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DINÁMICA DE GASES EN OBRA

DINÁMICA DE GASES

Al integrar el ciclo térmico de gas con el de vapor se presenta el ciclo combinado (CC), siendo éste el
uso de una misma fuente de energía en más de un proceso térmico o industrial.

Aplicando este principio al estudio desarrollado, la fuente de energía es el calor obtenido de los gases de combustión, el cual es empleado primero por la turbina de combustión, para luego ser dirigido a la
caldera de recuperación y la turbina de vapor.

En referencia al modelamiento de procesos, en este caso la turbina de combustión (TC) en una planta de ciclo combinado, los modelos se emplean para analizar el comportamiento dinámico de las variables de interés por medio de simulaciones, obteniendo conclusiones que ayudan a la comprensión de factores importantes en la operación de la planta y conllevan a la implementación de posibles acciones de control más acertadas.

Teniendo presente los modelos dinámicos de la literatura asociada al proceso, se ha desarrollado un modelo simplificado y de implementación flexible, evitando de esta manera las no linealidades, tal como es recomendado por diferentes autores del ámbito académico [1, 4].

Gracias a estas simplificaciones, es posible mejores análisis sobre las respuestas obtenidas, llegando a conclusiones como la dependencia en la salida de los sistemas térmicos de potencia, de variables como la frecuencia y las condiciones ambientales del sitio.

El proyecto realizado se limitó al comportamiento dinámico de la turbina de combustión en una planta de ciclo combinado, caso particular Termovalle, obteniendo aproximaciones sobre el comportamiento real del sistema, sin necesidad de manipularlo o poner en riesgo la generación de la planta.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, el estudio describirá la turbina de combustión, además analizará la termodinámica del sistema y se calculará el modelo dinámico, obteniendo así las respuestas dinámicas de las variables de interés.

MATERIALES YMÉTODOS

Descripción del proceso de gas en una planta de ciclo combinado En una planta de ciclo combinado los procesos principales que interactúan entre sí son el proceso de gas, formado por el sistema de combustión y su respectiva turbina, y el proceso de vapor, formado por la caldera de recuperación de calor y la turbina de vapor. El estudio realizado tendrá como parte central el proceso de gas y las turbina de combustión.

El proceso de gas inicia cuando el aire es dirigido a través de una casa de filtros al compresor y con una alta presión es mezclado con el gas natural tomizado para lograr homogeneidad, obteniendo por medio de los combustores los gases de combustión, los cuales son orientados a los álabes y producen la rotación de la turbina, igualmente el turbogenerador eléctrico aprovecha el torque de rotación para generar la potencia que será transmitida a la subestación, finalmente los gases de combustión son aprovechados para el calentamiento de las paredes en la caldera de recuperación o expulsados al ambiente.

La turbina de combustión del proceso, es de un solo eje con un sistema de combustión de 16 combustores secos de bajo NOx y tiene el propósito de generar el 70% de la energía total de la planta, teniendo valores nominales a condiciones ambiente de 151 MWal ser operada

Proceso de gas en una planta de ciclo combinado. con gas natural. Un diagrama simplificado del proceso de gas – turbina de combustión, en una planta de ciclo combinado es mostrado en la La planta posee un sistema de control en el proceso de gas, para controlar el flujo de combustible, el
flujo de aire y mantener los niveles apropiados de la temperatura en los gases de combustión, además
se sensa la potencia eléctrica que se entrega al sistema por parte del generador acoplado a la turbina de combustión.

Relaciones físicas termodinámicas

En termodinámica los procesos de gas se rigen por el ciclo Brayton, el cual opera tanto en ciclo abierto como cerrado, para el caso en estudio se enfocará el funcionamiento en ciclo abierto el cual es el implementado para la operación del ciclo combinado. En la figura 2 se observa el diagrama de Temperatura – Entropía (T-S), donde se expone el comportamiento del proceso y todas las fases que lo conforman.

Las variables principales que interactúan en el proceso de gas en una planta de ciclo combinado son:

PTC: Potencia en la turbina de combustión
T : Temperatura de entrada del compresor 1
T : Temperatura de salida del compresor 2
T3
: Temperatura de gases en la cámara
T : Temperatura de salida de los gases 4
Wf
: Flujo real de combustible
W: Flujo de los gases de combustión
N: Velocidad real turbina de combustión

Los ciclos de gas se caracterizan en que el fluido de trabajo permanece en la fase gaseosa, además, en el análisis es necesario determinar la temperatura a la cual salen los gases de combustión de la turbinay el torque mecánico, para obtener así, con T l

temperatura que seguiría a la caldera y con el torque la potencia P . TC Para determinar T4 y PTC es necesaria la parametrización, lo cual corresponde a determinar teóricamente las variables de un proceso, en función de parámetros propios del mismo. De este análisis, se tiene como variable de entrada el flujo de combustible, que en este caso es gas, el cual varía ante cambios en la carga de la planta, y como variables de salida están la potencia y la temperatura de los gases de combustión, por lo tanto es necesario parametrizar las variables de salida en función de la entrada y variables internas
que afecten el proceso.


Antes de realizar un análisis termodinámico, es necesario tener ciertas consideraciones.

• El fluido de trabajo, en la turbina de combustión, son los gases de combustión que circulan de modo continuo y serán asumidos como ideales.
• Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles.
• El proceso en el sistema de combustión es asumido como un proceso de adición de calor desde una fuente externa.
• El proceso en la turbina de combustión se asume como un proceso de rechazo de calor. Las expresiones que determinan las temperaturas son:

INTRODUCCIÓN

Al integrar el ciclo térmico de gas con el de vapor se presenta el ciclo combinado (CC), siendo éste el uso de una misma fuente de energía en más de un proceso térmico o industrial.

Aplicando este principio al estudio desarrollado, la fuente de energía es el calor obtenido de los gases de combustión, el cual es empleado primero por la turbina de combustión, para luego ser dirigido a la
caldera de recuperación y la turbina de vapor.

En referencia al modelamiento de procesos, en este caso la turbina de combustión (TC) en una planta de ciclo combinado, los modelos se emplean para analizar el comportamiento dinámico de las variables de interés por medio de simulaciones, obteniendo conclusiones que ayudan a la comprensión de factores importantes en la operación de la planta y conllevan a laimplementación de posibles acciones de control más acertadas.

Teniendo presente los modelos dinámicos de la literatura asociada al proceso, se ha desarrollado
un modelo simplificado y de implementación flexible, evitando de esta manera las no linealidades, tal como es recomendado pordiferentes autores del ámbito académico [1, 4].

Gracias a estas simplificaciones, es posible mejores análisis sobre las respuestas obtenidas, llegando a conclusiones como la dependencia en la salida de los sistemas térmicos de potencia, de variables como la frecuencia y las condiciones ambientales del sitio.

El proyecto realizado se limitó al comportamiento dinámico de la turbina de combustión en una planta de ciclo combinado, caso particular Termovalle, obteniendo aproximaciones sobre el comportamiento real del sistema, sin necesidad de manipularlo o poner en riesgo la generación de la planta.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, el estudio describirá la turbina de combustión, además analizará la termodinámica del sistema y se calculará el modelo dinámico, obteniendo así las respuestas dinámicas de las variables de interés.

 

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enero 31, 2018

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