Ziklo konbinatuko zentral elektriko
Ziklo konbinatua energia elektrikoa ekoizteko gas-turbina eta lurrun-turbina batera erabiltzen diren instalazio mota bat. Hala ere, eta azken zatian ikusiko den bezala, barne-errekuntzako aldizkako motorren garapen teknologikoak hauek gas-turbina ordezkatzeko aukera eskaini du, horrek berekin dakartzan abantaila eta desabantailekin. Oraingoz, ziklo konbinatuari buruz hitz egiten dugunean, beti gas-turbina darabilen zikloaz ari garela ulertu behar da.
Ziklo konbinatua garatzeko funtsezko arrazoia zentral termiko konbentzionalek duten muga teknologikoa izan da; izan ere, horrelako zentralen errendimendu termikoa % 42 baino handiagoa ezin da izan gaur egungo instalazioetan. Gas-turbinaz eta berreskuratze-galdaraz osatutako multzoak zentral termiko baten galdara konbentzionala ordezkatzeko eta instalazio osoaren errendimendu termikoa eta sortutako potentzia elektrikoa handiagotzeko aukera ematen du.
Eskema orokorra
Ondorengo irudian ziklo konbinatuko instalazio baten eskema ageri da. Instalazioak presio bakarreko galdara bat eta kondentsazioko lurrun-turbina bat ditu. Ziklorik sinpleena da, eta zenbait alderdi garatzeko erabiliko dugu.
ziklo konbinatua
Irudiko zentralean, gas-turbinak gas naturala kontsumitzen du, nahiz eta turbina batzuk erregai likidoak erretzeko prestatuta egon. Harrikatz xehatua darabiltzanak era badira, baina bakanak dira. Gas-turbina da aplikazio honetarako gailurik aproposena, zeren eta bereganatutako erregaiaren 100 unitateko ondorengo energia-banaketa baitu:
Energia elektrikoaren sorkuntza (guztizkoaren % 25-35 bitartean)
Tenperatura handiko irteera-gasak (guztizkoaren % 55-75 bitartean)
Zenbait galera: erradiazio termikoagatik, olio lubrifikatzailea hozteagatik, etab.
Gas-turbinaren atala da instalazio-mota honetan energia elektrikoa ekoizteko energia mekanikoa sortzen den lehen tokia. Gainera, irteera-gasak, nahiz eta galdara konbentzionalekoak baino tenperatura txikiagokoak izan, bero-iturritzat erabiltzeko adinako tenperatura badute (440-550 °C). Gasetan dagoen bero-energia berreskuratu ahal izateko, gasak berreskuratze-galdaran sartzen dira. Bero-trukagailu bat da, hau da, ez dago erregailurik (nahiz eta gero kasu honen beste aukera bat ikusiko dugun). Gasek elikatze-urari ematen diote bere bero-energia eta lurruna sortzen da. Tarteko bero-trukagailu hauen egitura galdara konbentzionalekoarena bezalakoa da:
Ekonomizagailua: elikatze-ura ia lurruntze-tenperatura lortu arte berotzen da
Lurruntze-hodiak: lurrun-andeleko ura hartzen da, eta lurrun asea sorten da, berriro biltegira sartzeko
Gainberogailua: turbinara bidaltzen den lurrun gainberotua sortzen da
Galdaran zehar gertatzen den trukatze-prozesua hurrengo irudian agertzen da. Hor, tenperatura-profilak daude, bai gasen zirkuitukoak bai ur/lurrun zirkuitukoak. Funtsezko bi parametro azpimarratu behar dira:
ziklo konbinatua: berreskuratze-galdaran zeharreko bero-trukea
Pinch Point (PP): gasek lurruntze-hodien irteeran duten tenperaturaren eta galdarako presioan lurrunari dagokion asetasun-tenperaturaren arteko diferentzia da. Normalean balioa 15 °C eta 25 °C bitartekoa izaten da, diseinuaren eta egilearen arabera. Jauzi termiko hau derrigorrezkoa da gasen eta lurrunaren artean tenperatura-gurutzatzerik gertatuko ez dela ziurtatzeko. Era honetan, gasak beti elikatze-ura baino tenperatura handiagoan egongo dira eta bero-trukea noranzko egokian gertatuko da beti.
