Ciclo Combinado

Ciclo Agua-Vapor.

NDICE:1.PRINCIPIOS BSICOS DEL CICLO DE LA TURBINA DE VAPOR.2. ELEMENTOS CONSTITUYENTES DEL CICLO AGUA-VAPOR.1.PRINCIPIOS BSICOS DEL CICLODE LA TURBINA DE VAPOR.El ciclo de las turbinas de vapor corresponde al ciclo de Ranking y es la aplicacin tecnolgica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolucin se produzcan cambios de fase. De forma simplificada, y para el ciclo bsico, la evolucin del fluido sigue las siguientes etapas:1) Una etapa de expansin del fluido en fase vapor, realizada en una mquina trmica denominada turbina de vapor y lo ms isentrpica posible.2) A la salida de la turbina de vapor, una cesin de calor residual del vapor a presin constante en un dispositivo llamado condensador. En este dispositivo se realiza la condensacin total del mismo y su paso a fase lquida.3) Una o varias etapas de elevacin de la presin del fluido. El proceso se realiza con el fluido en fase lquida, con bombas y fuera de la zona de cambio de fase. sta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la mxima eficiencia sera necesario realizar la compresin de un fluido bifsico, con la dificultad tecnolgica que ello conlleva.4) Una etapa de aportacin de calor a presin constante, que en los ciclos combinados se hace en la caldera de recuperacin de calor por los gases de escape de la turbina de gas. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo en fase lquida, un proceso de cambio de fase y una elevacin posterior de la temperatura del vapor en lo que se denomina sobrecalentador, motivada por la necesidad de disminuir la humedad en el vapor en las ltimas etapas de expansin de la turbina. Esto ltimo constituye la segunda particularidad del ciclo de Ranking y otra diferencia fundamental con el ciclo de Carnot.

Figura 1. Ciclo bsico de una turbina de vapor.El fluido motor empleado suele ser agua desmineralizada, fundamentalmente por su facilidad de manejo, reposicin y abundancia, aunque conceptualmente no es el nico y podran emplearse otros fluidos tales como mercurio o fluidos orgnicos.2. ELEMENTOS CONSTITUYENTES DEL CICLO AGUA-VAPOR.A continuacin se detalla el recorrido del agua-vapor una vez sale de la turbina de vapor hasta que vuelve a entrar a la caldera de recuperacin de calor, detallando por los elemento donde circula y lo que realiza en ellos.Los pasos que sigue el fluido en esta parte son los siguientes, podemos guiarnos por la figura 2:

Figura 2.Esquema del funcionamiento del Ciclo Agua-Vapor1Condensador (9):Es un intercambiador de calor formado por multitud de tubos, a travs de los cuales circula el fluido refrigerante normalmente agua, su funcin es condensar el vapor que sale de la turbina de vapor, tambin se aprovecha en este punto para eliminar gases incondesables y nocivos ya que algunos son muy corrosivos como el oxgeno, se eliminan por mtodos fsico o qumicos como la hidracina. Los tubos del condensador deben estar especialmente preparados ya que van a trabajar en unas condiciones muy duras, donde se producirn depsitos que podran atascarlos o reducir sus propiedades para el intercambio trmico, tambin estn expuestos a agentes biolgicos. Los tubos deben estar firmemente fijados para poder resistir las vibraciones provocadas por las vibraciones que provocan las altas velocidades del vapor al entrar en el intercambiador.2Bombas de condensado (13):son las encargadas de enviar el agua condensada en el condensador al depsito de agua de alimentacin.3Tanque de alimentacin y Desgasificador (11):Es el depsito donde almacenamos el agua de alimentacin que ira a la caldera para convertirse en vapor y despus ser conducido a la turbina de gas. El tanque tambin puede llevar acoplado un desgasificador ya que aprovechamos para eliminar los restos de oxgeno que no hemos podido quitar en el condensador, para eliminar el oxgeno calentamos el agua que hay en el depsito por medio de vapor que ha sido extrado de la turbina de vapor.4Bombas de alimentacin (12):son las encargadas de enviar el agua desde el tanque de alimentacin al economizador, para que as vuelva a empezar el ciclo.Normalmente en los ciclos combinados hay tres etapas de expansin en el lado de la turbina de vapor, estn son de alta, media y baja presin, a continuacin se pueden ver en la figura 3.

Figura 3. Ejemplo tpico de un ciclo combinado.En este sistema hay 3 turbinas de vapor para cada uno de los niveles de presin y 3 calderines, con sus correspondientes sistemas de bombeo y calentamiento, existiendo un solo tanque de alimentacin desgasificador donde van a parar todos los condensados de las turbinas.Turbinas de Gas

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 generacin de energa elctrica. La aparicin 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 investigacin para generacin de energa a partir de combustibles fsiles.Adems, la posibilidad de hibridacin con energas renovables (solar trmica) y nuevos ciclos basados en el Hidrgeno o el Helio hacen pensar que el desarrollo de las turbinas de gas continuar a un ritmo creciente los prximos aosListado de artculos que incluye esta seccin:1. LAS TURBINAS DE GAS.2. TIPOS DE TURBINAS DE GAS.3. EL CICLO BRAYTON.4. OPTIMIZACIN DE TURBINAS DE GAS.5. PROCESO DE ARRANQUE DE UNA TURBINA DE GAS.6. VIGILANCIA DE PARMETROS: LA BASE DEL MANTENIMIENTO DIARIO.Principios de la Turbina de Gas

NDICE:1. NTRODUCCIN.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.3. HISTORIA Y EVOLUCIN DE LA TURBINA DE GAS.4. PARTES PRINCIPALES DE LA TURBINA DE GAS..1. INTRODUCCION.Las turbinas de gas son turbomquinas que, de un modo general, pertenecen al grupo de mquinas trmicas generadoras y cuya franja de operacin va desde pequeas potencias (30 KW para las microturbinas) hasta 500 MW para los ltimos desarrollos. De esta forma, compiten tanto con los motores alternativos (ciclos termodinmicos OTTO y DIESEL) como con la instalaciones de vapor de pequea y media potencia.

Figura 1: Situacin de las turbinas en el conjunto de mquinas.Sus principales ventajas son su pequeo peso y volumen en relacin a su potencia y la flexibilidad de su operacin. Esto hace que sean mquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones, especialmente las referidas a la generacin de electricidad y a la propulsin de buques y aviones, est en claro aumento. Al ser mquinas rotativas presentan una clara ventaja frente a los motores alternativos, por la ausencia de movimientos alternativos y de rozamientos entre superficies slidas (como las que se dan entre pistn y camisa), lo que se traduce en menores problemas de equilibrado y menores consumos de aceite lubricante, que adems no estn en contacto con superficies calientes ni con productos de combustin.Comparadas con las turbinas de vapor, las turbinas de gas apenas tienen necesidades de refrigeracin, lo que facilita enormemente su instalacin. Adems, su baja inercia trmica 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 rpidas (regulacin 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 mquinas trmicas y una elevada fiabilidad. En efecto, la reduccin de las necesidades de lubricacin y refrigeracin, la continuidad del proceso de combustin y la ausencia de movimientos alternativos hace que la probabilidad de fallo disminuya. Una instalacin de generacin elctrica 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 instalacin est bien diseada, bien construida, bien operada y con un adecuado nivel de mantenimiento.No obstante, tambin tienen algunos inconvenientes importantes, entre los que hay que destacar dos: la alta velocidad de rotacin y su bajo rendimiento (30-35%) 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 elevacin de presin 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 aplicacin el ms amplio entre los motores trmicos. Inicialmente se utilizaron para la realizacin de trabajo mecnico. Posteriormente se trasladaron al campo de la aeronutica como elemento propulsor, sobre todo a partir de la segunda guerra mundial. Ms tarde se utilizaron como elemento motor para la generacin de energa elctrica, aplicacin para la que se han desarrollado modelos especficos 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 energa trmica o para producir ms energa elctrica (en los denominados ciclos combinados gas-vapor) han provocado una autntica revolucin en el mercado de la generacin elctrica, donde la turbina de vapor ha sido la reina indiscutible durante muchos aos.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.Una turbina de gas es un motor trmico rotativo de combustin interna, donde a partir de la energa aportada por un combustible se produce energa mecnica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxgeno.

Figura 2: Flujos en una turbina de gas.El ciclo trmico que representa esta mquina es el ciclo Brayton. La mquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a travs de ella. El aire es aspirado de la atmsfera y comprimido para despus pasar a la cmara de combustin, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignicin. Los gases calientes, producto de la combustin, fluyen a travs de la turbina. All se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.3. HISTORIA Y EVOLUCIN DE LA TURBINA DE GAS.Hoy en da, el diseo de turbina de gas que se ha impuesto est basado en un compresor axial multietapa, una cmara de combustin interna y una turbina de expansin, todo ello construido de una forma bastante compacta que da idea de un equipo unitario. Pero al diseo de turbina predominante hoy en da se ha llegado despus de una larga evolucin desarrollada a lo largo del sigo XX, principalmente.La primera referencia al fenmeno en que se basa la turbina hay que buscarla en el ao 150 A.C de manos del filsofo egipcio Hero, que ide un pequeo juguete llamado Aeolpilo, que giraba a partir del vapor generado en una pequea caldera (figura 3). El juguete era una pura elucubracin mental, pues no se tiene constancia de que jams fuera construido.

Figura 3: Aeolipilo de Hero.En 1687 Isaac Newton anuncia sus leyes del movimiento. Entre ellas, la tercera ley anunciaba que existe un equilibrio entre accin y reaccin: para cada accin habr una reaccin de la misma fuerza e intensidad pero de sentido opuesto. Un ejemplo puede verse en la figura 4 Cuando las fuerzas se equilibran, son iguales en todas las direcciones. Pero al pinchar el globo o soltar la boquilla ocurre una accin que desequilibra el sistema.

Figura 4: 3 Ley de Newton.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 cmara de combustin, utilizando los gases de escape de la turbina para este fin, y una turbina de expansin multietapa. A pesar de lo genial del diseo, el poco xito fue debido al bajo rendimiento tanto del compresor como de la turbina, por las bajas relaciones de compresin y la baja temperatura mxima alcanzada en funcin de los materiales disponibles en la poca.

