticas lo más rápido posible. La supervisión de las vibraciones durante la aceleración es fundamental, ya que nos pueden indicar posibles problemas. El sistema también supervisa la aceleración, para asegurar que se pasa rápidamente por las velocidades críticas. A una velocidad determinada, se activa el ignitor, y se enciende la llama piloto. La llama piloto enciende a su vez las cámaras de combustión o quemadores (FLAME ON). A partir de ese momento la fuerza de los gases de combustión empieza a impulsar la turbina. Poco a poco, la fuerza que ejerce el motor va siendo menor, y la de los gases mayores. A una velocidad determinada, el motor de arranque se desconecta. Si es el generador, deja de actuar como motor y se prepara para actuar como generador. Se alcanza la velocidad de sincronismo, empezamos a producir energía eléctrica, en esta fase es donde más disparos se producen. Sincronización y
6) Subida de carga hasta la potencia seleccionada.
El cierre del interruptor de máquina una vez alcanzada la velocidad de sincronismo suele ser muy rápido, unos minutos como mucho.
El sincronizador varía ligeramente la velocidad de la turbina. La subida de carga debe ser lenta, de acuerdo al tipo de arranque.
PROBLEMAS HABITUALES DURANTE LOS ARRANQUES
Vibraciones al atravesar las velocidades críticas. Fallo de llama (Flame Off), se nos apaga la llama. Aceleración insuficiente. Desplazamiento axial excesivo al subir carga. Temperatura excesiva de cojinetes, esta fallando la lubricación o estamos hiendo muy rápido. Vibraciones al subir carga.
CONSEJOS ÚTILES EN LOS ARRANQUES DE TURBINAS DE GAS 1) Si se ha producido un disparo durante un arranque, no hay que arrancar de nuevo hasta no tener claro qué ha provocado el disparo y haberlo solucionado. 2) Las averías no se arreglan solas, de forma mágica. Aunque es cierto que a veces son problemas “irreales” relacionados con la instrumentación, la mayoría de las veces no es así. 3) Las turbinas de gas no son caprichosas: cuando tienen un problema no intentan llamar la atención, tienen un problema de verdad. 4) Puentear sensores, anular detectores o elevar valores de consigna en el control para facilitar un arranque es una mala decisión. Las averías más graves en una turbina siempre están relacionadas con una negligencia de este tipo.
COGENERACIÓN. Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de un único combustible. El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneración de electricidad y calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas. No obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o residuos que se incineran. En un proceso de cogeneración, el calor se presenta en forma de vapor de agua a alta presión o en forma de agua caliente. Por ejemplo, se puede utilizar el vapor caliente que sale de una turbina de producción de energía eléctrica, para suministrar energía para otros usos. Hasta hace poco lo usual era dejar que el vapor se enfriara, pero con esta técnica, con el calor que le queda al vapor se calienta agua para distintos usos. El aprovechamiento del calor residual, los sistemas de cogeneración presentan rendimientos globales del orden del 85%, lo que implica que el aprovechamiento simultáneo de electricidad y calor favorezca la obtención de elevados índices de ahorro energético, así como una disminución importante de la factura energética, sin alterar el proceso productivo, ahorro energético que se incrementa notablemente si se utilizan energías residuales. En una central eléctrica tradicional los humos salen directamente por la chimenea, mientras que en una planta de cogeneración los gases de escape se enfrían
transmitiendo su energía a un circuito de agua caliente/vapor. Una vez enfriados los gases de escape pasan a la chimenea. Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un rendimiento energético del orden del 90%. El procedimiento es más ecológico, ya que durante la combustión el gas natural libera menos dióxido de carbono (CO2) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo o el carbón. • VENTAJAS: Ahorra energía y mejora la seguridad del abastecimiento. Disminuye las pérdidas de la red eléctrica porque las centrales de cogeneración se suelen situar próximas a los lugares de consumo. Aumenta la competencia entre los productores. Permite crear nuevas empresas Se adapta bien a las zonas aisladas o ultraperiféricas PLANTAS DE COGENERACION Cogeneración significa producción simultánea de dos o más tipos de energía. Normalmente las energías generadas son electricidad y calor, aunque puede ser también energía mecánica y calor (y/o frío). La producción simultánea supone que puede ser utilizada simultáneamente, lo que implica proximidad de la planta generadora a los consumos, en contraposición al sistema convencional de producción de electricidad en centrales termoeléctricas independientes, donde también se desprende calor, pero éste no es aprovechado y ha de ser eliminado al ambiente. Hay que recordar que la termodinámica obliga a la evacuación de una cierta cantidad de calor en todo proceso térmico de producción de electricidad, ya que todo el calor absorbido no puede transformarse en trabajo. El objetivo de la cogeneración es que no se pierda esta gran cantidad de energía. Analizando lo que antecede podemos señalar las principales características diferenciales de la cogeneración, es decir: a) Se aprovechan varios rendimiento mayor que rendimiento da origen a combustible, coste de
tipos de energía, por lo que tiene un potencial de una central convencional. A su vez este mayor tres de sus mayores ventajas: menor consumo de producción menor y menor impacto ambiental.
