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Ciclos Combinados

Operación Central Térmica de Ciclo Combinado

ÍNDICE:

1. PRINCIPALES OBJETIVOS EN LA OPERACIÓN.

2. OPERACIÓN DURANTE EL ARRANQUE.

3. OPERACIÓN EN FUNCIONAMIENTO CONTINUO.

4. OPERACIÓN DURANTE LA PARADA.

El mayor defecto de la energía eléctrica actualmente es que no se puede almacenar como tal en grandes cantidades a precios razonables, ya por ejemplo el uso de baterías no es posible para grandes cantidades, se pueden usar centrales hidráulicas de bombeo, pero esto más que almacenar es gastar energía cuando esta barata para subir agua a un pantano y turbinarla para venderla cuando esta cara. Además el consumo eléctrico a lo largo del día no es constante habiendo horas como por ejemplo por la mañana que hay picos de consumo por lo que deben entrar más centrales a producir electricidad, porque la gente se despierta y empieza a consumir, las centrales térmicas convencionales y nucleares tardan un tiempo en arrancar y empezar a producir, por lo que se mantienen funcionando más o menos de forma constante formando la base de la producción eléctrica, los molinos funcionan cuando hay viento y las hidráulicas si hay agua almacenada, por lo que para poder inyectar energía en poco tiempo a la red las más adecuadas son las centrales térmicas de ciclo combinado, que tienen menores tiempos.

Figura 1. Demanda de energía  eléctrica.

1.PRINCIPALES OBJETIVOS EN LA OPERACIÓN.

Lo que se busca en la operación de nuestra central es:

1)   Ajustar la producción en cada momento a lo que nosotros hemos pactado vender al mercado eléctrico en cada momento, ya que si por paradas no programadas o por un seguimiento incorrecto del programa de carga, no se ajusta podemos estar sujetos a penalizaciones económicas muy importantes.

2)  El mínimo deterioro posible de nuestro sistema al efectuar las maniobras de operación del ciclo, ya que sino lo hacemos con cuidado se pueden producir averías y desgastes excesivos de algún elemento.

3)  Que el coste de operación sea el mínimo.

2. OPERACIÓN DURANTE EL ARRANQUE.

El arranque es uno de los momentos cruciales, ya que se pone en marcha un sistema complejo con múltiples subsistemas y todos deben funcionar de forma correcta, en su orden y en el momento adecuado. Los diferentes tipos de arranques se pueden clasificar según la temperatura de la carcasa y del roto en el momento de iniciarlos, esta clasificación variara  dependiendo de quién nos hable del tipo de arranque el fabricante de la turbina o el operador,  por lo que se pueden dividir los arranques según dos grandes grupos:

-   Según los fabricantes:

Los fabricantes de las turbinas los suelen dividir en tres grupos, que a continuación paso a detallar:

  • Arranque en frío  se produce a las 72 horas o más después de la parada.
  • Arranque templado esta entre las 24 y 72 de producirse la parada.
  • Arranque caliente se produce en menos de 24 horas de que se haya producido la parada, puede ser al poco de producirse la para si dicha parada a sido provocada por una avería fácil de solucionar o por una falsa alarma.
-   Según los operadores:

 Según los operadores de las turbinas los dividimos en cinco grupos, que son los siguientes:

  • Arranque superfrío. Después de una parada programada, sin virador. El virador es una máquina encargada de hacer girar el rotor a muy bajas revoluciones para que se enfríe de forma homogénea y con ello evitar que se deforme. Al ser un arranque después de una parada programada todo la turbina este bien fría ya que se ha procedido a su revisión.
  • Arranque frío  se produce después de más de 72 horas de parada la turbina.
  • Arranque templado entre 24-72 horas  de estar parada la turbina.
  • Arranque caliente entre 3-24 horas después de parar nuestra turbina.
  • Rearranque inmediatamente después de un disparo, se produce después de un disparo porque algún sensor ha dado un aviso y se ha corregido rápidamente o ha sido una falsa alarma, o se están haciendo pruebas, este también suele ser el tipo de arranque que más disparos produce.
La diferencia fundamental está en la temperatura de la carcasa y del rotor en el momento de inicio del arranque, debido a que la carcasa y el  rotor se calientan a diferente ritmo, la carcasa tarda más en calentarse ya que tiene mayor masa que el rotor y por lo tanto también tarda más en enfriarse, la subida de temperatura en carcasa y rotor debe ser lenta, para evitar estrés térmico por diferencia de temperatura en el metal.

2.1 Las fases que se deben seguir en  un arranque son las siguientes:

1)    Funcionamiento en virador.

Para  asegurar el reparto de pesos a lo largo del eje de rotación en caso de parada prolongada es necesario que la turbina gire en virador durante unas horas, evitando así deformaciones producidas al enfriarse de forma no homogénea. Si tras la parada ha estado funcionando en virador, está fase ya está realizada.

 2)    Preparación para el arranque.