Figura 5: Turbina diseada por Stolz en 1872. (A) Compresor axial multietapa; (B) Turbina de reaccin multietapa; (C) Precalentador de aire de admisin con los gases de escape.La relacin de compresin 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 bsicos de su teora del perfil aerodinmico para el diseo de compresores y turbinas, y es a partir de aqu cuando se emprende el desarrollo de los compresores axiales. La teora del perfil aerodinmico expuesta por Griffith es sin duda un importante hito en el desarrollo de las turbinas de gas tal y como las conocemos hoy en da, y gracias a los conocimientos desarrollados por Griffith se consigui desarrollar compresores y turbinas de alto rendimiento.

Figura 6: Cortesa de ASEA Brown Boveri AG. La primera turbina de gas industrial para generacin elctrica, presentada en 1939 en la Swiss National Exhibition en 1939. Su potencia era de 4000 KW.Hasta 1937 todos los desarrollos de turbinas de gas tenan una finalidad industrial, y no conseguan competir con los motores alternativos a pistn, debido siempre a su bajo rendimiento mximo (20%). Pero sus caractersticas de bajo peso y pequeo volumen hicieron que un poco antes del inicio de la segunda guerra mundial comenzara el desarrollo de turbinas para uso aeronutico. As, Whittle en Gran Bretaa en 1930 concibi y patent el uso de un reactor como medio de propulsin. Alemania, por su parte, tambin desarroll en paralelo su primer motor a reaccin para aviacin. En 1939 Heinkel hizo volar el primer avin utilizando un motor a reaccin de gas. No obstante, con las mayores velocidades alcanzables aparecieron nuevos problemas aerodinmicos que tuvieron que ir solucionndose. Hasta el final de la guerra (1944-1945) no se consigui que un avin propulsado consiguiera volar de forma eficiente.

Figura 7:HE 178 de Heinkel.Este uso masivo del motor de reaccin unido a los nuevos conocimientos de aerodinmica permiti el desarrollo de turbomquinas con alto rendimiento. De esta forma, a partir de los aos 60 el uso del reactor se generaliz y en la dcada de los 70 prcticamente toda la aviacin de gran potencia era impulsada por turbinas.El desarrollo de la turbina de gas ha tenido histricamente, pues, tres obstculos que han dificultado y ralentizado su desarrollo:-La relacin de compresin del compresor y su rendimiento.-La resistencia de los materiales para poder usar altas temperaturas en la cmara de combustin y en las primeras etapas de la turbina.-En menor medida, la dificultad para controlar todo el sistema de forma manual.El desarrollo de la turbina de gas slo ha sido posible tras desarrollar un compresor axial a partir de la mejora de conceptos aerodinmicos, que han permitido altas relaciones de compresin. El segundo de los pilares ha sido la innovacin tecnolgica en el campo de los materiales, con el desarrollo de nuevas aleaciones monocristal y recubrimientos cermicos. Esto, unido un profundo estudio de la refrigeracin interior del alabe ha permitido alcanzar temperaturas muy altas tanto en cmara de combustin como en las primeras ruedas de labes.La tercera de las claves ha sido el desarrollo de la informtica. El empleo de ordenadores ha permitido por un lado poder simular determinadas condiciones y comportamientos, para as mejorar los diseos. Por otro, ha permitido desarrollar sistemas de control que permiten de forma muy sencilla para el operador arrancar, parar y vigilar los principales parmetros de operacin de la mquina minuto a minuto, y adems pueden diagnosticar el estado tcnico del equipo y predecir futuros fallos.

Figura 8: Interior del compresor de alta presin de una turbina industrial. El diseo aerodinmico de los labes es una de las claves de su excelente rendimiento.En la dcada de los 70 se intensific el uso de turbinas para generacin de electricidad. As, en 1974 se construy la primera instalacin de 50 MW. En Espaa, la primera turbina de gas de gran tamao (260 MW) se puso en marcha en el ao 2002, arrancando la era de las centrales trmicas de ciclo combinado que ya haba comenzado haca tiempo en otros pases.4. PARTES PRINCIPALES DE LA TURBINA DE GAS.Los principales elementos de la turbina de gas son cinco: la admisin de aire, el compresor, la cmara de combustin, la turbina de expansin y el rotor. A continuacin se detallan las principales caractersticas de cada uno de estos elementos.

Figura 9: Turbina de gas. Partes principales.4.1 Admisin de aireEl sistema de admisin de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones ms adecuadas de presin, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarn de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarn la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire.4.2 Compresor de aireLa funcin del compresor es elevar la presin del aire de combustin (una vez filtrado) antes que entre en la cmara de combustin, en una relacin que vara segn la turbina pero que normalmente est comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresin se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina.El control de la entrada de aire para la combustin se realiza variando el ngulo de inclinacin de las ruedas iniciales de labes del compresor. A mayor ngulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la turbina. Este mtodo se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas, como se ver ms adelante.Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeracin de labes y de la cmara de combustin, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin.4.3 Cmara de combustinEn ella tiene lugar la combustin a presin constante del gas combustible junto con el aire. Esta combustin a presin obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de presin adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar.Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustin y para no reducir demasiado la vida til de los elementos componentes de la cmara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire terico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar las partes ms calientes de la cmara. Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de la cmara de combustin para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra parte se hace circular por el interior de los labes de la turbina, saliendo por orificios en los bordes que crean una pelcula sobre la superficie de los labes4.4 Turbina de expansinEn la turbina es donde tiene lugar la conversin de la energa contenida en los gases de combustin, en forma de presin y temperatura elevada (entalpa), a potencia mecnica (en forma de rotacin 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 1200-1400C y una presin de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600C. Esa alta temperatura hace que la energa que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIN, que consiste en utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cmara de combustin) o bien, como es ms habitual, para generar vapor en una caldera de recuperacin. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor consiguindose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).Ciclo Brayton

1. CICLO TERMODINAMICO DE LAS TURBINAS DE GASEl modelo termodinmico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton, a pesar de que se generaliza como ciclo termodinmico, en realidad el fluido de trabajo no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este finaliza en un estado diferente al que tena cuando inici los procesos, se podra decir que es un ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cmara de combustin interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo.El ciclo bsico de Brayton en condiciones ideales est compuesto por cuatro procesos:1-2. Compresin isentrpica en un compresor.2-3. Adicin de calor al fluido de trabajo a presin constante en un intercambiador de calor o una cmara de combustin.3-4. Expansin isentrpica en una turbina.4-1. Remocin de calor del fluido de trabajo a presin constante en un intercambiador de calor o en la atmsfera.

Figura 1. Ciclo termodinmico bsico de las turbinas de gas.En el ciclo Brayton, el trabajo neto realizado por unidad de masa es la diferencia entre el trabajo obtenido en la expansin y el trabajo invertido en la compresin, es decir:

Wnet = Wt - WcPara un gas ideal, el trabajo neto puede escribirse como:Wnet = Wt - Wc

Y el calor de adicin por unidad de masa ser:

Al igual que en el ciclo Ranking, la eficiencia trmica del ciclo Brayton es la relacin entre el trabajo neto desarrollado y el calor adicionado:ter = Wnet / qALa eficiencia trmica del ciclo Brayton para un gas ideal puede escribirse como:

En la figura se muestra una representacin esquemtica del ciclo Brayton.

Figura 2. Esquema del ciclo bsico de las turbinas de gas.2. MODIFICACIONES CICLO BASICO EN LAS TURBINAS DE GASLa eficiencia trmica del ciclo Brayton ideal depende de la compresin. Si se aumenta la relacin de compresin en el ciclo ser necesario suministrar ms calor al sistema debido a que las lneas de presin constante divergen hacia arriba y hacia la derecha en el diagrama T-s y la temperatura mxima del ciclo ser mayor. Como el calor suministrado es mayor, la eficiencia trmica aumentar con el ratio de compresin.

Figura 3. Diagrama T-s de ciclos termodinmicos bsicos de las turbinas de gas con diferentes relaciones de compresin.Sin embargo la temperatura mxima del ciclo est limitada por los materiales en los cuales estn construidos los componentes y por lo tanto se requerirn sistemas de refrigeracin ms eficientes.La eficiencia del ciclo tambin se ve afectada por las prdidas en el compresor, en la turbina y en las cadas de presin en la cmara de combustin y otros pasajes. Podemos verlo en el diagrama que representa estas condiciones en el ciclo, disminuyendo en consecuencia la eficiencia del ciclo.

Figura 4. Diagrama T-s del ciclo termodinmico bsico real de las turbinas de gas.A diferencia del ciclo Ranking, el proceso de compresin para elevar la presin en el ciclo Brayton requiere un gran consumo de energa y gran parte del trabajo producido por la turbina es consumido por el compresor, en un porcentaje que puede estar entre 40% y 80%. Esta desventaja frente al ciclo Ranking hace necesario prestar una mayor atencin en el diseo de turbinas de gas ya que cualquier prdida de presin en la cmara de combustin y dems componentes entre el compresor y la turbina debe compensarse con mayor trabajo en el compresor. Adicionalmente, la eficiencia del compresor y la turbina juegan un papel muy importante, debido a que eficiencias cercanas al 60% en estos componentes ocasionaran que todo el trabajo producido por la turbina sea consumido por el compresor y por tanto la eficiencia global sera cero.Es posible hacer algunas modificaciones al ciclo Brayton bsico para obtener valores ms favorables de eficiencia trmica y trabajo neto. Las modificaciones que podemos hacer son las siguientes:2.1. CICLO CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO DEL AIRE.Con este mtodo lo que hacemos comprimir los gases de admisin en dos etapas con una refrigeracin intermedia, para sacar parte del calor que han adquirido en la primera etapa de compresin. La representacin de estos procesos se muestra en la siguiente figura:

Figura 5. Ciclo Brayton con enfriamiento del aire.De la secuencia anterior, es claro que el trabajo que debe realizar el compresor para elevar la presin desde el estado 1 hasta el estado 2 sin enfriador, es mayor que el trabajo que deben hacer los compresores con la misma eficiencia para elevar la presin del aire desde el estado 1 al 2 y del estado 3 al 4 con un enfriador de aire intermedio. Esta disminucin en el trabajo total de compresin se debe a que las lneas de presin divergen hacia la derecha del grfico T-s.Se ha demostrado que el trabajo de compresin con enfriador es menor cuando la relacin de presiones en las dos etapas es igual (P4/P3)= (P2/P1) y la temperatura de entrada a la segunda etapa de compresin (T3) es igual a la temperatura de entrada a la primera etapa de compresin (T1).Al tener un menor trabajo de compresin, el trabajo neto del ciclo con enfriador ser mayor que el trabajo neto del ciclo sin enfriador, siendo:Wnet (sin enfriado) = Cpg (T5 T6) Cpa (T2 T1)Wnet (con enfriado) = Cpg (T5 T6) Cpa ((T2 T1) + (T4 T3))Como,Cpa ((T2 T1) + (T4 T2)) < Cpa (T2 T1)Entonces,Wnet (sin enfriador) < Wnet (con enfriador)Por otro lado, se requiere suministrar una mayor cantidad de calor al ciclo con enfriador para aumentar la temperatura desde (T4) hasta (TS) que en el ciclo sin enfriador, donde nicamente es necesario elevar la temperatura desde (T2) hasta (TS).