Aproach Point (AP): galdarako presioan lurrunari dagokion asetasun-tenperaturaren eta lurruntze-hodietan sartzen den elikatze-uraren tenperaturaren arteko diferentzia da. Ekonomizagailutik datorren eta lurrun-andelera sartzen den urak ez du asetasun-tenperatura zehatza izaten, tenperatura txikiagoa baizik. Horrela, ura beti egoera likidoan iritsiko dela ziurtatzen da, eta lurrunketa lurruntze-hodietan baino ez dela gertatuko. Edozein arrazoirengatik lurrunketa ekonomizagailuan gertatuko balitz (horri “steaming” efektua esaten zaio), hodien barneko aldean oso higadura zakarra gertatuko litzateke, eta hodiei kalte larria egingo lieke.
Bi parametro hauek sarrera-gasen halako gastu masiko eta tenperaturaren arabera eta lurrunaren ezaugarrien arabera sor daitekeen lurrun-kantitatea mugatzen dute. Energia-balantzeetan gero ikusiko dugun bezala, tximiniatik irteten diren gasen tenperatura ere zehatz daiteke.
Gasak berreskuratze-galdaratik bero-energia gehiena galdu dutela ateratzen dira eta tximiniatik aireratzen dira. Lurrun gainberotua lurrun-turbinan sartzen da. Hauxe da ziklo konbinatuan energia elektrikoa ekoizteko energia mekanikoa sortzen den bigarren atala. Presio eta tenperatura handiko lurruna atmosferako presioa baino presio txikiagoraino zabaltzen da, eta turbinaren ardatzean lan mekanikoa garatzen da non, gero, alternadore elektriko bati lotuz, energia elektriko bihurtzen den.
Irteerako lurruna kondentsadorera doa. Hor likidotu egiten da, berriro galdarara sartu ahal izateko. Lurrun-zikloaren atala zentral termikoarena bezalakoa da (Ik. zentral termiko).
ziklo konbinatuan antolatutako baterako sorkuntzako sistema
Energia-balantzeak
Gas-turbina
Ziklo konbinatuan erabiltzen diren gas-turbinek edozein gas-turbinaren antzeko ezaugarri eta errendimenduak izaten dituzte (Ik. gas-turbina). Hala ere, ziklo konbinatuaren diseinurako, gas-turbinen egileek taula batzuk prestatu dituzte, kanpoko sarrerako airearen funtzioan hurrengo parametroen aldaketa irudikatzen dituztenak: erregai-kontsumoa (Q, kW-etan), sortutako elektrizitatea (E, kW-etan), irteerako gas-emaria (mg, kg/s-tan) eta gas horien tenperatura (tg, °C-tan).
Beraz, turbina komertzial baten energia-balantze bakuna hurrengoa izango litzateke:
non, cP gasen presio konstanteko bero espezifikoa den tg irteerako tenperaturan, kJ/kg·°C-tan adierazia. Adibidez, gas naturala kontsumitzen duen gas-turbina batean horren balioa 1,1 kJ/kg·°C ingurukoa izaten da.
Turbinaren bi parametro nagusiak hauek dira:
Errendimendu elektrikoa:
Errendimendu termikoa:
Normalean, galeren ehunekoa (bero-erradiazioa, olio lubrifikatzailearen hoztea, etab.) konstante izaten da.
Berreskuratze-galdara
Turbinaren irteerako gasak berreskuratze-galdaran sartzen dira eta hor lurrun-turbinari eragiteko lurruna sortzen da. Gas hauen tenperatura ez da 550 °C baino handiagoa izaten. Beraz, muga tekniko nagusia hau da: lurrun gainberotuaren tenperatura ezin da 400 °C baino handiagoa izan, bero-trukearen azalera handiegia eta galdara oso garestia izan ez daitezen.
