La refrigeración por aire de entrada de la turbina es un conjunto de tecnologías y técnicas que consisten en enfriar el aire de entrada de la turbina de gas . La consecuencia directa de enfriar el aire de entrada de la turbina es el aumento de la potencia de salida. También puede mejorar la eficiencia energética del sistema. [1] Esta tecnología se utiliza ampliamente en climas cálidos con temperaturas ambientales elevadas que suelen coincidir con el período de máxima demanda. [2]
Principios
Las turbinas de gas toman aire ambiente fresco filtrado y lo comprimen en la etapa del compresor. El aire comprimido se mezcla con combustible en la cámara de combustión y se enciende. Esto produce un flujo de gases de escape a alta temperatura y alta presión que ingresan a una turbina y producen la salida de trabajo del eje que generalmente se usa para encender un generador eléctrico y para alimentar la etapa del compresor.
Como la turbina de gas es una máquina de volumen constante, el volumen de aire introducido en la cámara de combustión después de la etapa de compresión se fija para una determinada velocidad del eje (rpm). Por lo tanto, el flujo másico de aire está directamente relacionado con la densidad del aire y el volumen introducido.
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dónde es la masa, es la densidad y es el volumen del gas. Como el volumen es fijo, solo densidad del aire se puede modificar para variar la masa de aire. La densidad del aire depende de la humedad relativa , la altitud , la caída de presión y la temperatura.
dónde:
- Densidad del aire húmedo (kg / m³)
- Presión parcial de aire seco (Pa)
- Constante de gas específica para aire seco, 287.058 J / (kg · K)
- Temperatura (K)
- Presión de vapor de agua (Pa)
- Constante de gas específica para vapor de agua, 461,495 J / (kg · K)
- Masa molar de aire seco, 0.028964 (kg / mol)
- Masa molar de vapor de agua, 0.018016 (kg / mol)
- Constante universal de gas , 8,314 J / (K · mol)
El rendimiento de una turbina de gas, su eficiencia ( tasa de calor ) y la potencia generada dependen en gran medida de las condiciones climáticas, que pueden disminuir la potencia nominal de salida hasta en un 40%. [4] Para operar la turbina en condiciones ISO [5] y recuperar el rendimiento, se han promovido varios sistemas de enfriamiento de aire de entrada.
Tecnologías aplicadas
Hay diferentes tecnologías disponibles en el mercado. Cada tecnología en particular tiene sus ventajas e inconvenientes de acuerdo con diferentes factores, como las condiciones ambientales, el costo de inversión y el tiempo de recuperación, el aumento de la producción de energía y la capacidad de enfriamiento.
Empañamiento
La nebulización del aire de entrada consiste en rociar agua finamente atomizada (niebla) en el flujo de aire de entrada de un motor de turbina de gas. Las gotas de agua se evaporan rápidamente, lo que enfría el aire y aumenta la potencia de salida de la turbina.
El agua desmineralizada se presuriza típicamente a 2000 psi (138 bar) y luego se inyecta en el conducto de aire de entrada a través de una serie de boquillas de niebla de acero inoxidable. El agua desmineralizada se utiliza para evitar el ensuciamiento de las palas del compresor que se produciría si el agua con contenido mineral se evaporara en el flujo de aire. Los sistemas de niebla típicamente producen un rocío de agua, con aproximadamente el 90% del flujo de agua en gotas de 20 micrones de diámetro o más pequeñas. [6]
La nebulización de entrada se ha utilizado comercialmente desde finales de la década de 1980 y es una tecnología de modificación popular. En 2015, había más de 1000 sistemas de niebla de entrada instalados en todo el mundo. [7] Los sistemas de niebla de entrada son “simples, fáciles de instalar y operar” y menos costosos que otros sistemas de aumento de potencia como enfriadores y enfriadores evaporativos. [8]
La nebulización de entrada es la opción de enfriamiento de aire de entrada de turbina de gas menos costosa y tiene bajos costos operativos, particularmente cuando se tiene en cuenta el hecho de que los sistemas de niebla imponen solo una caída de presión insignificante en el flujo de aire de entrada en comparación con los enfriadores evaporativos de tipo medio. [9] [10]
Los colectores de boquillas de niebla se ubican típicamente en el conducto de entrada de aire justo después de los filtros de aire finales, pero pueden ser deseables otras ubicaciones dependiendo del diseño del conducto de entrada y el uso previsto del sistema de niebla. [11]
En una tarde calurosa en un clima desértico, es posible enfriar hasta 40 ° F (22.2 ° C), mientras que en un clima húmedo el potencial de enfriamiento en una tarde calurosa puede ser de solo 10 ° F (5.6 ° C) o menos. . Sin embargo, hay muchas instalaciones de nebulización de entrada exitosas en climas húmedos como Tailandia, Malasia y los Estados del Golfo de Estados Unidos. [12]
La nebulización de entrada reduce las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) porque el vapor de agua adicional apaga los puntos calientes en las cámaras de combustión de la turbina de gas. [13]
Compresión húmeda
Los sistemas de niebla se pueden utilizar para producir más energía de la que se puede obtener mediante el enfriamiento evaporativo solo. Esto se logra rociando más niebla de la necesaria para saturar completamente el aire de entrada. El exceso de gotas de niebla se transporta al compresor de la turbina de gas, donde se evapora y produce un efecto de enfriamiento intermedio, que da como resultado un aumento de potencia adicional. Esta técnica se empleó por primera vez en una turbina de gas experimental en Noruega en 1903. Actualmente existen muchos sistemas exitosos en funcionamiento. [14]
Varios fabricantes de turbinas de gas ofrecen sistemas de compresión húmeda y de nebulización. Los sistemas también están disponibles de otros fabricantes.