  • Debe haber presión de gas, se debe ir metiendo gas poco a poco.
  • El sistema de alta tensión debe estar operativo, ya que nos alimentara al generador que en este caso actuara de motor para arrancar la turbina.
  • El sistema de refrigeración debe estar operativo, para ir evacuando el calor conforme lo vayamos generando y no tener que sacar mucho de golpe.
  • Niveles de caldera correctos, si tiene sistema de recuperación de gases, se debe revisar el sistema para ver que todo esta correcto y no nos de problemas cuando pongamos a plena carga la turbina.
  • Bomba auxiliar de lubricación en marcha, temperatura correcta, para que todo este bien lubricado y evitar posibles daños.
  • Ausencia de alarmas de cualquier tipo, ver que no hay ninguna alarma que nos avise de posibles fallos, no vaya a ser que exista un problema no nos demos cuenta y a la hora de poner a plena carga el sistema nos de un fallo y tengamos que parar.   

3)    Inicio y subida hasta velocidad de barrido de gases.

- El motor de arranque, que suele ser el propio generador, hace girar la turbina, empezando nosotros a meter gas y aire.

-   El variador controla la velocidad del motor de arranque para ir subiendo de forma adecuada intentando evitar lo más rápido posible las zonas peligrosas de vibración.

-   Sube lentamente la velocidad, hasta una velocidad de giro lento, no superior a 500 rpm. Se busca realizar un barrido de gases que pudiera haber en la turbina, para evitar explosiones. También se pretende que la distribución de pesos a lo largo del eje de rotación sea perfecta y se eviten problemas de vibración al atravesar las velocidades críticas.

4)    Aceleración hasta velocidad de sincronismo. Paso por velocidades críticas.

-   Se ordena desde el control subir hasta velocidades de sincronismo.

-   Interesa pasar por las velocidades críticas lo más rápido posible.

-   La supervisión de las vibraciones durante la aceleración es fundamental, ya que nos pueden indicar posibles problemas.

-   El sistema también supervisa la aceleración, para asegurar que se pasa rápidamente por las velocidades críticas.

-   A una velocidad determinada, se activa el ignitor, y se enciende la llama piloto.

-   La llama piloto enciende a su vez las cámaras de combustión o quemadores (FLAME ON).

-   A partir de ese momento la fuerza de los gases de combustión empieza a impulsar la turbina.

-   Poco a poco, la fuerza que ejerce el motor va siendo menor, y la de los gases mayores.

-   A una velocidad determinada, el motor de arranque se desconecta. Si es el generador, deja de actuar como motor y se prepara para actuar como generador.

-   Se alcanza la velocidad de sincronismo, empezamos a producir energía eléctrica, en esta fase es donde más disparos  se producen.

 5)    Sincronización y  Subida de carga hasta la potencia seleccionada.

-   El cierre del interruptor de máquina una vez alcanzada la velocidad de sincronismo suele ser muy rápido, unos minutos como mucho.

-   El sincronizador varía ligeramente la velocidad de la turbina.

-   La subida de carga debe ser lenta, de acuerdo al tipo de arranque.

2.2 Problemas habituales durante los arranques.

-   Vibraciones al atravesar las velocidades críticas.

-   Fallo de llama (Flame Off), se nos apaga la llama.

-   Aceleración insuficiente.

-   Desplazamiento axial excesivo al subir carga.

-   Temperatura excesiva de cojinetes, esta fallando la lubricación o estamos hiendo muy rápido.

-  Vibraciones al subir carga.

2.3 Consejos útiles en los arranques:

1) Si se ha producido un disparo durante un arranque, no hay que arrancar de nuevo hasta no tener claro qué ha provocado el disparo y haberlo solucionado.

2) Las averías no se arreglan solas, de forma mágica. Aunque es cierto que a veces son problemas “irreales” relacionados con la instrumentación, la mayoría de las veces no es así.

3) Las turbinas de gas no son caprichosas: cuando tienen un problema no intentan llamar la atención, tienen un problema de verdad.

4) Puentear sensores, anular detectores o elevar valores de consigna en el control para facilitar un arranque es una mala decisión. Las averías más graves en una turbina siempre están relacionadas con una negligencia de este tipo.

3.OPERACIÓN EN FUNCIONAMIENTO CONTINUO.

Otra de las partes de las que se compone la operación es la vigilancia de parámetros de funcionamiento de nuestra central en modo continuo, que son los que nos van a indicar el estado de la misma y van a influir en su producción.

Figura 2. Sala de control

3.1 Los parámetros a vigilar de forma constante son los siguientes:

1) Condiciones meteorológicas, las variaciones de temperatura ambiente, humedad y presión atmosférica, que afectarán a nuestros rendimientos.

