TURBINAS DE GAS INTRODUCCIÓN. APLICACIONES T G CICLO SIMPLE T G CON CAMBIADOR DE CALOR T G COMPRESIÓN REFRIGERADA T G CON RECALENTAMIENTO OTROS CICLOS

Transcripción

1 TURBINAS DE GAS INTRODUCCIÓN. APLICACIONES T G CICLO SIMPLE T G CON CAMBIADOR DE CALOR T G COMPRESIÓN REFRIGERADA T G CON RECALENTAMIENTO OTROS CICLOS

2 INTROUDCCIÓN La turbina de gas es una planta de potencia que produce gran cantidad de energía con poco peso y tamaño. Puede funcionar con una gran variedad de combustibles : gas natural, diesel, naphta, metano, gasóleos vaporizados, gases de biomasa. Gran crecimiento de utilización en los últimos años: mejora de materiales, refrigeración. Incremento de temperaturas y relaciones de compresión. Aumento del rendimiento motor de 15% a valores del 45% El costo de operación de la planta de potencia y el coste de la energía depende de varios factores: Costo del combustible, eficiencias de funcionamiento, costos de mantenimiento y costo inicial. La elección del tipo de planta de potencia depende de esos factores y de su aplicación y localización. A li i G ió d í lé t i ( d ñ i t l i ) Aplicaciones : Generación de energía eléctrica (grandes y pequeñas instalaciones),propulsión marítima y terrestre

3 Comparación de plantas de potencia

4 Comparación de rendimientos de varias plantas de potencia

5

6 Resumen: la turbina de gas una buena opción para generación de potencia

7 Categorías de turbinas de gas Grandes turbinas de gas: unidades grandes de generación de potencia, MW, configuración de ciclo simple y rendimientos 30-46% π 23 : 5:1 35:1 T4t : (futuros) Rendimiento : 50%

8 Turbinas de gas aero-derivadas: Unidades de generación de potencia que tienen su origen en motores de aviación, en los cuales se ha quitado el fan y se han añadido etapas de turbina. Potencias de 2.5 a 50 MW, rendimientos del 50%

9 Turbinas de gas de tipo industrial: Potencias de 2.5 a 15 MW, utilizadas en petro- químicas para mover compresores, rendimientos del orden del 30%

10 Turbinas de gas pequeñas : potencias de 0.5 a 2.5 MW, suelen tener compresores centrífugos y turbinas radiales, rendimientos bajos 15 al 25% Inciso : APU

11 Micro-turbinas : potencias de 20 a 350 kw

12 MEMS- Micro-turbinas APLICACIONES

13 Turbinas de gas ciclo simple cambiador de calor compresión refrigerada Ciclo abierto combustión escalonada ( reheat) Clasificación ciclos combinados cogeneración Ciclo cerrado Mono-ejes, turbina libre, biejes

14 Análisis de la turbina de gas de ciclo simple Criterio de diseño : maximizar el comportamiento motor Wu c Wu = Wt Wc ηm = CE = cl W V 0 0 T = T ; P = P 2t 0 2t 0 u

15 G = G ; c constante t c P V 0 P = P = P, osedefineel df rendimientototal estático s 5t 5 0 W u T 5' t T 0 T 3' t τu = = cp ( T4t T5t) cp( T3t T2t) = cp T4t 1 η45 1 G T4t η23 T0 teniendo en cuenta γ 1 γ 1 γ γ 5' 0 0 T P P = = T4t P4t P3t T T P t = P 3' t γ 1 γ P3 P4 t t γ 1 γ γ 1 1 T 0 γ τu = cp T4tη45 1 π γ γ η γ γ 23 π π 23 34

16 1 1 1 α α π 23 π34 T0 α 1 γ 1 τu = cp T4tη45 π23 1 dondeα α 1 = 1 η23 π23 γ α π 23 cp c 1 fl = T T T T π η = q η + q η 23 η M P α ( 4t 3t ) 4t 0 1 ( π 23 1 ) α α π23 π34 T0 α T4tη45 π η23 α π 23 1 = 1 α ηq 1 α π 23 T4t T0 1 π ( ) η 23

17 ciclo ideal suponiendo π 1 ηij = 1 ηm i = 1 π α 34 1 γ 1 γ 23 T 0 α 1 τu = cp T4tη45 π23 1 α η23 π23 T 0 α T4t η45 π23 η 23 1 ηm = 1 α ηq 1 α π 23 T4t T0 1 ( π 23 1) + η 23

18 Rendimiento motor y trabajo útil función de relación de compresión y T máxima ciclo, turbina ciclo simple

19 Consumo específico función potencia específica, turbina ciclo simple C E 1 η M Interesan T 4t altas : consumo específico disminuye y la potencia específica aumenta : alabes de turbina ceramicos El mínimo consumo específico se obtiene con relaciones de compresión más altas que el máximo de potencia específica La línea de máximos aproximadamente coincide con la línea en la que se cumple T 3t = T 5t (en ciclo ideal coincide) a la izquierda de esa línea T 5t >T 3t Potencia específica máxima : tamaño y peso Consumo específico mínimo : economía