b) Se produce la energía donde se consume, por lo que hay menores pérdidas por transporte y aumenta la autonomía de las fábricas EL ELEMENTO PRIMARIO: MOTOR DE GAS O TURBINA Cuando se escribe o se habla de cogeneración y sus aplicaciones, ya sea en una instalación concreta o en general, siempre se suele comenzar por el elemento primario; esto es, el motor, la turbina de gas o de vapor. Por el contrario cuando se estudia, cuando se gesta el proyecto, cuando se analizan las diferentes posibilidades, ha de hacerse al revés: debe comenzarse por las necesidades de calor del proceso, tanto en cantidades como en el tipo (nivel de temperatura, fluido caloportador, etc.) para a partir de ahí determinar el tipo de máquinas y su tamaño, que pueden proporcionarnos esta energía térmica. Como resultado tendremos una o varias instalaciones que para esa energía térmica, producen
diferentes cantidades de electricidad y con diferente rendimiento y que por tanto tendrán diferente rentabilidad económica. Es interesante destacar que el análisis de las necesidades de proceso no se debe restringir a la situación actual sino que hay que investigar si hay posibilidades de cambio en el aprovechamiento del calor que permitan la instalación de una planta de cogeneración más eficiente y por ende más rentable. Es importante resaltar nuevamente que la base de la cogeneración es el aprovechamiento del calor. Una central termoeléctrica tradicional transforma la energía química contenida en un combustible fósil en energía eléctrica. Normalmente se quema un combustible fósil (carbón, fuelóleo, gasóleo, gas natural) para producir una energía térmica, energía térmica que es convertida en energía mecánica, que mediante un alternador se transforma en energía eléctrica, de alta calidad. Tradicionalmente la energía térmica se transformaba en mecánica mediante un ciclo de vapor o mediante una turbina de gas ((plantas llamadas de punta o de picos, por su facilidad para suministrar energía con rapidez en los momentos de mayor demanda). En las plantas más eficientes de este tipo el rendimiento en la producción de electricidad no supera el 45%; el resto se tira a la atmósfera en forma de gases de escape, a través de chimeneas y en los sistemas de condensación y enfriamiento del ciclo termodinámico.
La proporción de energía química convertida en energía eléctrica es baja porque la mayoría del calor se pierde al ser el calor desechado de baja temperatura, o en otras palabras, tiene poca capacidad para desarrollar un trabajo útil en una central eléctrica (baja energía). Recientemente se ha dado un paso muy importante en el aumento del rendimiento de las centrales eléctricas con la introducción del ciclo combinado con gas natural, que consiste en el aprovechamiento del calor en dos niveles, con dos ciclos uno de gas (con turbina de gas) y otro de vapor (con turbina de vapor). El resultado es que el rendimiento eléctrico conjunto llega al 60 %. Pero la mayoría de los procesos industriales, comerciales o de servicios requieren calor a una temperatura relativamente baja, de forma que estos procesos sí que pueden aprovechar ese calor que de otra forma se desecharía: de esta manera, estos procesos pueden simultanear la producción de electricidad y el aprovechamiento de ese calor residual. Este diferente concepto de aprovechamiento energético es el que realizan las plantas de cogeneración, llegando a un rendimiento global que pueden oscilar entre el 75% y el 90% de la energía química contenida en el combustible.