Figura 6. Diagrama T-s del ciclo termodinmico de las turbinas de gas con enfriamiento de aire.En el diagrama T-s, puede apreciarse que la cantidad de calor adicional agregada al sistema, es mayor que la equivalente en calor del trabajo ahorrado por el compresor cuando trabaja con el enfriador de aire y por lo tanto la eficiencia trmica del ciclo con enfriador ser menor que sin enfriador.ter (sin enfriador) > ter (con enfriador)2.2. CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIOLa expansin de los gases en el ciclo Brayton puede configurarse de tal forma que se realice en dos etapas. La primera expansin ocurre en lo que se conoce como turbina de alta presin (HP) o turbina del compresor (CT) acoplada al compresor mediante un eje. Todo el trabajo desarrollado por la turbina de alta presin es consumido por el compresor. La segunda expansin tiene lugar en la turbina de baja presin (LP) o turbina de potencia (PT) acoplada a un eje diferente al de la turbina del compresor y produce el trabajo neto aprovechado en varias aplicaciones, como para mover el generador.En el ciclo con recalentamiento se instala una segunda cmara de combustin a la salida de la turbina de alta presin para elevar la temperatura de los gases que entran a la turbina de baja presin, y como estos gases todava son ricos en oxigeno no suele hacer falta un aporte extra de comburente.La representacin de estos procesos se muestra en la siguiente secuencia.

Figura 7. Ciclo Brayton con recalentamiento intermedio.En la secuencia anterior, se puede observar que el trabajo de compresin es el mismo para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo sin recalentamiento y en consecuencia el trabajo desarrollado por la turbina de alta presin ser tambin igual para los dos ciclos. Sin embargo, el trabajo desarrollado por la turbina de baja presin es claramente mayor para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo sin recalentamiento, debido a que las lneas de presin divergen hacia la derecha del diagrama T-s siendo mayor la diferencia entre las temperaturas (T5) y (T6) que entre las temperaturas (T4) y (T4).El trabajo neto desarrollado por cada unidad de masa de gas en el ciclo es el trabajo desarrollado por la turbina de baja presin e igual a:Wnet (sin recalentamiento) = Cpg (T4- T4)Wnet (con recalentamiento) = Cpg (T5 T6)Debido a que T5 T6 > T4 T4, entonces:Wnet (sin recalentamiento) ter (sin recalentamiento)2.3. CICLO REGENERATIVO.En ocasiones se presenta que la temperatura de los gases a la salida de la turbina en el ciclo Brayton es mayor que la temperatura del aire a la salida del compresor.El ciclo regenerativo aprovecha esta diferencia de temperaturas para transferir a un regenerador o intercambiador de calor, energa trmica de los gases que salen de la turbina, al aire que sale del compresor.

Figura 9. Diagrama T-s del ciclo termodinmico de las turbinas de gas con regeneracin.En el caso representado en el diagrama T-s, la temperatura (Ts) de los gases que salen de la turbina en el estado 5 es mayor que la temperatura (T2) del aire que sale del compresor en el estado 2. En el regenerador, los gases ceden su calor al aire comprimido desde el estado 5 hasta el estado 6 cuando son evacuados a la atmsfera. En el caso ideal, el aire comprimido en el estado 2 tendr la misma temperatura de los gases en el estado 6 y de igual manera la temperatura del aire en el estado 3 ser la misma que la de los gases en el estado 5. En consecuencia, el calor suministrado en la cmara de combustin ser nicamente el necesario para elevar la temperatura de (T3) a (T4) y no de (T2) a (T4).El trabajo neto desarrollado en el ciclo regenerativo 1-2-3-4-5-6, es el mismo que en el ciclo Brayton simple 1-2-4-1 ya que le trabajo realizado por el compresor y el trabajo producido por la turbina no vara en los dos casos. Sin embargo, al requerirse un menor calor de adicin para elevar la temperatura al valor mximo del ciclo (T4), se obtendrn eficiencias trmicas ms favorables para el ciclo regenerativo.Siendo: ter= Wnet / qAWnet (con regeneracin) = Wnet (sin regeneracin)qA (con regeneracin) < qA (sin regeneracin)Entonces:ter (sin regeneracin) > ter (con regeneracin)En el caso ideal, se considera que una diferencial infinitesimal en la diferencia de temperatura es suficiente para que el calor fluya en el regenerador de los gases que salen de la turbina al aire que sale del compresor. En el caso real, se requiere ms que una diferencia infinitesimal y por lo tanto no se puede decir que (T3) es igual a (T5), ni que (T2) es igual a (T6). La diferencia de temperaturas (T3 Tx) requerida por el regenerador para transferir energa trmica de un fluido al otro define su eficiencia:

Si el flujo msico y los calores especficos del aire y el gas se suponen similares, es decir,ma mb y Cpa Cpg, entonces:reg = (Tx T2)/ (T5-T2)Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas (T3 Tx), menor ser la diferencia (Tx T2) y en consecuencia la eficiencia del regenerador ser menor.La seleccin del regenerador o intercambiador de calor debe ser un ejercicio cuidadoso ya que la eficiencia de ste puede mejorarse aumentando el rea de transferencia y en consecuencia la cada de presin ser mayor perjudicando la eficiencia trmica del ciclo.

Optimizacin del Rendimiento

NDICE:1. NTRODUCCIN.2. FACTORES QUE AFECTAN A LAS PRESTACIONES DE LASS TURBINAS DE GAS.3. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO.4. ALTERNATIVAS PARA RECUPERAR LA ENERGA DE LOS GASES.5. CONCLUSIONES.6. REFERENCIAS.1. INTRODUCCION.Para modificar la potencia de una turbina de gas se deben alterar, principalmente, dos parmetros: el flujo msico que pasa a travs de los labes de la turbina y la temperatura del fluido de trabajo a la entrada del rotor.As mismo, es posible incrementar la eficiencia y la potencia de un ciclo simple recuperando la energa remanente en los gases de escape mediante un recuperador de calor. Este equipo produce vapor que puede ser expandido en el mismo eje de la turbina de gas o en otro eje mediante una turbina de vapor.2. FACTORES QUE AFECTAN AL DESMPEO DE LAS TURBINAS DE GAS..Dado que la turbina de gas es un motor que respira aire del ambiente, su desempeo cambia con cualquier cosa que afecte el flujo de masa de aire de admisin al compresor, y con mayor razn los cambios en las condiciones de referencia de la Internacional Standards Organization (ISO) de 15C (59F), 60% de humedad relativa y 101.4 kPa (14.7 psia). Debido a esto, el desempeo de las turbinas de gas vara significativamente con las condiciones locales, y la temperatura ambiente es un factor determinante (1).Si se disminuye la temperatura ambiente, la capacidad y eficiencia de las turbinas de gas se incrementan, debido a que esta disminucin induce un aumento en la densidad del aire en la succin del compresor y, para una velocidad constante del mismo, esto se traduce en un incremento en el flujo msico.La presin atmosfrica tiene, igualmente, un efecto importante sobre la capacidad de las turbinas de gas, aunque no sobre su eficiencia. Cuando la presin atmosfrica disminuye, la densidad del aire baja, lo que, a su vez, reduce el flujo de masa hacia la turbina y, por tanto, su capacidad. De igual modo, el aire hmedo, al ser ms denso que el aire seco, tambin afecta la produccin de potencia.El tipo de combustible tambin influye en el rendimiento. Es as como el gas produce alrededor del 2 % ms de salida de potencia que los destilados del petrleo.

La figura 1 presenta los resultados obtenidos de una prueba realizada a una unidad en ciclo combinado compuesto por una turbina de gas de 100 MW y una turbina de vapor de 50 MW, ubicado en Barranquilla, durante dos das (no consecutivos) que estuvo operando con carga base las 24 horas. En esta prueba se observ que por cada grado Fahrenheit de incremento en la temperatura del aire a la entrada del compresor, la potencia final de la turbina de combustin cay en promedio 0.54 MW el primer da y 0.41 MW el segundo. En la misma figura se observa tambin una disminucin casi lineal en la potencia de salida con respecto al incremento en la temperatura ambiente.Esta unidad posee un enfriador evaporativo, por lo que las temperaturas sealadas en la figura 1 no corresponden a la temperatura ambiente de Barranquilla sino a la de bulbo seco, modificada por el enfriador, inmediatamente antes de la primera rueda de labes del compresor.3. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO.Los parmetros que se tienen en cuenta para seleccionar el tipo de sistema de enfriamiento ms conveniente incluyen: el tipo de turbina, las condiciones climticas, las horas de operacin de la turbina, la relacin entre flujo msico y potencia generada y el precio de la energa en el mercado.Las principales ventajas que se obtienen al enfriar el aire en la succin del compresor son: mejoramiento en la potencia de salida, disminucin del consumo trmico especfico en ciclo simple y ciclo combinado y disminucin en las emisiones debido al mejoramiento en la eficiencia total.-Enfriador EvaporativoEste sistema reduce la temperatura de una corriente de aire a travs de la evaporacin de agua y es aplicable en lugares donde el aire es clido, y es ms efectivo en ambientes secos. El enfriamiento se logra haciendo pasar el aire a travs de un filtro por el cual se deja que escurra el agua. Debido a la baja humedad relativa del ambiente, parte del agua lquida se evapora. La energa del proceso de evaporacin viene de la corriente de aire, por lo que ste se enfra. Un enfriador evaporativo incrementa la humedad relativa hasta valores alrededor del 85%.La capacidad de enfriamiento de este sistema est limitada por la diferencia entre las temperaturas del bulbo seco y bulbo hmedo del ambiente. Sus ventajas son sus bajos costos iniciales y su facilidad de operacin.-Sistema de Niebla (Fogging System).Este sistema trabaja con el mismo principio del enfriador evaporativo, pero en lugar de un filtro usa billones de micro gotas de agua atomizada para el intercambio de energa, y es posible alcanzar disminuciones en la temperatura del aire de hasta 20F. Este sistema eleva la humedad relativa hasta el 100%.La figura 3 muestra un esquema de este sistema y seala sus componentes. Sus costos de capital son comparativamente bajos y su operacin no es compleja.

