Máximo rendimiento en la generación de energía eléctrica con las centrales de ciclo combinado

Transcripción

1 Máximo rendimiento en l generión de energí elétri on ls entrles de ilo omindo Ls entrles de ilo omindo son, entre ls entrles energétis térmis, ls que lnzn myores rendimientos. Ni l rnotizión del proeso en ls turins gs ni ls demás ominiones de turins de gs/vpor dn lugr resultdos omprles. Ls entrles de ilo omindo dn tmién exelentes resultdos en lo que se refiere l poteni espeífi de slid y l poteni nominl límite de ls turins gs. Los resultdos pueden mejorr todví más inyetndo vpor en l turin gs o inyetndo gu liente o superríti. Los myores rendimientos y potenis se onsiguen plindo ilos omindos on turins gs de omustión seuenil. Ls entrles de ilo omindo KA24 y KA26 de ABB, onstruids on ls vnzds turins gs 24 y 26, ilustrn ls ventjs de est tenologí. Símolos Desde que entrron en funionmiento turin he que l poteni útil ig entre ls primers turins de gs se hn heho 2 y 3%. Ls íds de presión en los ondutos de entrd de ire y slid tmién grndes esfuerzos pr provehr sus rterístis on el fin de optimizr el rendimiento y l rentilidd de l generión de pérdids. Ests son espeilmente impor- tienen un efeto multiplidor sore ls energí prtir de omustiles fósiles. tntes undo se utilizn l refrigerión intermedi y l reuperión, no pudiendo Los primeros intentos se onentrron en l rnotizión del ilo termodinámio onseguirse de form eonómi l gnni previst. plindo diferentes ides: refrigerión intermedi durnte l fse de ompresión, reuperión de los gses de espe de l vez de utilizr l refrigerión intermedi y el inlmente, h resultdo ptente que en turin (pr relentr el ire omprimido), prelentmiento del ire, serí más ventjoso utilizr los gses lientes de slid de y relentmiento durnte l expnsión. Sin emrgo, todos estos oneptos exigín l turin de gs pr produir vpor on el un diseño omplejo y muy rtiuldo [1]. fin de generr energí diionl. De quí Ddo que l turin de gs es un «máquin diferenil generdor de energí», que ondujo ls entrles de ilo omi- nió el proeso omindo de gs/vpor en l que entre el 50 y el 70 por iento de l poteni produid se utiliz pr ionr el ompresor, ls onseuenis de l irreversiilidd termodinámi se mnifiestn Hns Ulrih rutshi de mner muy ptente. Por ejemplo, un ABB Power enertion reduión del 1% en el rendimiento de l ndo, ls ules provehn de form idel el grn potenil térmio que ofree l tenologí tul. En l figur 1 se muestr un resumen simplifido de los métodos utilizdos pr rnotizr el proeso en ls turins de gs y los proesos omindos de gs/vpor. rnotizión del proeso en ls turins de gs omenzndo por un turin simple gs, los esquems 2 2 ilustrn los diferentes esfuerzos hehos pr l rnotizión, en onreto l integrión de un refrigerdor intermedio, de un reuperdor de lor y de un relentdor. Si l refrigerión intermedi en el ompresor h de inrementr tnto l poteni produid por l turin gs omo el rendimiento de l mism, el refrigerdor intermedio h de estr integrdo en términos de energí después de proximdmente un terio del proeso de ompresión 2. Sin emrgo, l gnni prinipl se onsigue en l poteni produid, y que el rendimiento sólo ument ligermente. en ls figurs 2 7 S HRS ond Eo M O om AV SQ SI EVAP m H 2 O ompresor urin urin de vpor Alterndor Refrigerdor intermedio uperdor lder de reuperión vpor ondensdor Eonomizdor Mezldor Bom de limentión Válvul de inyeión de vpor omustor Ales guí regulles urin de gs entrl de ilo omindo omustión seuenil urin gs on inyeión de vpor urin gs on evporión udl másio de gu o vpor, en tnto por iento, del udl en el ompresor Índies HP Alt presión LP Bj presión 12 Revist ABB 3/1999

