Esquemas de Cogen2015resu
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PLANTAS > 1 MW
Cogen. en ciclo combinado Siemens, Polonia 138 MWe + 90 MWt 2 TG SGT-800 + 1 TV SST-400 3 alternadores 11 kV
Planta modular de Wartsila
A. MCIA: tipos
Según el ciclo termodinámico:
• Otto: aspiran mezcla de aire/combustible, menores ratios
de compresión, encendido por fuente externa
(normalmente por bujía). Potencias de hasta 8 MW
• Diesel: aspiran aire, el combustible se inyecta al final de la compresión e inflama, mayores
ratios de compresión, mejor rendimiento. Potencias típicas de hasta 50 MW
Según combustible: gasóleo, gasolina, GN, GLP, fuel,.. En cogeneración es muy usado el
de GN
Según tiempos:
• 4 tiempos: aspiración, compresión, expansión y expulsión de gases. 1 ciclo completo son
4 carreras y 2 vueltas de cigüeñal.
• 2 tiempos: expulsión y aspiración parcialmente al final de la carrera de expansión y al
principio de la de compresión. 1 ciclo completo, cada 2 carreras, cada vuelta de cigüeñal.
- Los grandes motores Diesel suelen ser de 2 tiempos.
Sobrealimentación: el aire que se inyecta al cilindro se inyecta a presión, aumentando su
densidad y por tanto la cantidad de combustible que se puede quemar, y en consecuencia
aumenta la potencia del motor. Los motores industriales son sobrealimentados, con
turbocompresor (los gases de escape mueven una turbina que acciona el compresor de aire).
Dentro de los motores de gas existen varias modalidades:
•Encendido por chispa (SG): aspiran mezcla aire/gas. En la parte superior del cilindro existe
una pequeña precámara en la parte superior con mezcla más rica que en el cilindro. Al final
de la carrera de compresión se inflama la precámara con una chispa, y sus llamas inflaman
la mezcla del cilindro. Combustión rápida. Ciclo Otto.
•Dual fuel: en situación normal aspiran mezcla aire/gas. La ignición se produce como en un
motor diesel por inyección de una pequeña cantidad de gasoil o fueloil a través de una
válvula piloto en la parte superior, al final de la carrera de compresión. En caso de
necesidad pueden funcionar sólo con gasoil o fueloil. Siguen un ciclo Diesel.
•Gas a alta presión (GD): durante la admisión sólo aspiran aire. Al final de la carrera de
compresión se inyecta gas a alta presión en el cilindro y una pequeña cantidad de gasoil o
fueloil a la válvula piloto para provocar la ignición. También pueden funcionar sólo con fuel,
o a diferentes proporciones de gas y fuel. Siguen un ciclo Diesel.
A. MCIA: tipos de motores de gas
A. Motor de combustión interna
Diesel para altas potencias y Otto para bajas o moderadas
Gasóleo, gasolina, GN, GLP
P desde 15 kWe hasta 25 MWe (aunque existen MCIA de hasta 100
MWe)
R=Q/E=1,2÷1,8
Buena eficiencia parcial
Circuitos de refrigeración para producción de agua caliente, para
calefacción y ACS (60-90ºC)
También pueden producir vapor, dado que los gases y cilindros
pueden alcanzar los 500 ºC
B. Turbina de gas
Típicamente GN (aunque admiten otros gases y diesel)
P desde 500 kWe hasta 250 MWe
Tescape=350÷600 ºC
R=Q/E=2,2÷3,5
Mala eficiencia parcial
Condiciones ISO (1 bar, 25ºC)=P, HR(kJ/kWh),dosado, maire,
Tgases escape, relación compresión
Secado de sustancias húmedas, calentamiento y secado de
materiales cerámicos, hornos, CRCs, agua caliente.