-Compresin Hmeda (Wet Compression)La compresin hmeda proporciona un mtodo econmico para producir un aumento significativo en la capacidad de generacin de una turbina de gas. Incluye un sistema de atomizacin y roco, modificaciones en la lgica de control de la turbina de gas y cambios adicionales en algunos componentes, a fin de hacerlos ms seguros y confiables. El incremento en la potencia viene de una combinacin de los efectos de un enfriamiento evaporativo, un incremento en el flujo msico y una reduccin en el trabajo del compresor debida a un interenfriamiento en las primeras etapas del mismo. Los incrementos de potencia logrados con este sistema oscilan entre el 10% y el 25%, y son ms confiables que los alcanzados por enfriadores evaporativos y sistemas de niebla, ya que no dependen de la humedad relativa del medio ambiente.- Refrigeracin Mecnica/AbsorcinEste sistema es capaz de mantener una temperatura del aire tan baja como se desee, sin importar las condiciones ambientales. Sus desventajas son: alto consumo de energa de auxiliares, alta complejidad, alto costo inicial y requiere grandes espacios. En algunos casos no es econmicamente viable.

4. ALTERNATIVAS PARA RECUPERAR LA ENERGA REMANENTE EN LOS GASES DE ESCAPE..Una forma de llevar al mximo la recuperacin de la energa en los gases de escape mediante la produccin de vapor, consiste en utilizar un recuperador de calor que genere vapor a mltiples niveles de presin. El vapor generado es inyectado en una turbina de vapor o en la cmara de combustin de la misma turbina de gas. Las secciones de transferencia de calor incluyen (i) economizadores, por los cuales entra el agua al recuperador, gracias a lo cual eleva su temperatura hasta 5C (10F) por debajo de la temperatura de saturacin del agua a la presin que es bombeada; (ii) evaporadores, donde el agua cambia de lquido comprimido a vapor saturado, e (iii) sobrecalentadotes, en los que el vapor gana calor para pasar de vapor saturado a vapor sobrecalentado. En la figura 7 se observa el esquema de un ciclo STIG con turbina de vapor en el que se detalla el interior del recuperador de calor de dos niveles de presin.-Turbinas de gas en ciclo combinado*La configuracin ms usada para aumentar la potencia y eficiencia de una turbina de gas es el ciclo combinado. Este sistema utiliza un recuperador de calor generador de vapor acoplado a la salida de los gases de escape de la turbina para producir vapor que ser expandido en una turbina de vapor. Los principales equipos que requiere un ciclo combinado son: una turbina de vapor, un condensador de superficie, un sistema de enfriamiento, un generador elctrico adicional y numerosos sistemas auxiliares.Una de las mayores desventajas que presentan los ciclos combinados es la alta inversin de capital que implican. Con el fin de salvar esta dificultad se han ideado ciclos de potencia diferentes para recuperar la energa disponible en los gases de escape de una turbina de gas.* En el artculo Turbinas a gas: tecnologa competitiva en el mercado elctrico colombiano, publicado en la edicin N 7 de esta revista, se expone ms ampliamente esta configuracin.-Ciclo STIG (Steam Injected Gas Turbine System)El ciclo STIG proporciona una alternativa eficiente a un relativamente bajo costo para recuperar la energa de los gases de escape de una turbina de gas. Este sistema utiliza un recuperador de calor acoplado a la salida de los gases de escape de la turbina para generar vapor que ser inyectado en la cmara de combustin de la misma turbina de gas. El propsito de esta configuracin es incrementar el flujo msico que pasa a travs de los labes de la turbina, que son los encargados de transmitir la energa del fluido de trabajo, en este caso, la mezcla de gases de combustin y vapor sobrecalentado, al rotor.La gran cantidad de agua requerida para la formacin de vapor representa un problema importante, debido a que no hay recuperacin del agua utilizada.-Ciclo STIG con turbina de vapor.Este sistema consta de cuatro pasos: (1) Se genera un primer flujo de vapor a una presin A. (2) Se genera un segundo flujo de vapor a una presin B, siendo B mayor que A. (3) Se produce potencia en un segundo eje por la expansin parcial de B en una turbina de vapor- hasta los niveles de presin de A. (4) Finalmente, se unen los dos flujos de vapor, de presin A, y se inyectan en la cmara de combustin de la turbina de gas para incrementar su potencia de salida /2/.En este sistema, al igual que en el ciclo STIG, no hay recuperacin de agua utilizada para generar el vapor.-Ciclo Cheng avanzado.Este sistema logra la unin del ciclo Brayton y el ciclo Ranking sin requerir de generador elctrico adicional, condensador, turbina de vapor, torre de enfriamiento ni grandes sistemas auxiliares. El sistema Cheng opera como un carburador, en un motor de gasolina, al momento de inyectar vapor sobrecalentado dentro de la cmara de combustin de la turbina para alcanzar la mayor eficiencia y potencia posibles. En esta tcnica, la combustin del gas calienta la mezcla de aire y vapor a la temperatura de trabajo de la turbina de combustin y permite su operacin a temperaturas superiores a 1.450C (2650F). En consecuencia, el incremento de potencia es debido no slo al aumento del flujo msico a travs de la mquina sino tambin a las elevadas temperaturas de los gases a la entrada del rotor de la turbina. En este proceso, el vapor trabaja sinrgicamente con la mezcla aire-combustible, lo cual eleva su potencia trmica /3/.El ciclo Cheng provee eficiencias de ciclo combinado a costos de ciclo simple basndose en que la eficiencia pico del ciclo se logra a una nica relacin de flujo msico entre el vapor sobrecalentado y el aire comprimido en la cmara de combustin. Es as como este ciclo alcanza incrementos en la potencia de salida y la eficiencia de hasta el 80 y 40%, respectivamente. La tabla de abajo presenta las capacidades y eficiencias que se pueden alcanzar con dos modelos de turbina del fabricante Westinghouse, operando en condiciones ambientales similares, en distintas configuraciones.El ciclo Cheng es muy constante a todos los niveles de temperatura ambiente, lo cual es una real ventaja cuando se opera en climas clidos, pero presenta el mismo inconveniente del ciclo STIG, puesto que en este sistema tampoco hay recuperacin del agua utilizada para la produccin del vapor.Las diferencias entre el sistema tradicional de inyeccin de vapor y el moderno ciclo Cheng consisten bsicamente en que este ltimo inyecta mayores cantidades de vapor, ya que no slo lo usa para incrementar la potencia de salida, sino tambin para reemplazar parte del aire de sangrado del compresor en la misin de enfriar los combustores. Adems de esto, el sistema Cheng es aplicable tanto en turbinas que requieran ser repotenciadas como en turbinas modernas y de gran capacidad.

5. CONCLUSIONES..Como respuesta a las exigentes condiciones que impone el mercado elctrico colombiano, los generadores trmicos que operan turbinas de gas en ciclo simple se ven en la obligacin de buscar alternativas, diferentes al costoso ciclo combinado, que les permitan permanecer dentro de un mercado que ha demostrado aceptar slo unidades eficientes y competitivas. En atencin a esta necesidad se presentan los ciclos STIG y Cheng, que al incrementar el flujo msico a travs de los labes de la turbina logran aumentos considerables en la eficiencia y potencia de los sistemas de produccin de energa con turbinas de gas.El aumento en el flujo msico a travs de la turbina y la disminucin del trabajo demandado por el compresor, que se logran enfriando el aire en la succin del mismo, adems de incrementar la potencia representan la alternativa ms econmica para mejorar la eficiencia y la competitividad de las turbinas de gas. Lo anterior teniendo en cuenta que con estos sistemas es posible alcanzar incrementos en la potencia de salida alrededor del 20% con inversiones de capital comparativamente bajas.Proceso de Arranque de una Turbina de Gas