2 L gnni máxim de rendimiento por medio de l rnotizión se onsigue emplendo un reuperdor omindo on l refrigerión intermedi en el ompresor, optimizdo pr onseguir poteni máxim. Pr ello, el refrigerdor intermedio tiene que dividir el ompresor en dos seiones, ms on proximdmente l mism relión de ompresión 2. En l práti, desfortundmente, l efetividd de l reuperión disminuye onsiderlemente deido l grn volumen de ire de refrigerión requerido por ls moderns turins gs, que trjn on temperturs lts de gs. Además, el oste de instlión de un reuperdor es muy elevdo. Otr form de elevr l poteni produid y el rendimiento de ls turins es relentr el gs en un proeso de omustión seuenil. Se onsiguen ondiiones óptims pr l rnotizión undo est onfigurión se le ñden un reuperdor y vrios refrigerdores intermedios de ompresor 2. Al prinipio se onstruyeron ests omplejs entrles de turins gs plindo tnto ilos iertos omo rnotizión Refrigerdor intermedio uperdor lentmiento errdos; este tipo de instliones h estdo funionndo, o l menos hn sido mntenids en estdo opertivo, durnte l menos 50 ños. L entrl térmi de Beznu (Suiz) es un ejemplo de est lse de entrl [1]. urin gs Proeso gs / vpor Instlión omind Inyeión de vpor ilo de evporión rnotizión del proeso de turins gs y de los proesos omindos de gs/vpor/gu En unto l umento de poteni produid, el relentmiento proporion l soluión óptim pr ls turins de gs ompts, monouerpo y de un solo eje, omo son ls 24/26, que reúnen tods ls ventjs de l tenologí vnzd de turins gs rnotizión del proeso en ls turins gs 2 Integrión de un refrigerdor intermedio en el proeso de ompresión Adiión de un reuperdor de lor lentmiento diionl en el proeso de expnsión (omustión seuenil) Revist ABB 3/

3 S HRS ond HRS ominiones de proesos de gs y vpor 3 urin gs onvertid en entrl de ilo omindo l ñdirle el ilo de vpor urin gs on inyeión de vpor (SI) Proeso de turin gs on evporión M Eo ominiones gs/vpor Los digrms 3 3 muestrn ls tres ominiones ásis gs/vpor. En 3 se present, de form muy simplifid, el prinipio de sd de l turin de gs y vpor onoido omo entrl de ilo omindo. En est onfigurión puede dejrse sin modifir l turin gs de ilo simple, onstituid por el ompresor, el omustor y l turin mism. El sistem está ompletdo por un lder de reuperión y un turin de vpor opld l lder. En ls moderns entrles de ilo omindo, l turin vpor, onetd ontinuión de l turin gs, gener un 50% diionl de energí sin neesidd de quemr más omustile. Otr ominión gs/vpor es l llmd turin gs on inyeión de vpor (SI, Stem Injetion s urine) 3. En este so, l igul que en l entrl de ilo omindo, el vpor se produe exterior- mente pero se inyet en l turin gs por delnte de l ámr de omustión. Este vpor, por lo tnto, se expnde en el interior de l turin gs mezlándose on los gses de espe, es deir, jo presión pril. Est vrinte de l ominión gs/vpor gener un poteni espeífi onsiderlemente myor (referid l udl de ire en el ompresor) que un entrl de ilo omindo. L poteni produid por l turin gs se super en un por iento y l produión de vpor es myor que en l entrl de ilo omindo. Esto se dee que el vpor inyetdo, sorelentdo hst l tempertur de los gses lientes, tmién produe vpor en l lder de reuperión después de expndirse en l turin gs y que l íd de entlpí del vpor es myor que en l turin gs de un entrl de ilo omindo. Sin emrgo, pesr de tener un tempertur reltivmente j, los gses de espe después de l lder de reuperión todví ontienen un onsiderle ntidd de lor ltente en form de vpor, de modo que el rendimiento es menor que en ls entrles de ilo omindo. Deido que este vpor de slid está un j tempertur de ondensión, no es útil pr un provehmiento exergétio diionl. Un terer tipo de ominión gs/ vpor es el proeso evportivo 3. En este proeso, el gu prelentd, por los gses de espe o por otro método, se inyet en el ilo de l turin de gs durnte o después de l ompresión, evporándose por el lor de ompresión. El vpor produido de est form se llev l tempertur de los gses lientes en el omustor, se mezl on el ire y posteriormente se expnde en l turin. Puesto que el gu de evporión enfrí onsiderle el ire omprimido, es neesrio un 14 Revist ABB 3/1999