Enfriamento evaporativo
El enfriador evaporativo es un medio rígido humedecido donde el agua se distribuye por todo el cabezal y donde el aire pasa a través de la superficie porosa húmeda. Parte del agua se evapora, absorbiendo el calor sensible del aire y aumentando su humedad relativa. La temperatura del bulbo seco del aire disminuye, pero la temperatura del bulbo húmedo no se ve afectada. [15] Al igual que en el sistema de nebulización, el límite teórico es la temperatura de bulbo húmedo, pero el rendimiento del enfriador evaporativo suele rondar el 80%. El consumo de agua es menor que el del enfriamiento por nebulización.
Enfriador de compresión de vapor
En una compresión mecánica enfriador tecnología, el refrigerante se hace circular a través de un intercambiador de calor de bobina refrigeración que se inserta en la casa filtro, aguas abajo de la etapa de filtrado. Aguas abajo del serpentín, se instala un colector de gotas para recolectar la humedad y las gotas de agua. El enfriador mecánico puede aumentar la potencia y el rendimiento de la turbina mejor que las tecnologías húmedas debido al hecho de que el aire de entrada se puede enfriar por debajo de la temperatura de bulbo húmedo, indiferente a las condiciones climáticas. [16] Los equipos enfriadores de compresión tienen un mayor consumo de electricidad que los sistemas evaporativos. El costo de capital inicial también es más alto, sin embargo, se maximiza el aumento de potencia y la eficiencia de la turbina, y el costo adicional se amortiza debido al aumento de la potencia de salida.
La mayoría de estos sistemas involucran más de una unidad enfriadora y la configuración de las enfriadoras puede tener una gran influencia en el consumo de energía parásita del sistema. La configuración de contraflujo en serie puede reducir el trabajo del compresor necesario en cada enfriador, mejorando el sistema general del enfriador hasta en un 8%. [17]
Otras opciones, como la compresión impulsada por vapor, también se utilizan en la industria. [18]
Enfriador de absorción de vapor
En la tecnología de enfriadores por absorción de vapor , la energía térmica se utiliza para producir refrigeración en lugar de energía mecánica. La fuente de calor suele ser el vapor sobrante procedente del ciclo combinado y se pasa por alto para impulsar el sistema de refrigeración. En comparación con los enfriadores mecánicos, los enfriadores de absorción tienen un bajo coeficiente de rendimiento , sin embargo, se debe tener en cuenta que este enfriador generalmente utiliza calor residual, lo que disminuye el costo operativo. [19]
Combinación con almacenamiento de energía térmica
Un tanque de almacenamiento de energía térmica es un acumulador térmico estratificado naturalmente que permite el almacenamiento de agua enfriada producida durante las horas pico, para usar esta energía más tarde durante las horas pico para enfriar el aire de entrada de la turbina e incrementar su potencia de salida. Un tanque de almacenamiento de energía térmica reduce el costo operativo y la capacidad de la planta de refrigerante. [20] Una ventaja es la producción de agua fría cuando la demanda es baja, aprovechando el exceso de generación de energía, que suele coincidir con la noche, cuando la temperatura ambiente es baja y las enfriadoras tienen mejor rendimiento. Otra ventaja es la reducción de la capacidad de la planta de enfriamiento y el costo operativo en comparación con un sistema de enfriamiento en línea, lo que produce retrasos en períodos de baja demanda.
Beneficios
En áreas donde hay demanda de enfriamiento, los periodos de alta demanda de verano coinciden con las temperaturas atmosféricas más altas, lo que puede reducir la eficiencia y potencia de las turbinas de gas. Con las tecnologías de compresión mecánica de vapor, la refrigeración se puede utilizar durante estos períodos para que el rendimiento y la potencia de salida de la turbina se vean menos afectados por las condiciones ambientales.