NDICE:1. TIPOS DE ARRANQUE.2. FASES DE UN ARRANQUE.3. PROBLEMAS DURANTE LOS ARRANQUES.4. CONSEJOS TILES.Los diferentes tipos de arranques los podemos clasificar segn la temperatura de la carcasa y del rotor en el momento de iniciarlos. Aunque los fabricantes de turbinas hablan de 3 tipos de arranques (fros, templados y calientes), en realidad hay dos situaciones adicionales: los arranques superfros, y los rearranques.La diferencia fundamental es la rampa de subida de carga, ya que cuanto ms fro sea el arranque ser necesario una subida progresiva ms suave, para conseguir un calentamiento uniforme que minimice las tensiones trmicas en el metal.1. TIPOS DE ARRANQUE.Los fabricantes de las turbinas los suelen dividir en tres grupos: Arranque fro, que es aquel que se produce cuando la turbina ha estado ms 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 ms de arranques: Arranque superfro. Despus de una parada programada, sin virador. El virador es una mquina encargada de hacer girar el rotor a muy bajas revoluciones para que se enfre de forma homognea y con ello evitar que se deforme. En el arranque superfro el metal de la turbina est a temperatura ambiente, y posiblemente el rotor se encuentre ligeramente curvado, por lo que ser necesario que la turbina funcione en modo virador entre 6 y 24 horas Rearranque, inmediatamente despus de un disparo, se produce despus de un disparo porque algn sensor ha dado un aviso y se ha corregido rpidamente o ha sido una falsa alarma, o se estn haciendo prueba. Curiosamente, el nmero de arranques fallidos (arranques que no llegan a completarse) en rearranques es mas elevado que en el resto de los tipos de arranque.La diferencia fundamental est 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 ms pesada que el rotor), lo que obliga a una subida controlada en carga. El estrs trmico y la dilatacin 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 fro con subida de carga hasta la plena potencia puede completarse entre30 y 45 minutos, mientras que para un arranque caliente pueden ser necesarios menos de 15.2. FASES DE UN ARRANQUE.Las 5 fases en que puede dividirse el arranque de una turbina de gas son las siguientes:2.1Funcionamiento en virador.Para asegurar el reparto de pesos a lo largo del eje de rotacin en caso de parada prolongada es necesario que la turbina gire en virador durante unas horas, evitando as deformaciones producidas al enfriarse de forma no homognea. Si tras la parada ha estado funcionando en virador, est fase ya est realizada.2.2Preparacin para el arranque. Debe haber presin de gas, se debe ir metiendo gas poco a poco. El sistema de alta tensin debe estar operativo, ya que nos alimentara al generador que en este caso actuara de motor para arrancar la turbina. El sistema de refrigeracin 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 recuperacin de gases, se debe revisar el sistema para ver que todo esta correcto y no nos de problemas cuando pongamos a plena carga la turbina. Bomba auxiliar de lubricacin en marcha, temperatura correcta, para que todo este bien lubricado y evitar posibles daos. 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.2.3Inicio 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 ms rpido posible las zonas peligrosas de vibracin. 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. Tambin se pretende que la distribucin de pesos a lo largo del eje de rotacin sea perfecta y se eviten problemas de vibracin al atravesar las velocidades crticas.2.4Aceleracin hasta velocidad de sincronismo. Paso por velocidades crticas. Se ordena desde el control subir hasta velocidades de sincronismo. Interesa pasar por las velocidades crticas lo ms rpido posible. La supervisin de las vibraciones durante la aceleracin es fundamental, ya que nos pueden indicar posibles problemas. El sistema tambin supervisa la aceleracin, para asegurar que se pasa rpidamente por las velocidades crticas. A una velocidad determinada, se activa el ignitor, y se enciende la llama piloto. La llama piloto enciende a su vez las cmaras de combustin o quemadores (FLAME ON). A partir de ese momento la fuerza de los gases de combustin 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 energa elctrica, en esta fase es donde ms disparos se producen.2.5Sincronizacin y Subida de carga hasta la potencia seleccionada. El cierre del interruptor de mquina una vez alcanzada la velocidad de sincronismo suele ser muy rpido, unos minutos como mucho El sincronizador vara ligeramente la velocidad de la turbina. La subida de carga debe ser lenta, de acuerdo al tipo de arranque.3. PROBLEMAS HABITUALES DURANTE LOS ARRANQUES. Vibraciones al atravesar las velocidades crticas. Fallo de llama (Flame Off), se nos apaga la llama. Aceleracin insuficiente. Desplazamiento axial excesivo al subir carga. Temperatura excesiva de cojinetes, esta fallando la lubricacin o estamos hiendo muy rpido. Vibraciones al subir carga.4. CONSEJOS TILES 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 qu ha provocado el disparo y haberlo solucionado.2) Las averas no se arreglan solas, de forma mgica. Aunque es cierto que a veces son problemas irreales relacionados con la instrumentacin, la mayora de las veces no es as.3) Las turbinas de gas no son caprichosas: cuando tienen un problema no intentan llamar la atencin, 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 decisin. Las averas ms graves en una turbina siempre estn relacionadas con una negligencia de este tipo.

Vigilancia de Parmetros.

Para asegurar el correcto funcionamiento de una turbina de gas, el operador debe vigilar una serie de parmetros de forma constante. Los parmetros a vigilar son los siguientes:1)Condiciones meteorolgicas, las variaciones de temperatura ambiente, humedad y presin atmosfrica, que afectarn a las prestaciones de la turbina, al modificar la densidad del aire de admisin2)Presin de gas a la entrada/salida de la ERM. La ERM o estacin de regulacion y medida es el sistema de recepcin del combustible gas. Un aumento del consumo local en la zona puede suponer una bajada de presin en el gasoducto de entrada.3)Presiones de aire a la entrada y salida del compresor. Las prestaciones de la turbina dependen enormemente de las condiciones de entrada de aire. Tambin dependen del estado del compresor, sobre todo su limpieza.4)Temperaturas de entrada/salida a las cmaras de combustin, si las temperaturas de los gases de entrada son menores de los habituales esto nos puede indicar que hay menos presin de la que debera. Con la temperatura de salida se debe tener cuidado ya que grandes temperaturas pueden deteriorar los compuestos cermicos que recubren la cmara de combustin, los quemadores y los labes de la turbina.

5)Temperatura de aceite, se debe controlar ya que si su temperatura sube por encima de ciertos lmites empezara a perder propiedades, y no lubricara de forma correcta con los posibles daos que esto puede provocar. Un aumento de la temperatura normal de funcionamiento del aceitepuede indicar tambin que algo pasa, como que puede no estar siendo bien refrigerado.6)Vibraciones en cojinetes, pueden ser originadas por la degradacin de los cojines debido a falta de lubricacin o por desgaste debido a su uso, se debe vigilar ya que estas vibraciones pueden ser transmitidas al rotor lo que nos hara que el sistema tambin vibrase, pudiendo provocar ms daos.7)Desplazamiento axial. En su funcionamiento normal la turbina sufre una fuerza en la direccin axial, que hara que el rotor se moviera de su posicin y pudiera hacer que partes mviles y fijas (rotor y esttor) se tocaran. Para evitar ese movimiento, el eje tiene un collarn que roa o apoya sobre unos cojinetes axiales, que impiden que el rotor se desplace. Ese cojinete se degrada con el tiempo, provocando que el rotor se desplace en la direccin axial. El valor del desplazamiento debe ser vigilado de forma constante8)Temperatura en cojinetes, un aumento en la temperatura en los cojinetespuede indicar que estn mal lubricados o que existe cualquier otro tipo de problemas.9)Revoluciones de la turbina. La velocidad de funcionamiento es un parmetro de vigilancia constante, ya que una turbina de generacin elctrica est normalmente conectada a un generador sncrono, que fija a velocidad fija. Una variacin de velocidad de la turbina debe suponer la parada inmediata10)Potencia instantnea.

De todos estos parmetros es conveniente conservar un histrico, en el sistema de control o en papel, para poder comprobar su evolucin en caso de problemas de cualquier tipoInspecciones visualesAdems de la vigilancia de parmetros, que se realiza desde la sala de control, es necesario realizar una serie de comprobaciones visuales en la propia turbina. Entre los puntos a inspeccionar estn los siguientes:1)Temperatura de aceite, con indicadores locales.2)Fugas de vapor, agua o aceite.3)Ruidos y vibraciones anormales, aunque es difcil por el ruido de la instalacin.4)Olores anormales.Durante las inspecciones en el recintode la turbina hay que tener precaucin con el sistema contraincendios, ya que se trata de un sistema que desplaza el oxgeno comburente por inundacin de CO2: cuando el sistema detecta un incendio en la sala de la turbina la inunda con CO2 para extinguirlo, pudiendo provocar la asfixia de una persona si se encuentra dentro, por lo que al entrar en la sala de la turbina a realizar cualquier trabajo debe desactivarse.Turbinas de Vapor

NDICE:1. NTRODUCCIN.2. CLASIFICACIN DE LAS TURBINAS DE VAPOR.3. ESTUDIO CONSTRUCTIVO DE LOS ELEMENTOS DE LAS TURBINAS.4. CIRCUITO DE VAPOR CONDENSADO.5. SISTEMAS DE ACEITE DE LA TURBINA.6. REGULACIN DE LA VELOCIDAD.7. DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD EN LAS TURBINAS DE VAPOR.

Figura 1. Turbina de vapor.1. INTRODUCCION.La turbina de vapor de una planta de cogeneracin es un equipo sencillo y, como mquina industrial, es una mquina madura, bien conocida y muy experimentada. Se conoce casi todo de ella. Ms del 70 % de la energa elctrica generada en el mundo se produce diariamente con turbinas de vapor. El funcionamiento es muy sencillo: se introduce vapor a una temperatura y presin determinadas y este vapor hace girar unos labes unidos a un eje rotor; a la salida de la turbina, el vapor que se introdujo tiene una presin y una temperatura inferior. Parte de la energa perdida por el vapor se emplea en mover el rotor. Necesita tambin de unos equipos auxiliares muy sencillos, como un sistema de lubricacin, de refrigeracin, unos cojinetes de friccin, un sistema de regulacin y control, y poco ms.La turbina es un equipo tan conocido y tan robusto que si no se hacen barbaridades con l tiene una vida til larga y exenta de problemas. Eso s hay que respetar cuatro normas sencillas:1) Utilizar un vapor de las caractersticas fsico-qumicas apropiadas.2) Respetar las instrucciones de operacin en arranques, durante la marcha y durante las paradas del equipo.3) Respetar las consignas de proteccin del equipo, y si da algn sntoma de mal funcionamiento (vibraciones, temperaturas elevadas, falta de potencia, etc.) parar y revisar el equipo, nunca sobrepasar los lmites de determinados parmetros para poder seguir con ella en produccin o incluso poder arrancarla.4) Realizar los mantenimientos programados con la periodicidad prevista.Son normas muy sencillas, y sin embargo, casi todos los problemas que tienen las turbinas, grandes o pequeos, se deben a no respetar alguna o algunas de esas 4 normas.