4 reuperdor pr grntizr un lto rendimiento. En est onfigurión, l produión y expnsión del vpor se produe internmente, es deir, en el ilo de l turin gs. A lo lrgo de los ños se hn propuesto numeross versiones de est onfigurión, entre ells l turin de ire húmedo HA (Humid Air urine). A pesr de l ltísim poteni espeífi produid, del mismo orden que l onfigurión SI, su rendimiento es inferior l de los ilos omindos por ls rzones y expuests. En 4 se present un omprión ulittiv del rendimiento y de l poteni espeífi de ls diferentes vrintes, referidos l udl másio del ompresor. Sin emrgo, el udl másio del ompresor no determin ls dimensiones o l poteni máxim de un turin gs ls dimensiones de l propi turin son el ftor deisivo por lo ul es más onveniente referir l poteni espeífi l udl másio de l turin. Esto permitirí relizr un omprión más ojetiv 4. Sin emrgo, el ilo omindo requiere un turin vpor no integrd en el ilo de l turin de gs. El refrigerdor intermedio puede umentr l poteni, pero el rendimiento sólo u- ment ligermente en el mejor de los sos. Añdir un reuperdor he posile umentr el rendimiento, pero tmién provo un reduión de l poteni. L rzón es que se h de reduir l relión óptim de presión hst un nivel inferior l neesrio pr onseguir un poteni máxim on el fin de no reduir el rendimiento y que hy que tener en uent ls pérdids diionles de presión en el reuperdor. L superioridd de l entrl de ilo omindo se s en su extrordinrio rendimiento y en su lt poteni espeífi. En el so del proeso evportivo HA o de l inyeión de vpor SI, ls potenis espeífis son sólo ligermente superiores si se tom omo refereni el udl rel de l turin 4. Sin emrgo, los rendimientos están stnte lejdos de los de ls entrles de ilo omindo, por lo que no pueden ompetir serimente on ells. Ddo que tods ls demás vrintes exigen relizr importntes modifiiones en l turin gs, l entrl de ilo omindo tiene en l práti un posiión dominnte y, de heho, si exluye tods ls demás. En 5 se muestrn los rendimientos y trjos espeífios que pueden onse- guirse on ls turins gs vnzds on omustión simple y seuenil, disponiles tulmente, y los diferentes oneptos de entrl y proesos SI derivdos sdos en ells. En el so de ls turins gs on omustión seuenil, ls reliones de presión hn sido optimizds pr l generión medinte ilo omindo. Además, puede onsttrse l posiilidd de onstruir grupos SI de grn interés utilizndo máquins on omustión seuenil. Atulmente, sin emrgo, el onepto SI no ofree ventjs en unto l oste de l eletriidd generd que justifiquen l grn inversión neesri pr el desrrollo [2]. En unto l onsumo de gu no hy pens diferenis entre ls vrintes on inyeión de vpor, on ire húmedo y de ilo omindo (on un torre de refrigerión). El onsumo de gu, de heho, sólo depende del rendimiento. Es irrelevnte que el gu se evpore en l torre de refrigerión de un sistem de ilo omindo o que se expulse en form de vpor por l himene, omo suede en los otros dos proesos 1). Sin emrgo, ls entrles de ilo omindo pueden onstruirse tmién on refrigerión se, es deir, sin gu de refrigerión, lo ul he posile Rendimiento y poteni elétri produid por ls diferentes onfiguriones de turins gs 4 Rendimiento en funión de l poteni espeífi de slid, η Rendimiento térmio respeto del udl másio del ompresor η 0 Rendimiento térmio iniil Ídem, respeto del udl másio de l turin P Poteni del lterndor P 0 Poteni nominl del lterndor 1.5 EVAP 1.5 EVAP η/ η o + SI η/ η o + SI P/P o P/P o Revist ABB 3/

