Guía de la cogeneración con turbogenerador y turbina de gas

La cogeneración con turbogenerador: la turbina de gas para aplicaciones termoeléctricas

Guía de la Cogeneración 4 LA COGENERACIÓN CON TURBOGENERADOR: LA TURBINA DE GAS PARA APLICACIONES TERMOELÉCTRICAS O A Thermal energy Losses Cogeneration unit Thermal energy LOSSES LOSSES co LOSSES COZ Coal Fired Central Power Plant Efficiency 40% COAL 25 MJ/S Cogeneration Plant Efficiency 85% F Electricity from Grid ELECTRIC POWER 10 MW Electricity NATURAL GAS HIM OIL 16.8 MJ/s Oil Fired Boiler Efficiency 85% Steam Steam NER Figura 1. Diagrama de producción energética.

Cuando la cantidad de calor que se va a emplear en el proceso es notable y/o se requiere una alta disponibilidad o fiabilidad en el sumi- nistro, la tecnología con turbina de gas resulta adecuada. Si compa- ramos una planta industrial que compra energía eléctrica procedente de una central térmica y produce su vapor de proceso en una caldera convencional, el primer factor destacable es que su diferencial en efi- ciencia global es cercano al 27%. La producción simultánea de elec- tricidad y calor otorga a la planta un suministro continuo de calidad que no sólo reduce las emisiones de CO2 en un 75% sino que beneficia al industrial con un notable ahorro de sus costes energéticos. Con la turbina de gas además, la actividad de la fábrica no cambia puesto que su manejo es prácticamente autogestionado.

La cogeneración con turbina de gas contribuye a un desarrollo soste- nible: no sólo proporciona ahorros de más de un 40% a las industrias frente a la generación convencional por su alta eficiencia térmica, sino que con ella se reducen considerablemente las emisiones de CO2 y son muy bajas las emisiones de NOx, porque, aunque el combustible más común usado en turbinas de gas sea el gas natural o el diesel, esta máquina también puede quemar biogás, gas de vertedero, gas de mina, gas de síntesis, etc., convirtiendo en energía útil aquello que sería nocivo para el medio ambiente.

67A Losses C O Losses Thermal energy Losses Cogeneration unit Thermal energyy Guía de la Cogeneración

Componentes y funcionamiento del turbogenerador

Un turbogenerador es un conjunto de elementos principales (turbina de gas, reductor de velocidad y generador eléctrico) y elementos auxiliares (sistemas de gas, lubricación, control, filtrado de aire, etc.) que suelen alojarse en un cerramiento acústico total o parcialmente -que puede estar ubicado en intemperie- donde se han montado los elementos y sus conexiones.

Foto 1. Planta de cogeneración a ciclo simple en empresa alimentaria.

El turbogenerador tiene la misión de proporcionar energía eléctrica y energía térmica de forma simultánea y continua. La capacidad electrotérmica del turbogenerador (ver Fig. 2) vendrá dada según la turbina de gas (0) que aloje, que es su elemento principal, pero cualquier turbogenerador precisará, como mínimo: un alternador eléctrico (1) que recoja la potencia de la turbina y la transforme en electricidad, un reductor (2) que ajuste la velocidad de rotación de la turbina a la del rotor del generador, una envolvente (3) que proteja al equipo y a su operador, un sistema de aceite lubricante (4) con tanque de almacenamiento y distribución interna para la protección de los elementos rotativos y otras válvulas y motores, un sistema de filtrado (5) tanto del aire que se usa para la combustión como del que se usa para refrigerar elementos internos, puntos de conexión externa (6), como son la alimentación eléctrica en baja tensión, la alimentación de aire comprimido, agua (opcional), un 68Guía de la Cogeneración sistema de combustible (7) que puede ser líquido o gas pero debe acondicionarse para su adecuación en la turbina de gas, un sistema de control (8) desde donde se gestiona y protege todo el equipo, un sistema de salida de gases calientes (9), además de los sistemas eléctricos de distribución interna, el sistema de detección y extinción del fuego y otros.

O A Thermal energy Losses Cogeneration unit Thermal energy 5 5 3 8 1 2 0 9 4 7 6 Figura 2. Esquema de un turbogenerador.

Aplicaciones del turbogenerador

Las aplicaciones del turbogenerador dependen según las necesida- des de las industrias o plantas de generación donde están ubicados y pueden ser de ciclo simple donde se aprovechan los gases de escape de la turbina de gas (Figs. 3, 4, 5, 6, 7 y 8), ciclo combinado donde el vapor producido en la caldera de recuperación es turbinado en una turbina de vapor (Fig. 9) para producir energía eléctrica adicional y ci- clo abierto donde no hay aprovechamiento del calor y los gases de es- cape son vertidos a la atmósfera (Fig. 10). Como principales se tienen:

• Generación de potencia eléctrica donde se aprovechan los gases calientes en una caldera de recuperación de calor para producir va- por y/o (opcional) agua caliente. Es común en la industria papelera, alimentaria, química o farmacéutica.

69A Losses O LOSSAS A Thermal energy Losses Cogeneration unit Thermal energy Guía de la Cogeneración VAPOR AGUA CALIENTE AGUA DE ALIMENTACION Figura 3. Generación de potencia eléctrica con aprovechamiento de gases calientes en caldera de recuperación de calor para producir vapor y/o agua caliente.