Figura 2. Turbina de vapor abierta. 2. CLASIFICACION DE LAS TURBINAS DE VAPOR.Existen varias clasificaciones de las turbinas dependiendo del criterio utilizado, aunque los tipos fundamentales que nos interesan son:-Segn el nmero de etapas o escalonamientos:1)Turbinas monoetapa, son turbinas que se utilizan para pequeas y medianas potencias.2)Turbinas multietapa, aquellas en las que la demanda de potencia es muy elevada, y adems interesa que el rendimiento sea muy alto.-Segn la presin del vapor de salida:1)Contrapresin, en ellas el vapor de escape es utilizado posteriormente en el proceso.2)Escape libre, el vapor de escape va hacia la atmsfera. Este tipo de turbinas despilfarra la energa pues no se aprovecha el vapor de escape en otros procesos como calentamiento, etc.3)Condensacin, en las turbinas de condensacin el vapor de escape es condensado con agua de refrigeracin. Son turbinas de gran rendimiento y se emplean en mquinas de gran potencia.- Segn la forma en que se realiza la transformacin de energa trmica en energa mecnica:1)Turbinas de accin, en las cuales la transformacin se realiza en los labes fijos.2)Turbinas de reaccin, en ellas dicha transformacin se realiza a la vez en los labes fijos y en los labes mviles.-Segn la direccin del flujo en el rodete.1)Axiales, el paso de vapor se realiza siguiendo la direccin del eje de la turbina. Es el caso ms normal.2)Radiales, el paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina.- Turbinas con y sin extraccin.En las turbinas con extraccin se extrae una corriente de vapor de la turbina antes de llegar al escape.3. ESTUDIO CONSTRUCTIVO DE LOS ELEMENTOS DE LAS TURBINAS.- Rotor, es la parte mvil de la turbina.-Estator o carcasa, parte fija que aloja el rotor y sirve de armazn y sustentacin a la turbina.-labes, rganos de la turbina donde tiene lugar la expansin del vapor.-labes fijos, van ensamblados en los diafragmas que forman parte del estator. Sirven para darle la direccin adecuada al vapor y que empuje sobre los labes mviles.-Diafragmas, son discos semicirculares que van dispuestos en el interior de la carcasa perpendicularmente al eje y que llevan en su periferia los labes fijos.-Cojinetes, son los elementos que soportan los esfuerzos y el peso del eje de la turbina. Los cojinetes pueden ser radiales, que son aquellos que soportan los esfuerzos verticales y el peso del eje, o axiales, soportan el esfuerzo en la direccin longitudinal del eje.-Sistemas de estanqueidad, son aquellos sistemas de cierre situados a ambos extremos del eje de la turbina que evitan que escape el vapor de la turbina.1)Sellados del rotor, son elementos mecnicos que evitan que escape vapor de la turbina al exterior, por los lados del eje en las carcasas de alta y de media presin y adems evitan la entrada de aire en las carcasas de baja presin. Pueden ser de metal o de grafito. Normalmente en las mquinas de gran potencia los cierres son metlicos de tipo laberinto.2) Regulacin del sistema de sellado en una turbina de condensacin.-Estanqueidad interior, son los mecanismos que evitan la fuga de vapor entre los labes mviles y fijos en las etapas sucesivas de la turbina.4. CIRCUITO DE VAPOR Y CONDENSADO.Descripcin del circuito de vapor a travs de una turbina.-Turbinas de contrapresin.-Turbinas de condensacin.-Turbinas de extraccin y condensacin.a)Vlvulas de parada, actan por seguridad de la turbina y en situaciones de emergencia. Tienen la misin de cortar el flujo de vapor de entrada.b)Vlvulas de control y regulacin, vlvulas de vapor de entrada que proporcionan el caudal de vapor deseado para dar la potencia requerida por la turbina.Sistemas de vaco y condensado en turbinas de condensacin.-Condensador, su funcin es establecer el mayor vaco posible eliminando el calor de condensacin del vapor de agua.-Eyectores, se encargan de eliminar los gases incondensables que hay en el condensador, procedente de las fugas de aire y de los gases disueltos en el condensado, etc.- Bombas de condensado, tienen por misin desalojar el condensado producido en el escape de la turbina. Problemas si el nivel de condensado es demasiado alto y no quedan tubos libres para condensar el vapor.-Purgas de condensado del cuerpo de la turbina y lneas de vapor de entrada y salida, sistema que permite la eliminacin del condensado de equipo y lneas cuando la turbina est en situacin de parada y puesta en marcha.5. SISTEMAS DE ACEITE DE LA TURBINA.Este sistema tiene dos misiones fundamentales en las turbinas de vapor: una como elemento hidrulico del sistema de regulacin de la turbina, para accionamiento de servomotores y otros mecanismos y otra como elemento lubricante de las partes mviles, como cojinetes, reductores, etc.Dependiendo que la turbina sea a contrapresin o a condensacin los sistemas de aceite pueden ser ms o menos complejos.1) Ejemplo de sistemas de aceite en una turbina de contrapresin.-Sistema de aceite de lubricacin.- Sistema de aceite de mando y regulacin.-Bomba auxiliar de aceite o bomba de puesta en marcha. Puede ser manual o movida por un motor o turbina.-Bomba incorporada o bomba principal de aceite. Accionada por el eje de la turbina.2) Ejemplo de sistema de aceite en una turbina de condensacin.- Sistema de aceite de lubricacin.- Sistema de aceite de mando o regulacin.- Sistema de aceite primario.- Sistema de aceite de cierre rpido o seguridad.Equipos principales de los sistemas de aceite.1) Tanques de aceite.2) Bombas de aceite, principal y reserva.3) Refrigerantes de aceite.4) Filtros de aceite.5) Calentador de aceite. Termostato de alta y baja temperatura.6) Extractor de gases de aceite.7) Equipos de purificacin de aceite.6. REGULACION DE LA VELOCIDAD.a)Objetivo de la regulacin. El objetivo principal de la regulacin de la velocidad en las turbinas es mantener el nmero de rpm. constante independientemente de la carga de la turbina.b)Turbinas de pequea y mediana potencia. Normalmente la vlvula de parada de emergencia y de regulacin de entrada de vapor es la misma.Regulacin por estrangulacin o laminacin.c)Turbinas de gran potencia. En ellas, las vlvulas de parada y de regulacin son independientes entre s.d) Regulacin por variacin del grado de admisin o del nmero de toberas de entrada.Regulacin de velocidad en una turbina de extraccin y condensacin.e)Aumento de potencia sin modificar el caudal de extraccin. Cualquier aumento o disminucin de potencia demandada por la turbina se traduce en un aumento o disminucin del caudal que pasa a travs de ella cumplindose en cada caso que el caudal que aumenta o disminuye a travs de las vlvulas de entrada de vapor del cuerpo de alta es el mismo que aumenta o disminuye a travs de las vlvulas del cuerpo de baja, permaneciendo constante el caudal de extraccin.f)Aumento del caudal de extraccin permaneciendo constante la potencia de la turbina. Cualquier aumento del caudal de extraccin demandado por el proceso se traduce por un aumento del caudal a travs de las vlvulas del cuerpo de alta y una disminucin del caudal a travs de las vlvulas del cuerpo de baja, cumplindose en cada caso que el aumento de potencia que da el cuerpo de alta presin es compensado por una disminucin de potencia en el cuerpo de baja presin, permaneciendo constante la potencia total de la turbina.7. DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD EN LAS TURBINAS DE VAPOR.Son mecanismos que protegen a la turbina contra anomalas propias de la mquina, del proceso o bien de la mquina arrastrada por la turbina.1) Ejemplos de disparo en turbinas de contrapresin.-Disparo por sobrevelocidad.Evita el embalamiento de la turbina al faltarle la carga que arrastra.-Disparo por baja presin de aceite de lubricacin.Protege a la mquina para evitar el roce entre el eje y el estator.-Disparo manual de emergencia.Para que el operador pueda parar a voluntad la mquina ante cualquier anomala, como pueden ser vibraciones o ruidos anormales, fuga de aceite al exterior, etc.2)Ejemplos de disparo en turbinas de gran potencia (condensacin). -Dispositivo de disparo de aceite del cierre rpido. Dispositivo mecnico sobre el que actan los siguientes disparos mecnicos de la turbina.a) Sobrevelocidad.b) Disparo manual de la turbina.c) Disparo por desplazamiento axial.-Dispositivo de disparo por falta de vaco. Dispositivo mecnico que dispara la mquina al subir la presin de escape de vapor en el condensador.-Dispositivo de disparo a distancia mediante vlvula electromagntica. De este dispositivo de disparo cuelgan todas aquellas seguridades de la mquina, del proceso o de la mquina arrastrada. A la vlvula electromagntica le llega una seal elctrica que energiza una vlvula solenoide que enviara al tanque el aceite del cierre rpido cerrando las vlvulas de parada y de regulacin de vapor de la turbina.Entre los disparos mencionados que afectan a este dispositivo estn:a) Paros manuales a distancia desde el panel principal y local.b) Baja presin de aceite de lubricacin.c) Baja temperatura del vapor de entrada a al turbina.d) Baja presin del vapor de 100 a la turbina.e) Disparo por alto valor de vibraciones y de desplazamiento axial.f) Disparos de la mquina arrastrada que tambin paran la turbina.g) Disparo por bajo nivel de aceite de sello a los cierres del compresor.h) Disparo por altos niveles de lquido en los depsitos de aspiracin del compresor.Otros dispositivos de seguridad en las turbinas.a) Vlvula de seguridad del condensador.b) Vlvulas de seguridad de la lnea de extraccin.Caldera de Recuperacin (HRSG).

Funcionamiento de la caldera de recuperacin de calor.

La caldera de recuperacin de calor o HRSG (heat recovery steam generator) en un ciclo combinado es el elemento encargado de aprovechar la energa de los gases de escape de la turbina de gas transformndola en vapor. Con posterioridad, ese vapor puede transformarse en electricidad por una turbina de gas, ser utilizado en procesos industriales o en sistemas de calefaccin centralizados.

Las calderas de recuperacin de calor pueden clasificarse en calderas con o sin postcombustin y en calderas horizontales o verticales y tambin por el nmero de veces que el agua pasa a travs de la caldera conocidas como OTSG (One Time Steam Generator).Figura 1. Caldera de recuperacin de calor.Las partes principales de una caldera de recuperacin de calor son:-Desgasificador, es el encargado de eliminar los gases disueltos en el agua de alimentacin, oxigeno principalmente y otros gases que nos podra provocar corrosiones.-Tanque de agua de alimentacin, deposito donde se acumula el agua que alimenta a nuestro sistema, esta agua debe ser muy pura para evitar impurezas que nos podran obstruir los conductos, erosionarlos o corroerlos por las sustancias que llevasen con ellos.-Caldern,es el lugar de donde se alimenta el evaporador de agua y el sobrecalentador de vapor. Puede haber diferentes tipos de calderines segn la turbina de vapor que alimenten ya sean de baja, media o alta presin.-Bombas de alimentacin,son las encargadas de enviar el agua desde el tanque de agua de alimentacin a su caldern correspondiente.-Economizadores, son los intercambiadores encargados de precalentar el agua de alimentacin con el calor residual de los gases de escape, aprovechando su energa con lo que aumentamos el rendimiento de nuestra instalacin y evitamos saltos bruscos de temperatura en la entrada de agua.-Evaporadores, son intercambiadores que aprovechan el calor de los gases de escape de temperatura intermedia para evaporar el agua a la presin del circuito correspondientes, la circulacin del agua a travs de ellos puede ser forzada o natural, en la forzada se utilizan bombas y en la natural el efecto termosifn, aunque tambin se usan bombas en los momentos de arranque o cuando sea necesario, devolviendo el vapor al caldern.-Sobrecalentadotes y Recalentadores, son los intercambiadores que se encuentran en la parte ms cercana a la entrada de los gases procedentes de la combustin en la turbina de gas, el vapor que sale ya esta listo para ser enviado a la turbina de vapor, este vapor debe ser lo ms puro posible y debe ir libre de gotas de agua que deterioraran nuestra turbina, tambin debemos tener controlada la temperatura y presin del vapor para evitar estrs trmico en los diferentes componentes.