5 η 60 % π = kj/kg A spe un gm muho más mpli de pliiones y demás permite horrr gu. unionmiento on rg pril y umento de poteni on ls turins gs y on ls entrles de ilo omindo sds en l omustión seuenil En l figur 6 se muestr el digrm termodinámio simplifido de un entrl de ilo omindo on omustión seuenil. El vpor es generdo en dos o tres etps de ompresión y se introdue en l 10 SI SQ 24/26 SQ KA 24/ Sequentil SI Rendimiento y trjo espeífio de ls vnzds turins gs tules y de ls onfiguriones gs/vpor, suponiendo igul tempertur de entrd ls turins e igules rendimientos de ls turins y ompresores. η Rendimiento térmio A spe rjo por kg π Relión de presiones en el ompresor de ire omprimido 1) Deido que ls instliones on inyeión de vpor y ls de evporión neesitn gu desminerlizd, hy que tener tmién en uent los equipos de trtmiento y el onsumo de produtos químios, que representn un prte importnte de los ostes de inversión y de explotión y mntenimiento. turin de ondensión, que se enuentr montd sore el mismo eje, por los puntos propidos de dmisión. En el funionmiento on rg pril, el volumen de ire que ps trvés del ompresor se redue en el 40% l fluir trvés de ls tres primers fils de áles guí regulle. A l slid de l turin de j presión se ontrol l tempertur on el fin de mntenerl onstnte. ris l elevd tempertur, onstnte, l entrd de l turin de lt presión en régimen de funionmiento on rg pril, se onsigue un rendimiento óptimo en dih gm. Pr umentr l poteni se extre un prte del vpor ntes de l turin; diho vpor se inyet por medio de un elemento de ontrol (O en l figur 6 ) ntes del primer omustor, en el omustor mismo, o 5 en el ire de refrigerión. Est frión del vpor produe en l turin de gs más poteni que l que se pierde en l turin de vpor, deido, en prte, que el vpor expndido en l turin de gs produe vpor diionl en l lder de reuperión. Otr form de umentr l poteni de un turin gs y de un entrl de ilo omindo onsiste, simplemente, en inyetr gu ntes del primer omustor. Un ntidd de gu orrespondiente l 1% del udl de ire en el ompresor puede umentr l poteni de l turin en un 4%, lo que orresponde un umento de poteni del 3% en un entrl de ilo omindo. L inyeión de gu frí redue el rendimiento. Sin emrgo, si el gu inyetd se prelient on el lor residul, es posile mntener onstnte, o inluso umentr, el rendimiento de l turin. En l omustión simple se preis un tempertur del gu de proximdmente 320º 120 r pr mntener el rendimiento, mientrs que en l omustión seuenil se neesitn 200º 35 r [3]. En ls entrles de ilo omindo, l inyeión de gu liente o de vpor redue el rendimiento. Sin emrgo, l inyeión de gu o de vpor es un método senillo y muy efetivo pr el funionmiento, en sorerg temporl, de ls turins gs y de ls entrles de ilo omindo. En l figur 7 se puede oservr ómo se desrrolln l poteni y el rendimiento undo ls turins gs se onvierten en entrles de ilo omindo o undo, suponiendo que se utiliz l omustión seuenil, se pli el proeso de inyeión emplendo gu frí, liente o superríti. Los vlores proximdos de los udles másios reltivos de vpor y de gu, referidos l 100% del udl de ire en el ompresor, se introduen omo prámetros. Mientrs que el umento de l poteni viene ddo proximdmente por l ntidd de gu o de vpor inyetdos, el rendimiento depende de su entlpí. Se sume que los gses de espe de l turin de gs se utilizn pr prelentr el gu y pr generr y sorelentr el vpor. En el digrm se indin los vlores 16 Revist ABB 3/1999

6 25% E N R A L E S D E I L O O M B I N A D O O S AV HRS LP HP om ond Digrm termodinámio de un entrl de ilo omindo sd en l tenologí de omustión seuenil 6 de proyeto pr ls máquins modifids y un proximión l omportmiento en sorerg de ls máquins no modifids en so de inyeión de gu o vpor on un udl de hst el 3% proximdmente. Por ejemplo, puede oservrse que, inyetndo un udl de gu del 3%, l poteni de l turin gs puede elevrse en er del 12%. Si el gu se lient previmente hst er de 200º, el rendimiento de l turin gs sólo puede mntenerse, omo y se h diho nteriormente. lentndo el gu por medio de, por ejemplo, un flujo uxilir de gses de espe, es posile umentr preilemente el rendimiento [4]. L inyeión de gu tempertur ulquier en l turin gs de un entrl de ilo omindo, en vez del vpor supuesto en el digrm, tiene omo resultdo un importnte pérdid de rendimiento del ilo omindo. L ntidd de gu y de vpor inyetdo depende de l pidd de sorerg de ls máquins disponiles en el merdo. Extrión de lor pr lefión urn Aunque el rendimiento de l generión de energí elétri prtir de omustiles fósiles, espeilmente