• Generación de potencia eléctrica donde se aprovechan los gases calientes en una caldera de recuperación de calor para producir va- por después de haber intercambiado su energía para calentar aceite térmico. Es común en la industria química y textil.

VAPOR ACEITE TÉRMICO AGUA DE ALIMENTACION Figura 4. Generación de potencia eléctrica con aprovechamiento de gases calientes en caldera de recuperación de calor para producir vapor después de intercambiar su energía para calentar aceite térmico.

• Generación de potencia eléctrica donde se aprovechan los gases calientes para producir frío ya sea a partir de vapor saturado o con el aprovechamiento directo de los gases de escape en los chillers. Es común en la industria alimentaria y en la refrigeración o calentamien- to urbanos (redes de calor-frío), también llamados district heating- cooling.

70Guía de la Cogeneración AGUA FRIA 5 O A Thermal energy Losses Cogeneration unit Thermal energy 0 AMA Figura 5. Generación de potencia eléctrica con aprovechamiento de gases calientes para producir frío a partir de vapor saturado o aprovechando los gases de escape en los chillers.

• Generación de potencia eléctrica donde se aprovechan los gases calientes para el secado de arcilla en la atomización. Es común en la industria cerámica.

PRODUCTO SECADO Figura 6. Generación de potencia eléctrica con aprovechamiento de gases calientes para secar arcilla en la atomización.

• Generación de potencia eléctrica donde se aprovechan los gases calientes para el secado de papel fino (como el tissue), telas espe- ciales o alimentos. Es común en la industria papelera, textil y alimen- taria.

71A Losses C A Thermal energy Losses Cogeneration unit Thermal energy Guía de la Cogeneración 0 J Figura 7. Generación de potencia eléctrica con aprovechamiento de gases calientes para secar papel, telas o alimentos.

• Generación de potencia eléctrica donde se aprovechan los gases calientes para el secado de biomasa.

Figura 8. Generación de potencia eléctrica con aprovechamiento de gases calientes para secar biomasa.

• Generación de potencia eléctrica donde pueden extraerse o no ciertas cantidades de vapor y/o agua caliente, dando la oportunidad a una turbina de vapor de generar energía eléctrica adicional a la turbina de gas.

0 0 Figura 9. Generación de potencia eléctrica con extracción de vapor y/o agua caliente, y generación de electricidad con turbina de gas y adicionalmente con turbina de vapor.

• Generación de potencia eléctrica donde no se aprovechan los gases de escape y se vehiculan a la atmósfera.

O A Thermal energy Losses Cogeneration unit Thermal energy EUUYPUTA Figura 10. Generación de potencia eléctrica con aprovechamiento de gases de escape y vehiculación a la atmósfera.

La turbina de gas: componentes y funcionamiento

El elemento principal del turbogenerador es la turbina de gas, má- quina rotativa que se acciona por la expansión de los gases de combustión y su presión. Este elemento está básicamente forma- do por un compresor de aire, una cámara de combustión y una o varias turbinas de potencia. Su funcionamiento es muy sencillo: el aire ambiente es aspirado radial o axialmente (según el modelo de turbina) y comprimido antes de entrar en la cámara de com- bustión provista de antorcha/s donde el combustible (ya sea gas o líquido) es inyectado y, con la mezcla, se produce una combustión homogénea. Los gases calientes procedentes de la combustión se expanden en la/s turbina/s que a su vez mueven al generador eléc- trico que está acoplado a su/s eje/s. Además, los gases de escape, con un alto contenido de O2, son aprovechados en los procesos industriales en forma de vapor y/o secado pudiéndose adicionar gas natural de postcombustión para conseguir más caudal de va- por o más temperatura de gases, como ya se ha visto en las figuras anteriores.

73Guía de la Cogeneración A Losses LOSSAS A Thermal energy Losses Cogeneration unit Thermal energy C Admisión de aire Compresor de aire Productor de gases Turbina de potencia Cámara de combustión Inyectores de combustible Figura 11. Turbina de gas industrial de 2 ejes fuera del turbogenerador.

Clasificación y factores de las turbinas de gas

Las turbinas de gas pueden ser clasificadas como a) monoeje cuando generador y turbina están montadas en el mismo eje y giran solidaria- mente y b) de más de un eje o multieje cuando generador y turbina/s de potencia están montados en ejes diferentes, característica ésta que les permite girar a distintas velocidades.

También se pueden clasificar en turbinas 1) Heavy Duty reservadas para las máquinas de gran tamaño, donde el peso es un factor que obliga el desmontaje in situ, 2) Aeroderivadas, llamadas así por su cercanía téc- nica con las turbinas de aviación y por ende, más ligeras, 3) Industria- les, diseñadas para exigentes ambientes industriales y 4) Regenerativas, donde el aire de entrada a compresor se precalienta con el de salida de turbina de gas para otorgarle mayor rendimiento.

74 Todas las tipologías proceden de diseños muy probados y suelen tener su aplicación estrella específica pero lo que más las diferencia entre sí, es el tipo de mantenimiento que exigen, su capacidad eléctrica y su rendimiento. Por ello, es destacable mencionar qué cuatro factores afectan al funcionamiento de las turbinas de gas: a) la temperatura