Figura 2.Esquema del sistema de recuperacin de calor.Donde:

1)Compresor.2)Turbina de Gas.3)By-pass4)Sobrecalentador o recalentador.5)Evaporador.6)Economizador.7)Caldern.8)Turbina de gas9)Condensador.10) By-pass de vapor.11) Depsito de agua de alimentacin/ Desgasificador.12) Bomba de alimentacin.13) Bomba de condensado.Calderas de recuperacin de calor con y sin postcombustin.-La caldera sin postcombustines el tipo ms comn de caldera utilizada en los ciclos combinados. Esencialmente es un intercambiador de calor en el que se transfiere el calor de los gases al circuito agua-vapor por conveccin.

-En lo que se refiere a lascalderas con postcombustin, aunque pueden construirse calderas de recuperacin con quemadores y aporte de aire adicional, las modificaciones constructivas normalmente se limitan a la instalacin de quemadores en el conducto de gases a la entrada de la caldera. Ello permite que se pueda utilizar el exceso de oxgeno de los gases de escape de la turbina, sin sobrepasar temperaturas admisibles para la placa de proteccin interna del aislamiento, temperaturas superiores a 800 C y sin modificar, de forma importante, la distribucin de superficies de intercambio de la caldera sin postcombustin. Estas calderas normalmente llevan atemperadores de agua pulverizada para regular la temperatura del vapor.Calderas de recuperacin de calor horizontales y verticales.1)Calderas de recuperacin de calor horizontales.

Figura 3.Caldera horizontal.La caldera horizontal es aqulla en la que el gas, a la salida de la turbina, sigue una trayectoria horizontal a travs de los distintos mdulos de sobrecalentamiento, recalentamiento, vaporizacin y calentamiento de agua, hasta su conduccin a la chimenea de evacuacin.

No necesitan estructura de soporte, siendo en conjunto una caldera ms compacta y barata, ya que requiere poca estructura metlica de soporte al ir colgados los elementos del techo.

El aislamiento suele ser interno para evitar el utilizar en la carcasa materiales aleados y juntas de dilatacin.

Conviene que el material aislante est recubierto por una chapa para protegerlo del impacto del agua o vapor en caso de rotura de tubos.

Debido a la construccin compacta, gran parte de los tubos en el interior de los haces no son accesibles, por lo que en caso de rotura se debe abandonar el uso de dicho tubo.

Otro inconveniente de este tipo de caldera es el drenaje inferior de los colectores y tubos del recalentador y sobrecalentador, que puede provocar la acumulacin de bolsas de agua que en los arranques podran impedir la circulacin. Por su diseo debemos cuidar los siguientes detalles constructivos y operativos:-La prdida de carga de los gases a lo largo de la caldera debe ser inferior a 300 milmetros de columna de agua.-Debe cuidarse especialmente la calidad de los materiales empleados en los mdulos ms calientes.-Deben seguirse procedimientos estrictos de soldadura y de control de calidad: radiografiado, ultrasonidos e inspeccin visual, especialmente en las soldaduras de los tubos verticales con los colectores de los mdulos ms calientes, tanto por la falta de acceso para reparaciones como por el hecho de estar sometidos a mayores tensiones trmicas susceptibles de provocar roturas.-Debe eliminarse las tensiones residuales de las curvas de los tubos a 180 C y las durezas iniciadoras de las grietas.Durante la operacin de estas centrales, en este tipo de calderas se debe prestar especial atencin a lo siguiente:-Debe seguirse un procedimiento estricto de conservacin durante periodos de paradas prolongadas, para evitar que el agua que se nos quede en los tubos pueda corroer los materiales.-Se debe establecer procedimientos peridicos de limpieza qumica, para eliminar incrustaciones y acumulaciones de material no deseado.-Debe seguirse el procedimiento de operacin en arranques rpidos, para evitar posibles problemas.-Se debe disponer de un plan de inspecciones peridicas en aquellas soldaduras de tubo a colector sometidas a mayor grado de fluencia o fatiga trmica, colectores de salida del sobrecalentador y recalentador y colector de entrada al economizador.-Debe vigilarse cuidadosamente los parmetros qumicos del agua de alimentacin, especialmente el contenido de oxgeno y la posible contaminacin por roturas de tubos en el condensador, para evitar corrosiones.-En las revisiones mayores se debe inspeccionar interiormente algn tubo de los evaporadores en la parte alta, para ver si han formado depsitos slidos que impidan una correcta transmisin del calor.-Se deben respetar las rampas de subida y bajada de temperaturas recomendadas por el fabricante.-Debe mantenerse un flujo continuo de agua en el economizador durante los arranques para evitar los choques trmicos en el colector de entrada. Asimismo, debe controlarse la presin en el economizador a bajas cargas para evitar la formacin de vapor.-Debe vigilarse que los indicadores de tensin de los soportes de las tuberas principales estn dentro del rango de valores admisibles.2)Calderas de recuperacin de calor verticales.

Figura 4.Caldera VerticalEste tipo de calderas son parecidas en su configuracin a las calderas convencionales, constan de una estructura sobre la que apoyan los calderines y de la que cuelgan los soportes de los haces horizontales de tubos. En estas calderas, los tubos dilatan mejor, no estn sometidos a tensiones trmicas tan elevadas, y son ms accesibles para inspeccin y mantenimiento.

Algunas calderas verticales tienen circulacin forzada, otras circulacin asistida en los arranques, y la tendencia es a disearlas con circulacin natural, lo que implica elevar la posicin de los calderines para conseguir que la diferencia de densidad entre la columna de agua de los tubos de bajada del colector o down commers y de los tubos de salida del colector del evaporador al caldern o risers, asegure la circulacin a travs de los tubos evaporadores horizontales.

En este tipo de calderas el aislamiento suele ser interior, con proteccin de la capa aislante, o mixto, con recubrimiento interno de fibra cermica en la parte superior donde los gases son ms fros.

Aunque operacionalmente estas calderas no son tan especiales, las exigencias de control de calidad durante la construccin y la pureza del agua de alimentacin son requisitos similares a los de las calderas horizontales, as como las limitaciones y precauciones en subidas y bajadas de carga.

La forma normal de operacin en este tipo de calderas es enpresin deslizante, donde la presin del vapor flucta de acuerdo con el flujo de vapor, permaneciendo completamente abiertas las vlvulas de la turbina. Esta forma de operacin maximiza el rendimiento de la caldera a cargas parciales, ya que si decrece la produccin de vapor, al reducirse el caudal y la temperatura de los gases de escape de la turbina de gas, tambin se reduce la presin, y con ella la temperatura de saturacin, con lo que se consigue una alta vaporizacin y la recuperacin de la mayor parte de la energa de los gases.3)Calderas de un solo paso o OTSG (One Time Steam Generator)

Figura 5. Caldera OTSGEn este tipo de calderas el agua pasa una sola vez por caldera, dando nos la temperatura y presin deseadas, suelen ser utilizadas para procesos industriales, parecen tener un buen futuro por sus propiedades de operacin y mantenimiento que son ms sencillas que los dos tipos anteriores.BOP (Balance of Plant)

El BOP (balance of plant) est compuesto por todos aquellos sistemas auxiliares que forman parte de una central de ciclo combinado, que son imprescindibles para el correcto funcionamiento, pero que no forman parte del tren de potencia, la caldera, el ciclo agua vapor y los sistemas elctricos. Por tanto, el BOP est compuesto por toda una serie de sistemas muy heterogneos, que asisten a los sistemas principales.Sistemas incluidos en el BOPLos sistemas que forman parte del BOP son generalmente los siguientes:

1. SISTEMA DE REFRIGERANCIN PRINCIPAL O MAIN COOLING WATER (MCW).2. SISTEMA DE REFRIGERACIN DE EQUIPOS O CLOSE COOLING WATER (CCW).3. PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA (PTA).4. ESTACIN DE REGULACIN Y MEDIDA DE GAS (ERM).5. SISTEMA DE TRATAMIENTO DE VERTIDOS (PTE).6. SISTEMA CONTRA-INCENDIOS.7. SISTEMA DE DEPURACIN DE COMBUSTIBLES LQUIDOS.8. SISTEMA DE PRODUCCIN DE AIRE COMPRIMIDO.Sistema de Refrigeracin Principal o Main Cooling Water (MCW)