20 Turbina de gas con cambiador de calor 35 6 Turbinas optimizadas para potencia específica máxima, el consumo específico es mayor que el mínimo, en esas condiciones, si T5t > T3t se puede utilizar un cambiador de calor para reducir el consumo específico Cambiadores de calor : flujos opuestos, cruzados, regenerativos, etc. Definición rendimiento del cambiador de calor: Calor liberado por los gases de la turbina : Q t = G t c P (T 5t T 6t ) Calor recibido por los gases del compresor Q c = G c c P P( (T 35t T 3t ) Suponiendo G t = G c y c p constante T 5t T 6t = T 35t T 3t

21 T 35t y T 6t son incógnitas Valor máximo posible de T 35t : cuando el aire a la salida del compresor alcanza la temperatura de los gases de salida de la turbina Medida de la eficiencia del cambiador de calor : la relación del calor recibido al máximo posible que se puede recibir η cc T = T T T 35t 3t 5t 3t ( 4 5 ) ( 3 2 ) ( 4 35 ) u Gτ cp( T4t T5t) c u P( T3t T2t) ( ) τ = c T T c T T u P t t P t t η Lc = Gc T T sesupone c << G η q P t t MR P 1 = = = η = cl cl c T T LC ( ) 35t 3t cc 5t 3t q p 4t 35t E Utilizando la expresión del rendimiento del cambiador decalor T = T + η T T

22 ( ) ( ) T T η ( T T ) c T T c T T η MR = = c T T T T Suponiendo c iguales η MR P 4t 5t P 3t 2t 1 η q P 4t 3t cc 5t 3t LCE P ( T 4t T 3t ) ( T 5t T 2t ) ηcc ( T 5t T 3t ) + ηcc ( T 5t T 3t ) T4t T3t ηcc( T5t T3t) 5t 2t ηcc( 5t 3t) η ( ) = = T T T T = 1 T T T T 4t 3t cc 5t 3t Caso de rendimiento cambiador de calor = 1 (T 5t - T 3t ) η MR η MR T = T T T 3t 2t 1 4t 5t

23 Suponiendo ciclo ideal V 0 T = T ; V 0 P P T T η 0 2t 0 s 5t 0 T = T 4t 3t 5t 2t MR i T T T T T T = 1 = 1 = = 1 T T T T4 t 1 T T T η MR = 1 i T M i T = 1 T 3t 1 3t 2t 2t 2t 2t 4t 5t 5t 5t 2t 5t En el caso η η 2t 3t cc = 0 5 t ηmr + 1 T i = 3t η M + 1 T i 5t Limite de utilización : cuando T 5t = T 3t

24 La potencia específica es ligeramente menor que en el ciclo por las perdidas de presión de La potencia específica es ligeramente menor que en el ciclo por las perdidas de presión de remanso en el cambiador de calor

25 Turbina de gas con recalentamiento o combustión escalonada: Suponemos π 23 y T 4t fijos Objetivo: maximizar el trabajo total ( ) ( ) T4t T45t T46t T5t máximo τ t = T4t T45t + T46t T5t cp T 45t T 5t = T4t 1 + T46t 1 T4t T46t γ 1 γ 1 P γ 45t P γ 0 = T 4tη T46tη P4t P 45t Suponemos que no hay perdidas de presión de remanso P 45t = P 46t y T 4t = T 46t La única incógnita es P 45t

26 d τ t γ c γ γ γ P γ 1 γ γ γ 1 1 = γ η465t46 t P0 P45t T4 tη445 P45t = dp45t γ γ P4 t γ 1 γ 1 2 γ 46t( 0 4t) γ η465 = 4t 45t η445 T PP T P 0 P γ 1 * γ T46t η t = P 0 P 4t T4 tη445 Si T = T y η = η P 46t 4t = PP * 45t 0 4t

27 η Mreheat = 1 ( T4t T45t) + ( T46t T5t) ( T3t T0) ( T T ) + ( T T ) = = T 4t 3t 46t 45t T 5t 0 ( T T ) + ( T T ) 4t 3t 46t 45t

28 Turbinas de gas con compresión refrigerada Comparación de la compresión isoterma y compresión adiabática τ = RT is 1 ln P2 P 1 τ a γ 1 P γ 2 = cpt 1 P 1 1 El trabajo requerido en una compresión isoterma es menor que una compresión adiabática. Una forma de aproximarse a la compresión isoterma es la compresión refrigerada

29 Suponiendo P at = P bt,, el valor óptimo * Pat = P2t P3t

30 Comparación de ciclos

31

32 Turbinas de gas con cambiador, refrigeración y combustión escalonada

33 Ciclos combinados y cogeneración

34

35

36 CONCLUSIONES

37

38 Fabricantes de turbinas de gas

39 Rangos dem potencias W - MW

40 PREGUNTAS?

41 APLICACIONES Plantas de potencia y generación electrica

42

43 Transporte terrestre

44 Transporte marítimo

45