El enfriamiento del aire de entrada de la turbina es un grupo 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 ambiente altas que suelen coincidir con el período de demanda máxima. [2]
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Las turbinas de gas toman aire ambiental filtrado y fresco y lo comprimen en la etapa de compresión. 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 en una turbina y producen el trabajo de salida del eje que generalmente se utiliza para hacer girar un generador eléctrico y también para alimentar la etapa de compresión.
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 es fijo para una velocidad de eje dada (rpm). Por lo tanto, el flujo másico de aire en la cámara está directamente relacionado con la densidad del aire y el volumen introducido.
donde es la masa, es la densidad y es el volumen del gas. Como el volumen es fijo, solo se puede modificar la densidad del aire para variar la masa del aire. La densidad del aire depende de la humedad relativa , la altitud , la caída de presión y la temperatura.
dónde:
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 reducir las potencias nominales 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 del aire de entrada.
Existen diferentes tecnologías disponibles en el mercado. Cada tecnología en particular tiene sus ventajas e inconvenientes según diferentes factores, como las condiciones ambientales, el costo de la inversión y el tiempo de recuperación, el aumento de la potencia de salida y la capacidad de refrigeración.
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 normalmente a 2000 psi (138 bar) y luego se inyecta en el conducto de entrada de aire a través de una serie de boquillas de niebla de acero inoxidable. El agua desmineralizada se utiliza para evitar que las aspas del compresor se ensucien, lo que ocurriría si se evaporara agua con contenido mineral en el flujo de aire. Los sistemas de niebla suelen producir una pulverización de agua, y aproximadamente el 90 % del flujo de agua se presenta en gotas de 20 micrones de diámetro o menos. [6]
La nebulización de entrada se utiliza comercialmente desde finales de los años 1980 y es una tecnología de modernización popular. En 2015, había más de 1000 sistemas de nebulización de entrada instalados en todo el mundo. [7] Los sistemas de nebulización de entrada son “simples, fáciles de instalar y operar” y menos costosos que otros sistemas de aumento de potencia, como los enfriadores y enfriadores evaporativos. [8]
La nebulización de entrada es la opción de enfriamiento de aire de entrada de turbinas de gas menos costosa y tiene bajos costos operativos, en particular cuando se tiene en cuenta el hecho de que los sistemas de nebulización 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 generalmente se ubican en el conducto de entrada de aire justo aguas abajo 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 22,2 °C (40 °F), mientras que en un clima húmedo, el potencial de enfriamiento en una tarde calurosa puede ser de tan solo 5,6 °C (10 °F) o menos. Sin embargo, existen muchas instalaciones exitosas de nebulización de entrada 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]
Los sistemas de niebla se pueden utilizar para producir más energía que la que se puede obtener con el enfriamiento por evaporación únicamente. Esto se logra rociando más niebla de la necesaria para saturar completamente el aire de entrada. Las gotas de niebla sobrantes se llevan al compresor de la turbina de gas, donde se evaporan y producen un efecto de interenfriamiento, lo que da como resultado un aumento adicional de la potencia. Esta técnica se empleó por primera vez en una turbina de gas experimental en Noruega en 1903. Hay muchos sistemas exitosos en funcionamiento en la actualidad. [14]
Varios fabricantes de turbinas de gas ofrecen sistemas de nebulización y compresión húmeda. También hay sistemas disponibles de otros fabricantes.
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] De manera similar al sistema de nebulización, el límite teórico es la temperatura del bulbo húmedo, pero el rendimiento del enfriador evaporativo suele rondar el 80%. El consumo de agua es menor que el del enfriamiento por nebulización.
En una tecnología de enfriador de compresión mecánica , el refrigerante circula a través de un intercambiador de calor de serpentín de enfriamiento que se inserta en la cámara de filtrado, aguas abajo de la etapa de filtrado. Aguas abajo del serpentín, se instala un colector de gotas para recolectar humedad y gotas de agua. El enfriador mecánico puede aumentar la salida y el rendimiento de la turbina mejor que las tecnologías humedecidas debido al hecho de que el aire de entrada se puede enfriar por debajo de la temperatura del bulbo húmedo, indiferente a las condiciones climáticas. [16] El equipo de enfriador de compresión tiene un mayor consumo de electricidad que los sistemas evaporativos. El costo de capital inicial también es más alto, sin embargo, el aumento de potencia y la eficiencia de la turbina se maximizan, 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 parásito del sistema. La configuración de contraflujo en serie puede reducir el trabajo del compresor necesario en cada enfriadora, mejorando el sistema enfriador en general hasta en un 8 %. [17]
En la industria también se utilizan otras opciones como la compresión impulsada por vapor. [18]
En la tecnología de enfriadores por absorción de vapor , se utiliza energía térmica para producir enfriamiento en lugar de energía mecánica. La fuente de calor suele ser vapor sobrante proveniente del ciclo combinado, y se desvía para impulsar el sistema de enfriamiento. En comparación con los enfriadores mecánicos, los enfriadores por absorción tienen un coeficiente de rendimiento bajo , sin embargo, debe tenerse en cuenta que este enfriador generalmente utiliza calor residual, lo que disminuye el costo operativo. [19]
Un tanque de almacenamiento de energía térmica es un acumulador térmico estratificado naturalmente que permite almacenar agua fría producida en horas valle, para utilizar esta energía posteriormente en horas punta para enfriar el aire de entrada a 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 refrigerante. [20] Una ventaja es la producción de agua fría cuando la demanda es baja, utilizando el exceso de generación eléctrica, que suele coincidir con la noche, cuando la temperatura ambiente es baja y las enfriadoras tienen un 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, que produce retrasos durante los períodos de baja demanda.
En las zonas donde hay demanda de refrigeración, los períodos pico diarios de verano coinciden con las temperaturas atmosféricas más altas, lo que puede reducir la eficiencia y la potencia de las turbinas de gas. Con las tecnologías de compresión mecánica de vapor, se puede utilizar la refrigeración durante estos períodos para que el rendimiento y la potencia de la turbina se vean menos afectados por las condiciones ambientales.
Otro beneficio es el menor costo por kilovatio adicional de enfriamiento de entrada en comparación con el kilovatio de turbina de gas recién instalado [ cita requerida ] . Además, el kilovatio adicional de enfriamiento de entrada 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, NO x , CO 2 ), [21] y el aumento de la relación entre potencia y volumen instalado.
Para calcular los beneficios del enfriamiento por aire con turbinas es necesario realizar un estudio para determinar los períodos de recuperación de la inversión, tomando en consideración diversos aspectos como las condiciones ambientales, el costo del agua, los valores de demanda eléctrica por hora y el costo del combustible. [22]
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