ELEMENTOS DE UNA PLANTA DE COGENERACIÓN Los elementos comunes a cualquier planta de cogeneración son los siguientes: 1. Fuente de energía primaria. Suele ser gas natural, gasóleo o fuelóleo. 2. El elemento motor. Es el elemento encargado de convertir energía térmica o química en mecánica. Dependiendo del tipo de planta, puede tratarse de turbinas de gas, turbinas de vapor o motores alternativos. 3. El sistema de aprovechamiento de energía mecánica. En general suele estar formado por un alternador que la transforma en eléctrica, muy versátil y fácil de aprovechar, pero también puede tratarse de compresores, bombas, etc, donde la energía mecánica se aprovecha directamente. 4. El sistema de aprovechamiento de calor. Puede tratarse de calderas recuperadoras de calor de gases de escape, secaderos o intercambiadores de calor, o incluso unidades de absorción que producen frío a partir de este calor de bajo rango. 5. Sistemas de refrigeración. Al final, siempre una parte de la energía térmica contenida en el combustible no será aprovechada en la planta y debe ser evacuada. Las torres de refrigeración. Los aerocondensadores o los intercambiadores suelen ser elementos habituales de estos sistemas. Un objetivo muy importante del diseño de una planta de cogeneración es minimizar esta cantidad de calor desaprovechada y evacuada a la atmósfera. 6. Sistema de tratamiento de agua. Tanto el sistema de refrigeración como el de aprovechamiento de calor requieren unas especificaciones en las características físico-químicas del fluido que utilizan (generalmente agua) que requiere de una serie de sistemas para su tratamiento y control. 7. Sistema de control, que se encarga del gobierno de las instalaciones, normalmente muy automatizadas. 8. Sistema eléctrico, que permite tanto la alimentación de los equipos auxiliares de la planta, como la exportación/importación de energía eléctrica necesaria para cumplir el balance. La fiabilidad de esta instalación es muy importante, así como la posibilidad de trabajo en isla, lo que permite alimentar la fábrica en situación de deficiencia de la red externa y estar disponible inmediatamente en el momento que se restablezcan las condiciones del servicio. SISTEMAS O TIPOS DE PLANTAS DE COGENERACIÓN Plantas con motores alternativos Utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes eléctricamente, pero son poco eficientes térmicamente. El sistema de recuperación térmica se diseña en función de los requisitos de la industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión (hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también adecuadas la producción de frío por absorción, bien a través del vapor generado con los gases
en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple efecto. A) COGENERACIÓN CON MOTOR DE GAS Utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes eléctricamente, pero son poco eficientes térmicamente. El sistema de recuperación térmica se diseña en función de los requisitos de la industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión (hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también adecuadas la producción de frío por absorción, bien a través del vapor generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple efecto. Este tipo de instalaciones es conveniente para potencias bajas (hasta 15 MW) en las que la generación eléctrica es muy importante en el peso del plan de negocio. Los motores son la máquina térmica que más rendimiento tiene, pues es capaz de convertir actualmente hasta el 45% de la energía química contenida en el combustible en energía eléctrica, y se espera que en los próximos años este rendimiento aumente. B) COGENERACIÓN CON TURBINA DE GAS En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un turbogenerador. Parte de la energía se transforma en energía mecánica, que se transformará con la ayuda del alternador en energía eléctrica. Su rendimiento de conversión eléctrica es inferior al de los motores alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una recuperación fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea para producir vapor en una caldea de recuperación Cuando se presenta en el denominado ciclo simple, el sistema consta de una turbina de gas y una caldera de recuperación, generándose vapor directamente a la presión de utilización en la planta de proceso asociada a la cogeneración. Su aplicación es adecuada cuando los requisitos de vapor son importantes (>10 t/h), situación que se encuentra fácilmente en numerosas industrias (alimentación, química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y económicamente rentables cuando están diseñadas para una aplicación determinada. El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, pues su economía está directamente ligada al mismo, ya que a diferencia de las plantas con motores alternativos el precio del calor recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas. C) COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del vapor de alta presión procedente de una caldera convencional. El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración. Actualmente su aplicación ha quedado
prácticamente limitada como complemento para ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles residuales, como biomasa o residuos que se incineran o subproductos residuales que se generan en la industria principal a la que está asociada la planta de cogeneración. Dependiendo de la presión de salida del vapor de la turbina se clasifican turbinas a contrapresión, en donde ésta presión está por encima de atmosférica, y las turbinas a condensación, en las cuales ésta está por debajo la atmosférica y han de estar provistas de un condensador. En ambos caso puede disponer de salidas intermedias, extracciones, haciendo posible utilización en proceso a diferentes niveles de presión.