2) Presión de gas a la entrada/salida de la ERM, en este punto se recibe el gas, el combustible, si la central se alimenta de  depósitos propios no debería haber problemas con la presión del gas ya que se sabe que valor tiene y se puede controlar, pero sin embargo si se alimenta la central a través de gaseoductos puede haber problemas de caída de presión debido a la entrada de grandes consumidores que harán bajar la presión del gaseoducto, por lo que habrá que estar preparados con bombas y demás sistemas para intentar mantener siempre la presión constante en el valor adecuado para el funcionamiento de la turbina.

3) Presiones de aire a la entrada y salida del compresor, la presión atmosférica  varía a lo largo del día y del año, por lo que si varía la presión de nuestro aire de entrada, también variara la presión del aire de salida del compresor, afectando al rendimiento.

4) Temperaturas de entrada/salida a las cámaras de combustión, si las temperaturas de los gases de entrada son menores de los habituales esto puede indicar que hay menos presión de la que debería. Con la temperatura de salida se debe tener cuidado ya que grandes temperaturas pueden deteriorar los compuestos cerámicos que recubren la cámara de combustión, los quemadores y los álabes de la turbina.

5) Temperatura de aceite, se debe controlar ya que si su temperatura sube por encima de ciertos límites empezara a perder propiedades, y no lubricara de forma correcta con los posibles daños que esto puede provocar. Un aumento de la temperatura normal de funcionamiento del aceite nos puede indicar también que algo pasa, como que puede no estar siendo bien refrigerado.

6) Vibraciones en cojinetes, pueden ser originadas por la degradación de los cojines debido a falta de lubricación o por desgaste debido a su uso, se debe vigilar ya que estas vibraciones  pueden ser transmitidas al rotor lo que nos haría que el sistema también vibrase, pudiendo provocar más daños.

7) Desplazamiento axial, la turbina cuando funciona produce un empuje al igual que las turbinas de los aviones, por lo que ha de estar anclada de forma que no se mueva mucho, ya que arrastraría al resto del sistema, para ello tiene unos cojinetes axiales que al igual que los que soportan el rotor deben estar perfectamente lubricados y en buenas condiciones para evitar posibles averías.

8) Temperatura en cojinetes, un aumento en la temperatura en los cojinetes nos puede indicar que están mal lubricados, por lo que se pueden estar degradado, debemos revisarlos y ver que sucede.

9) Revoluciones de la turbina, las revoluciones de la turbina se deben ajustar para que no alcance la velocidad del sonido en el extremo de los alabes, ya si se alcanza se provocaría la destrucción de estos al producirse una onda de choque, como la que le ocurre a los aviones cuando alcanza la velocidad del sonido.

10) Potencia instantánea, es el valor de potencia que  esta entregando el sistema en cada momento, debería ser constante sino hay variaciones significativas de ningún factor importante, como pueden ser las condiciones climáticas o el mal funcionamiento de algún sistema.

De todos estos parámetros es conveniente conservar un histórico, en el sistema de control o en papel, para ver como nos han ido influyendo en el funcionamiento de nuestra planta y para ver que se ha hecho y  si ha podido ser corregido.

3.2 Inspecciones visuales

Mientras este en funcionamiento la turbina debemos realizar inspecciones rutinarias de todos los indicadores y de los sistemas que nos sean accesibles para ver que no hay pequeños problemas no detectados que pueden derivar en otros más grandes, de los puntos a observar de forma constante en la zona de turbinas son los siguientes:

1)  Temperatura de aceite, con indicadores locales.

2)  Fugas de vapor, agua o aceite.

3)  Ruidos y vibraciones anormales, aunque es difícil por el ruido de la instalación.

4)  Olores anormales.

Durante las inspecciones en la sala de la turbina hay que tener precaución con el sistema contra incendios, ya que es por CO2, cuando el sistema detecta un incendio en la sala de la turbina la inunda con CO2 para extinguirlo, pudiendo provocar la asfixia de una persona si se encuentra dentro, por lo que al entrar en la sala de la turbina a realizar cualquier cosa debemos desactivarlo y una vez que salgamos volver a activarlo.

4. ALTERNATIVAS PARA RECUPERAR LA ENERGÍA REMANENTE EN LOS GASES DE ESCAPE..

4.1 Parada de la central

El proceso de parada de los ciclos combinados se divide normalmente en 7 etapas:

1)  Bajada a mínimo técnico, es la potencia mínima en la que la planta mantiene estables sus parámetros.

2)  Descarga de la turbina de vapor. Se deriva el flujo de vapor al condensador directamente.

3)  Desacople de la turbina de vapor. Si es de eje único la planta se desacoplará la turbina de vapor a través del embrague, si es de eje múltiple se cerrarán las válvulas de admisión de vapor de la turbina.

4)  Reducción progresiva de la entrada de gas y aire a la turbina de gas.

5)  Una vez alcanzado el mínimo, se cierran las válvulas de admisión de gas, la turbina se desacopla de red, se sigue dejando pasar aire para asegurar que no queda gas en la turbina.

6)  Parada por inercia de la turbina, se deja que la turbina se desacelere sola.

7)  Puesta en marcha del virador, para evitar el pandeo del rotor durante su enfriamiento.

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