prtir del gs nturl, h umentdo muho lo lrgo de los ños tulmente es del 60%, se sigue perdiendo grn ntidd de energí en form de lor residul disipdo. Ls ompñís elétris se están esforzndo, por lo tnto, en utilizr este lor residul en sistems de lefión urn. Ls entrles de l dimensión que trtmos quí 1.5 η/ η o 1.0 W =265 0% 15 mh 2 O=5% SI P/P o produen grndes ntiddes de lor j tempertur, que puede utilizrse en ls redes de lefión urn. A difereni de ls entrles que utilizn los proesos SI on inyeión de vpor y evportivo, que no pueden om- Inyeión de vpor y gu en ls turins gs on tenologí de omustión 7 seuenil. Rendimiento en funión de l poteni espeífi produid. Ls línes ontinus representn l pidd de sorerg de ls turins gs existentes. η Rendimiento térmio rojo Inyeión de vpor η 0 Rendimiento térmio iniil zul Inyeión de gu λ Relión estequiométri ire/omustile P Poteni del lterndor P 0 Poteni nominl del lterndor empertur del gu inyetd w 10% SI λ 15% =1.1 20% 550 SI 2.0 Revist ABB 3/

7 100 % Q 50 Otrs pérdids Pérdids en el ondensdor lor pr lefión urn Poteni elétri Efiiente ogenerión de lor y energí elétri sin omprometer l produión máxim de energí elétri. Máximo rendimiento posile en l generión de energí. El umento de poteni puede onseguirse de form fáil y rápid. Refrigerión por ire del ondensdor en regiones ses. Rpidez de instlión de ls entrles. ortos tiempos de puest en mrh, flexiilidd en el seguimiento de l rg. Alto rendimiento en rg pril. 0 0 inr efiientemente l generión de lor y de energí elétri, ls entrles de ilo omindo ofreen ondiiones ideles pr l lefión urn. En ests entrles se puede extrer vpor de l seión de j presión de l turin de vpor pr ogenerión norml de lor y de energí elétri, on un oefiiente de rendimiento que normlmente está entre de 7 y 10, es deir, que, pr un onsumo onstnte de omustile, l poteni elétri produid disminuye en sólo 1/7 1/10 del lor extrído pr lefión urn. Este resultdo puede verse en el lne energétio «desliznte» 8. l omo puede verse en el digrm, el produto prinipl (l energí elétri) permnee más o menos en el mismo nivel, de form que pr l lefión urn si sólo se utiliz lor residul. Otr importnte ventj es que l pequeñ disminuión de poteni elétri H Blne energétio «desliznte» de l extrión de lor pr lefión urn en un entrl de ilo omindo on omustión seuenil. Produión de energí elétri y de lor, de izquierd dereh: funionmiento on ondensión simple, funionmiento on extrión y funionmiento on ontrpresión. Q Energí del omustile H lor extrído mx produid, deid l extrión de lor, es ompensd por el preile umento de l poteni que puede produir l turin de gs medid que j l tempertur exterior. Esto signifi que en los meses de invierno puede produirse l totlidd de l poteni elétri pesr del lor extrído pr lefión urn [5]. Resumen Ls entrles de ilo omindo tienen vris ventjs importntes respeto de otrs onfiguriones de gs/vpor. Se pueden resumir del modo siguiente: Se pueden utilizr turins estándr gs y plnts de ilo omindo. Est téni de entrles está sordmente reditd. Ls turins gs o vpor y existentes pueden onvertirse en ulquier momento en entrles de ilo omindo. 8 Biliogrfí [1] H. U. rutshi: Ls nuevs turins de gs 24 y 26: el segundo plno histório del «Advned yle System». Revist ABB 1/94, [2] A. Hofstädter, H. Hselher, H. U. rutshi: Effets of stem rehet on power plnts onsisting of stem injeted gs turines with sequentil omustion nd k pressure stem turines. ASME onferene Stokholm, [3] M. Eriksson: Methods of overlod nd prt-lod opertion of gs turines nd omined yles with sequentil omustion. esis dotorl, KH Stokholm [4] R. Segl: Ds hermodynmishe Potentil der Wssereinspritzung in sturinen mit einfher und sequentieller Verrennung. rjo de lienitur, U Munih, [5] H. Hselher, H.U. rutshi: Effiient distrit het prodution y stem extrtion from omined yle plnts. ASME , ASME rnstions. Autor Hns Ulrih rutshi ABB Power enertion Ltd H-5401 Bden, Suiz elefx: Revist ABB 3/1999