C. Turbina de vapor (alimentada desde generador de vapor)
El generador de vapor puede ser:
• Una caldera de combustión
convencional
• Una caldera de recuperación de
calor, que aproveche el calor de
una corriente que contenga calor
(normalmente gases de escape de
un proceso anterior)
C. Turbina de vapor
En los procesos industriales se suele necesitar vapor saturado o
sobrecalentado
En una central el vapor de salida es húmedo y a vacío
Para cogeneraciones:
• Contrapresión: psalida > patmosférica
• Condensación: se toma el vapor de extracciones
Potencias de 10 a 300 MW
R=Q/E=0,3÷10
Aceptable eficiencia parcial
Aplicación casi exclusivamente industrial: vapor de procesos
D. Ciclos combinados
Únicamente para grandes potencias > 10 MW
Versatilidad por:
Independencia entre turbinas
Modulación de postcombustión
C T
Cámara de
combustión
Aire de
entrada
Gases de
salida
Combustible
Temperaturas del orden de 900 K
Los gases de escape se pueden aprovechar en:
- Producir vapor para uso industrial (Cogeneración)
- Producir gases calientes para procesos (p.ej. Secaderos)
- Producir vapor para su uso en una turbina de vapor (Ciclo Combinado)
- …
ESTO DA LUGAR A UNA MEJORA EN EL RENDIMIENTO
GLOBAL DEL PROCESO
CICLOS COMBINADOS
TURBINA DE GAS
Combustión suplementaria
QGT
PGT
PST
QSF
QGT (1- GT)
TURBINA DE VAPOR
El trabajo útil depende del realizado en la turbina de gas y
en la de vapor
Calor aportado:
- Gases de escape de la turbina de gas
- Calor adicional en la caldera de recuperación de calor
SFGT
STGTcc
PP
CICLOS COMBINADOS
TGTVCRCTGCC 1
El rendimiento de un ciclo
combinado depende:
- Rendimiento de la turbina de gas
- Rendimiento de la turbina de vapor
- Rendimiento de la caldera de
recuperación
Turbina de gas
Ciclo combinado
t1 .- Temperatura de entrada a la turbina
t2 .- Temperatura de salida de la turbina
CICLOS COMBINADOS
Los puntos de máximo rendimiento de la turbina de gas y del ciclo no coinciden.
En el rendimiento del ciclo se observa como una mejora en el rendimiento de la turbina
de gas, implica que (1 - ηTG ) disminuye y por tanto, puede disminuir el rendimiento
global.
Para mejorar ambos ciclos hay que disminuir las pérdidas exergéticas del mismo, esto
puede conseguirse mejorando la transmisión de calor entre los gases de escape de la
turbina de gas y la caldera de recuperación de calor.
Otro aspecto a cuidar es el trabajo a cargas parciales. Las turbinas de gas funcionan mal a
cargas parciales por lo que:
- Se disponen en asociaciones de varias TG y Calderas y un solo ciclo de vapor
- Turbinas de gas con geometría variable
Ciclo por compresión de vapor CICLO DEL REFRIGERANTE
1-2 Compresión (adiabática)
↑ T, ↑ P
2-3 Condensación (isóbara)
Cesión de calor
3-4 Laminación (isentálpica)
↓T, ↓P,
4-1 Evaporación (isóbara)
Absorción de calor
Gracias al trabajo W del compresor se consigue “bombear” el calor Q2 del exterior al
interior, en el sentido inverso del flujo natural de calor (T1>T2). El calor entrante en el
local es Q1=W+Q2 . Se está refrigerando el terreno
W
QCOP 1
WQQ 21
M
CONDENSADOR
EVAPORADOR
VALVULA DE
EXPANSIONCOMPRESOR
ACCIONAMIENTO
DEL COMPRESOR
Al sistema de distribución
de calor del local
Al sistema de colectores
del subsuelo
1
23
4
Q1
W
Q2
INVIERNO
Coeficiente de
operación
2. Funciones de cada componente - Compresor (1-2) Recibe el refrigerante vapor y lo
comprime, subiendo P y T. Se puede decir que lo
acondiciona para una cesión de calor a una T apropiada en
el condensador.
- Condensador (2-3) El vapor de refrigerante entra
sobrecalentado, de modo que la primera parte del calor
cedido es sensible perdiendo T, para luego ceder su calor
latente al condensarse a T cte. La temperatura a la que
suceda esta cesión de calor latente dependerá de la presión
que le dio el compresor.
-Válvula expansión (3-4) Proceso de expansión
adiabática, o estrangulamiento, para devolver al fluido a la
presión inicial del evaporador y cerrar el ciclo. Al perder
P, parte del líquido se vaporiza.
- Evaporador (4-1) Cesión de calor del fluido de los
colectores al refrigerante, que lo recibe como calor latente
vaporizándose a T y P cte.
Transformacio
nes
M
CONDENSADOR
EVAPORADOR
VALVULA DE
EXPANSIONCOMPRESOR
ACCIONAMIENTO
DEL COMPRESOR
Al sistema de distribución
de calor del local
Al sistema de colectores
del subsuelo
1
23
4
Q1
W
Q2
INVIERNO
1
2
3
4
T
s
p=c
h=c
T1
T2
Tf1
Tf2
a
2s
T
1
T
2