Otro beneficio es el menor costo por kilovatio de enfriamiento de entrada adicional en comparación con el kilovatio de la turbina de gas recién instalada [ cita requerida ] . Además, el kilovatio de enfriamiento de entrada adicional utiliza menos combustible que el nuevo kilovatio de turbina debido a la menor tasa de calor (mayor eficiencia) de la turbina enfriada. Otros beneficios pueden incluir el incremento del flujo másico de vapor en un ciclo combinado , la reducción de las emisiones de la turbina (SOx, NOx, CO2), [21] y el aumento de la relación potencia / volumen instalado.
El cálculo de los beneficios de la refrigeración por aire de la turbina requiere un estudio para determinar los períodos de recuperación, teniendo en cuenta varios aspectos como las condiciones ambientales, el costo del agua, los valores de demanda eléctrica por hora, el costo del combustible. [22]
Ver también
Referencias
- ^ "ASOCIACIÓN DE REFRIGERACIÓN TURBINEINLET" .
- ^ Ali Al-Alawi y Syed Islam. "ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA ELÉCTRICA PARA SISTEMAS DE SUMINISTRO ELÉCTRICO DE ÁREA REMOTA INCLUIDOS LOS MODELOS DE DESALINIZACIÓN DE AGUA Y GESTIÓN DEL LADO DE LA DEMANDA" (PDF) . Centro de Energías Renovables y Tecnologías Sostenibles de Australia.
- ^ Ecuaciones: densidad del aire y altitud de densidad
- ^ GE. "Refrigeración por aire de entrada" (PDF) .
- ^ John Zactruba; Lamar Stonecypher. "¿Qué es la clasificación ISO de las turbinas de gas?" .
- ^ C. Meher-Homji, T. Mee, 2000. "Aumento de la potencia de la turbina de gas por nebulización del aire de entrada". Actas del 28 ° Simposio de turbomaquinaria (2000), Texas A & M. Turbolab
- ^ S. Savic, B. Hemminger, T. Mee "Aplicación de alto empañamiento para turbinas de gas Alstom", Actas de PowerGen noviembre de 2013. Alto empañamiento
- ^ "Opciones de enfriamiento de entrada" Turbomachinery international, mayo de 2010 Opciones de enfriamiento de entrada
- ^ "Empañar o no empañar: ¿Cuál es la respuesta?" Diario de ciclo combinado, tercer trimestre de 2008. Diario de ciclo combinado
- ^ S. Savic, M. Stevens, 2014. "Tecnologías de enfriamiento de entrada de aire de turbina de gas para aumento de potencia en las regiones del Golfo / Oriente Medio" Penwell
- ^ M. Chaker, T. Mee. “Consideraciones de diseño de sistemas de nebulización y compresión húmeda como [a] función de las configuraciones del conducto de entrada de la turbina de gas”. Actas de ASME Turbo Expo. Junio de 2015
- ^ T. Mee. "Nebulización de aire de entrada de turbina de gas para ambientes húmedos". The Singapore Engineer, mayo de 2015, pág. 30. Ingeniero de Singapur
- ^ T Mee, 1999. “Reducción de las emisiones de NOX de las turbinas de gas por nebulización del aire de entrada” 18ª Conferencia Anual de Sistemas de Energía, Irán. Irandanesh
- ^ S. Savic, B. Hemminger, T. Mee, Aplicación de alto empañamiento para turbinas de gas Alstom Procedimientos de PowerGen noviembre de 2013. Alto empañamiento
- ^ RS JOHNSON, Sr., PE (5 al 9 de junio de 1988). Teoría y funcionamiento de enfriadores evaporativos para instalaciones de turbinas de gas industriales . Amsterdam: Congreso y Exposición de Turbinas de Gas y Aeromotores.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Kamal NA, Zuhair AM (2006). Mejora de la potencia de la turbina de gas mediante la refrigeración del aire de entrada . Sudán Eng. Soc. J., 52 (4-6): 7-14.
- ^ Green, Stephen (mayo de 2015). "Lograr un beneficio económico óptimo del enfriamiento de la entrada de aire" (PDF) . Ingeniería energética : 42–47.
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- ^ Departamento de Energía de EE. UU. (Enero de 2012). "Vapor residual de baja calidad para enfriar los enfriadores de absorción" (PDF) .
- ^ "Tanque TES: Cómo funciona" .
- ^ Powergenu. "Enfriamiento de entrada de turbina: una solución energética que es mejor para el medio ambiente, los contribuyentes y los propietarios de plantas" (PDF) .
- ^ William E. Stewart, Jr., PE (septiembre de 2008). "Refrigeración por aire de entrada de turbina" (PDF) . REVISTA DE ASHRAE.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
enlaces externos
- Asociación de Enfriamiento de Turbinas Inel
- Conceptos básicos de la tasa de calor
- Técnicas de demanda máxima
- ASHRAE Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado
- Agencia Internacional de Energía