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en la de se la
COGENERACIÓN EN CICLO COMBINADO CON TURBINA DE GAS Y VAPOR La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo que se denomina " Ciclo Combinado". En el gráfico adjunto puede verse que los gases de escape de la turbina pueden tirarse a la atmósfera si no se requiere aprovechamiento térmico, a través del bypass, o pueden atravesar la caldera de recuperación, donde se produce vapor de alta presión. Este vapor puede descomprimirse en una turbina de vapor produciendo una energía eléctrica adicional. La salida de la turbina será vapor de baja presión, que puede aprovecharse como tal o condensarse en un condensador presurizado, produciendo agua caliente o agua sobrecalentada, que será utilizado en la industria asociada. Si la demanda de vapor es mayor que la que pueden proporcionar los gases de escape, puede producirse una cantidad de vapor adicional utilizando un quemador de postcombustión, introduciendo una cantidad adicional de combustible (gas natural) directamente a un quemador especial con el que cuenta la caldera. Esto puede hacerse porque los gases de escape son aún suficientemente ricos en oxígeno (en un ciclo combinado con motor alternativo no podría hacerse, ya que los gases de escape son pobres en oxígeno)
En un ciclo combinado con turbina de gas el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía. Por ello se requiere una ingeniería apropiada capaz de crear procesos adaptados al consumo de la planta industrial asociada a la cogeneración, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño. Una variante del ciclo combinado expuesto, en el que la turbina de vapor trabaja a contrapresión (esto es, descomprime el vapor entre una presión elevada y una presión inferior, siempre superior a la atmosférica) es el ciclo combinado a condensación, en el que el aprovechamiento del calor se realiza antes de la turbina de vapor, quedando ésta como elemento final del proceso. El vapor de salida se condensa en un condensador que trabaja a presión inferior a la atmosférica, para que el salto térmico sea el mayor posible. E) COGENERACIÓN CON MOTOR DE GAS Y TURBINA DE VAPOR En este tipo de plantas, el calor contenido en los humos de escape del motor se recupera en una caldera de recuperación, produciendo vapor que es utilizado en una turbina de vapor para producir más energía eléctrica o energía mecánica. El circuito de refrigeración de alta temperatura del motor se recupera en intercambiadores, y el calor recuperado se utiliza directamente en la industria asociada a la planta de cogeneración. El rendimiento eléctrico en esta planta es alto, mientras que el térmico disminuye considerablemente.
TRIGENERACIÓN. Se basa en la producción conjunta de calor, electricidad y frío. Una planta de trigeneración es similar a una de cogeneración, a la que se le ha añadido un sistema de absorción para la producción de frío. No obstante existen una serie de diferencias. La trigeneración, permite a la cogeneración, que inicialmente, no era posible en centros que no consumieran calor, acceder a centros que precisen frío que se produzca con electricidad. Facilita a la industria del sector alimentario ser cogeneradores potenciales. Asimismo, permite la utilización de cogeneración en el sector terciario (hoteles, hospitales, etc.) donde además de calor se requiere frío para climatización, y que debido a la estacionalidad de estos consumos (calor en invierno, frío en verano) impedía la normal operación de una planta de cogeneración clásica. Esta modalidad de cogeneración tiene más aplicaciones: • Aplicaciones de secado. Especialmente en industria cerámica que utilizada atomizadores. Son plantas muy simples y económicas, ya que los gases calientes generados por una turbina o un motor se utilizan directamente en el proceso de secado. • Aplicaciones en la industria textil. • Calefacción y refrigeración. • Aplicaciones para industrias medioambientales, como plantas depuradoras de tipo biológico, o de concentración de residuos o de secado de fangos, etc, al demandar calor son potencialmente cogeneradoras.