Galdara barneko tenperatura-profila lehenago irudikatu da, eta energia-balantzeak hobeto ulertzen laguntzen du. Galdararen diseinuan “pinch point” eta “aproach point”-en balioak fabrikatzailearen esperientziaren arabera finkatzen dira.
Orduan:
non ts galdarako presioan lurrunak duen asetasun-presioa den.
Gasek askatzen duten energia lurrunak bereganatzen du. Beraz, gainberogailu-lurrungailu multzoaren balantzea hauxe izango litzateke:
Hemendik, sortutako lurrun-emaria (mlu) kalkulatzen da:
Balantze berbera ekonomizagailuan eginez:
Hemendik tximiniatik irteten diren gasen tenperatura ateratzen da, tg3, lortutako energia-errendimenduaren kalitatea adierazten duena. Tenperatura hori txikia bada, errendimendua hobea izango da, gasek bere energia berreskuragarriaren parte handia askatu dutelako, eta sortutako lurrun-emaria ere handiagoa izango da.
Lurrun-turbina
Lurrun-turbinan galdaratik datorren lurrun-fluxua hedatzen da, galdarako presiotik irteerako presioraino. Azken presio hori kondentsadorean hozgarritzat erabiliko den fluidoaren tenperaturak mugatzen du. Ideia hau hurrengo atalean sakonago azalduko da.
Turbinan sortutako energia elektrikoa honela kalkulatzen da:
Irteerako lurruna hezea izaten da, baina bere kalitateak 0,84 baino handiagoa izan behar du, turbinaren materialek mekanikoki gehiegi ez sufritzeko.
Kondentsadorea
Kondentsadorea, zentral termiko konbentzionalean bezala, lurruna likidotzen den gailua da. Gero, ura elikatze-ponpan sartzen da berriro, galdarako presioraino igotzeko. Kondentsazioan bero-kantitate handia askatzen da, eta hozgarri berreskuragarri bati ematen zaio, normalean urari. Gero, ur hori airearen bidez (hozteko dorrean) edo beste ur-emari berreskuragarri batez baliatuz (adibidez, aintzira, ibaia, itsasoa, etab.) hozten da.
Lurrunak, bere kondentsazio-energia hozteko urari eman eta bera kondentsatu ahal izateko, urarena baino tenperatura handiagoan egon behar du. Hala ere, ura gero beste fluido natural baten bidez hoztu behar da berriro, eta fluido horren tenperatura ezin da aldatu. Beraz, fluidoak naturan duen tenperatura jakinik eta tarteko bero-trukerako beharrezko tenperatura-diferentziak zehatuz, lurruna kondentsatu ahal izango den tenperatura minimoa kalkulatzen da. Kondentsazioa tenperatura konstanteko (eta, gainera, presio konstanteko) prozesua denez gero, turbinaren irteerako presioa finkatuta geratuko da, lehenago esan den bezala. Irteerako presioa tenperatura horretarako asetasun-presioa da.
Zikloaren errendimendua
Ziklo konbinatuaren eraginkortasuna txarra edo ona den adierazten duen parametroa errendimendu elektriko globala da, zikloa osorik kontuan hartzen duena. Erregaia gas-turbinan bakarrik kontsumitzen da (Q), eta elektrizitatea bi puntutan sortzen da: gas-turbinan (E) eta lurrun-turbinan (ELT).
Hau da zikloaren errendimendu elektrikoa:
Errendimendu hau % 50-65 ingurukoa izan daiteke, zentral termiko konbentzionalarena % 37-42koa den bitartean. Bien arteko aldea nabarmena da, baina ziklo konbinatuan inbertsioa handiagoa egin behar dela kontuan hartu behar da.
Osteko errekuntzako ziklo konbinatua
Azaldu dugun ziklo konbinatuak bi muga nagusi ditu:
Gas-turbinako irteera-gasen beroa berreskuratuz sor daitekeen lurrun-emaria lurrun-turbinak behar duena baino txikiagoa da.