NDICE:1. REFRIGERACIN POR CAPTACIN DIRECTA..2. REFRIGERACIN POR CIRCUITO SEMIABIERTO (TORRES DE REFRIGERACIN).3. REFRIGERACIN CON AEROCONDENSADORES.Las centrales trmicas necesitan ser refrigeradas, ya que la combustin genera ms energa trmica que la que la planta es capaz de transformar en energa elctrica. El vapor es el fluido calor portador que se utiliza para transportar la energa trmica hasta la turbina de vapor. Una vez utilizado, el vapor se convierte en vapor muerto, y debe transformarse de nuevo en agua lquida, para que pueda recibir otra vez la transferencia de calor de la caldera de recuperacin.Como el rendimiento es del 55-58%, una central de ciclo combinado necesita evacuar al menos el 42-45% de su potencia trmica total. Las tcnicas convencionales para esta evacuacin son tres: circuito abierto, circuito semiabierto con torres de refrigeracin y aerocondensacin.1. REFRIGERACIN POR CAPTACIN DIRECTA.Es la tcnica ms barata de las tres. Consiste en la captacin directa de agua del caudal pblico, ro, lago o mar, que atraviesa el condensador y es devuelta al medio despus de sufrir un salto trmico. La energa evacuada se puede calcular en funcin del caudal circulante y el salto trmico. Adems de ser la tcnica ms barata y ms sencilla de implantar, tambin es la que consigue una menor temperatura en el condensador. Al ser la temperatura menor, se condensa mayor cantidad de vapor y el nivel de vaco en el condensador es mayor. Esto se traduce en que el foco fro de la turbina de vapor es mayor (el salto trmico entre la entrada y la salida de la turbina), por lo que hay ms energa disponible para mover la turbina, generndose ms energa en la turbina de vapor, y por tanto, en la planta. Aproximadamente, una central refrigerada por captacin directa tiene una potencia de unos 5 MW superior a la misma central refrigerada por torre de refrigeracin, y unos 10 MW ms que si la refrigeracin fuera por aerocondensadores, para una planta tipo de unos 400 MW de potencia.Los principales problemas de este sistema de refrigeracin son:1) Al ser el caudal tan alto, la energa para bombear el agua desde el cauce del que se toma tambin es alta. Por ello, la central debe estar muy prxima al cauce, ya que de no ser as la energa de bombeo es muy alta incluso superior a la ganancia en potencia.2) El tamao de las tuberas que se necesitan para llevar el agua hasta la central y devolverla al cauce pblico tambin es muy grande. Las obras necesarias para la construccin de estas conducciones son muy importantes. De nuevo, por esta razn las plantas deben estar muy cercanas al cauce, ya que la obra puede encarecerse enormemente.3) Las cuencas fluviales difcilmente disponen de los caudales necesarios, por lo que su uso se restringe a plantas situadas muy cercada de la costa, y toman por tanto agua de mar.4) Tienen un impacto ambiental mayor que los otros sistemas, por la elevacin de la temperatura y por el mayor vertido de productos qumicos biocidas para evitar la proliferacin de especies biolgicas en las instalaciones. Con el fin de no daar los ecosistemas marinos suelen existir dos limitaciones trmicas: que el salto no supere en ningn caso los 3C, y que la temperatura total del agua no llegue a los 30C en ningn momento.La refrigeracin por captacin directa necesita de los siguientes elementos:1) Tuberas de captacin.2) Balsa.3) Bombas de impulsin.4) Circuito interior de impulsin.5) Condensador.6) Circuito interior de retorno.7) Canal de descarga o emisario submarino.2. REFRIGERACIN POR CIRCUITO SEMIABIERTO (TORRES DE REFRIGERACIN).Cuando por razones de disponibilidad de agua, razones legislativas o medio-ambientales no se puede disponer de un cauce pblico del que extraer el agua fra y devolverla a mayor temperatura, se emplea un circuito semiabierto con torres de refrigeracin. La principal ventaja es que el aporte de agua es mucho menor, y por tanto, el impacto medioambiental de las centrales con torre de refrigeracin tambin lo es. El inconveniente es que el foco fro de la turbina de vapor, el condensador, est a un nivel energtico mayor, por lo que el salto trmico es menor y el rendimiento de este tipo de centrales es tambin menor que en circuito abierto.Existen 3 tipos de torres de refrigeracin:1) La torre de tiro inducido, es la ms usada en instalaciones de gran tamao. El agua caliente procedente de la refrigeracin se deja caer por el interior de la torre mediante un sistema de distribucin de agua, que debe caer uniformemente sobre la torre. En la parte superior se sitan unos grandes ventiladores que hacen que el aire circule a contracorriente del agua. El fenmeno de cesin de calor se debe a que al entrar en contacto el agua caliente con el aire se forma una pelcula de aire hmedo alrededor de cada gota. El agua que pasa al aire, y por tanto se evapora, extrae el calor necesario para la evaporacin del propio lquido y produce por tanto un enfriamiento del mismo. Por lo parte superior sale el aire hmedo, visible si las condiciones ambientales dificultan la disolucin de este vapor en el aire (fro intenso o humedad relativa alta). Este vapor visible se denomina penacho o pluma.

Figura 1. Torre de tiro inducido.Una de las principales ventajas de este tipo de torre es que puede ser bastante baja, disminuyendo as la energa requerida para el bombeo de agua a las partes altas de la torre.Los elementos que componen una torre de refrigeracin son prcticamente los mismos para las de tipo forzado e inducido. Los ms importantes son los siguientes:a)Separador de gotas: El separador de gotas tiene la finalidad de detener las gotas de agua que arrastra la corriente de aire al salir de la torre. Este objetivo se consigue mediante un cambio brusco de la direccin (60 es la ms efectiva) del aire al salir. Esta variacin provoca que el agua arrastrada se deposite sobre la superficie del separador de gotas, cayendo posteriormente al relleno. La existencia del separador tiene las ventajas de reduccin de perdidas de agua, evita daos en el entorno de la torre, sobre todo si el agua de la torre es salada y limita la formacin de neblinas.b)Sistema de distribucin de agua a enfriar: Este sistema de tuberas y conductores tiene la finalidad de repartir uniformemente el flujo de agua por encima del relleno. Existen dos mtodos de reparto: por gravedad o por presin. En el primero el agua caliente cae sobre el relleno por su propio peso. Su funcionamiento consiste en llevar hasta una balsa colocada sobre el relleno el agua caliente y una vez all se reparte por unos canales que dejan caer el agua por gravedad sobre unas piezas en forma de herradura que sirven de enlace entre los canales y el relleno. En el segundo, la tubera que contiene el agua con cierta presin, suministrada por las bombas de impulsin del circuito de refrigeracin, se conduce por tuberas hasta unos aspersores, que rocan el relleno con pequeas gotas.c)Relleno: Tiene una vital importancia para el intercambio de calor, ya que debe proporcionar, una superficie de intercambio lo ms grande posible entre el agua que cae y el aire que asciende y retardar el tiempo de cada del agua, asegurando una mayor duracin del proceso de intercambio.Las caractersticas que un relleno debe tener son:Se debe realizar con un material de bajo coste debido a la cantidad empleada, y debe ser de fcil colocacin.1. La superficie del mismo debe ser la mayor posible en relacin con su volumen.2. Su diseo debe permitir fcilmente el paso del aire entre l, de forma que ofrezca la menor resistencia y perdida de carga. As mismo debe distribuir uniformemente el aire y el agua.3. Debe ser resistente al deterioro ambiental y qumico, y fcil de limpiar.Existen tres formas distintas de realizar el reparto de agua a travs del relleno: por salpicadura o goteo, de pelcula o laminares y de tipo mixto. Cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes por lo que se tiende a utilizar cada tipo de relleno dependiendo de las caractersticas de uso y diseo de la torre. Los ms habituales son los de pelcula o laminados. Este relleno distribuye el agua en una fina pelcula que fluye por su superficie y por consiguiente pone una gran superficie de agua en contacto con la corriente de aire. La pelcula de agua debe ser muy delgada y cubrir la mayor superficie posible del relleno, y debe procurarse que el agua descienda adherida a la superficie del relleno evitando que la corriente del aire separe el agua del relleno. Para conseguir estos objetivos se realizan grupos de lminas onduladas de PVC colocadas de forma paralela y a cierta distancia formando cubos para favorecer su apilado.d)Ventiladores: Estos equipos trabajan en condiciones duras, debido a que estn continuamente en funcionamiento, en un clima de elevada humedad y temperatura. Son los encargados de crear el flujo de aire. El equipo completo se compone de motor, transmisin y aspas. Los motores de las torres de refrigeracin deben estar convenientemente protegidos de la humedad, de la atmsfera contaminada por los aditivos del agua. Suelen llevar un aislamiento de tipo B, aislado para temperaturas de hasta 120 C o tipo F, aislado para temperaturas de hasta 140 C, y siempre que sea posible el motor ha de colocarse resguardado de las corrientes de aire caliente y saturado, mediante su correspondiente sistema de transmisin, existiendo diferentes tipos de transmisin dependiendo de las necesidades de construccin. Las aspas suelen ser de plstico o similar debido a su bajo coste, ligereza y resistencia a la corrosin. El nmero de aspas influye directamente sobre la presin que ejerce en ellas: a mayor nmero de aspas menor presin. Igualmente, un nmero mayor de aspas supone facilidades para un ptimo equilibrado, para evitar posibles problemas de vibraciones, se recomienda cada tres o cuatro aos un equilibrado del ventilador debido a la posible erosin de las aspas, corrosin o a la deposicin de suciedad. Se puede variar el ngulo de ataque de stas fcilmente.e)Bombas de impulsin: Las bombas se utilizan para que el agua ya enfriada alcance presin suficiente como para llegar a los diferentes elementos a enfriar y posteriormente para subir el agua ya calentada a la parte superior de la torre, cerrando el circuito. El conjunto de bombas debe cumplir con los requerimientos de la instalacin (caudal y altura manomtrica).f)Balsa:Situada en la parte inferior de la torre, es el depsito de agua fra de la torre.g)Sistema de agua de aporte: La evaporacin de agua en la torre provoca una disminucin del volumen de agua en sta. Por otro lado, la concentracin de sales en el agua se controla con un rgimen de purgas adecuado. La evaporacin y las purgas hacen que sea necesario el aporte casi constante de agua.2) Las torres evaporativas de tiro forzadoestn generalmente dotadas de un ventilador con su eje horizontal en el lado de la torre, el cual descarga aire hacia atrs. El flujo de aire es dirigido despus hacia arriba por mamparas, hacindolo pasar a travs de la corriente descendente del agua, despus de lo cual es descargado por la parte superior a travs de un sistema que elimina el roco. Ya que la totalidad de la superficie de la parte superior de la torre es usada para la descarga de aire, la velocidad del aire de salida es ms baja que las velocidades de descarga de la torres de tiro inducido. Los elementos que componen estas torres son prcticamente los mismos que los que componen las torres de tiro inducido. En las torres de tiro inducido natural, el aire se mueve por el efecto chimenea. No se consume ningn tipo de energa para efectuar el movimiento de este aire. Son particularmente seguras en su funcionamiento y generalmente se emplean para el enfriamiento de grandes caudales de agua. Ocupan un volumen mayor a igualdad de capacidad de enfriamiento que las torres de tiro inducido o forzado esto se debe a que las velocidades del aire son frecuentemente bajas. No son muy habituales en las centrales de ciclo combinado.

Figura 2. Torres tiro forzado.3) Las torres de tiro naturalel aire se mueve por el efecto chimenea. No se consume ningn tipo de energa para efectuar el movimiento de este aire. Son particularmente seguras en su funcionamiento y generalmente se emplean para