Lurrun gainberotuaren tenperatura oso handia da, eta gas-turbinaren irteerako gasen tenperatura eta lurrunaren tenperaturaren arteko diferentzia ez da nahikoa bero-trukea modu onean gertatu ahal izateko.
Osteko errekuntzak bi arazoak modu eraginkorrean konpontzeko aukera ematen du. Horretarako, berreskuratze-galdararen sarreran erregailu bat ipintzen da, gas-turbinako gasen isurbidean. Gas hauen oxigeno-ehuneko bolumetrikoa oso handia da (% 12-16), eta kanpoko airerik gehitu gabe erre daitezke. Horretara, gasen tenperatura handitu egiten da galdararen sarreran eta lurrun gehiago sor daiteke. Hurrengo irudian erregailuaren efektua ikus daiteke:
ziklo konbinatua: osteko errekuntzako sisteman, berreskuratze-galdaran zeharreko bero-trukeak
Energia-balantzea erregailuan hau izango litzateke:
Sarrerako eta irteerako gas-emariak ia-ia berdinak dira, erretzen den erregai-kantitatea oso txikia delako. Beharrezko lurrun-emaria oraindik sortuko ez balitz, erregailu berari aire berria sar dakioke. Horrek gas-emaria handiagotzen du, baina, aurrekoarekin konparatuta, azken tenperatura (tgf) jaitsi egiten du. Erregailu hauen bidez, lurrun-eskaria modula daiteke erregaiaren kontsumoaren arabera erregulatzen direlako, erregailu konbentzional batean gertatzen den bezala. Muga tekniko bakarra gasek ukitzen duten galdarako materialen erresistentzia termiko maximoa da. Normalean, osteko errekuntzaren tenperatura maximoa 900 °C-koa izaten da.
Zikloaren errendimendua hauxe da:
Hobekuntzak gas-turbinan
Ziklo beraren ezaugarrietan oinarrituz, errendimendu termiko globala gas-turbinarena hobetuz hobetu daiteke. Horretarako bi bide daude:
Lurrun-injekzioa errekuntza-ganberan
Gas-turbinaren errekuntza-ganberan lurrun asea edo lurrun gainberotua sartzen bada, errendimendu elektrikoa hobetzen dela frogatuta dago. Horretarako, lurrun-turbinak berez behar duen baino lurrun-emari handiagoa sor daiteke berreskuratze-galdaran, eta parte bat gas-turbinaren injekziorako desbideratu. Galdarako presioa errekuntza-ganberan behar dena baino handiagoa bada, lurruna hedatzen utz daiteke; ez dago inolako arazorik horretan. Sortutako lurrun-emariaren parte bat desbideratzeagatik lurrun-turbinan sortzen ez den energia elektrikoa gas turbinan injekzioa eginez lortzen den elektrizitate-gehikuntza baina txikiagoa da. Beraz, eragiketa hau egitea merezi du.
Gas-turbinaren sarrerako airea hoztea
Gas-turbinaren parametro energetiko nagusiak (sortutako potentzia elektrikoa, erregai-kontsumoa eta irteerako gasen emaria eta tenperatura) sarrerako airearen tenperaturaren arabera nabarmen aldatzen dira. Adibidez, errendimendu elektrikoa, ekipo hauetan parametro kritikoa dena, airearen tenperatura handiagotu ahala txikiagotzen da (udan adibidez). Turbinaren funtzionamendua onena izango dela ziurtatzeko era bat sarrerako airea hozteko sistema bat ezartzea da. Hirutara egin daiteke hori: konpresioz, lurrunketaz eta xurgapenez. Hemen azkena aztertuko dugu, zikloaren berreskuratze-galdaran sortutako lurrunaren kontsumoa derrigortzen duelako. Xurgapenezko hozkailua bero-iturri batetik (gas zuzenak, lurruna, ur berotua, etab.) hotza sortzeko modua ematen duen gailua da. Kasu honetan, berreskuratze-galdaran sortutako lurrun-emariaren parte bat erabil daiteke eta etilenglikol/ur disoluzioa hoztu tenperatura egokian. Gero, emari hau bero-trukagailu batetik igaroarazten da, eta sarrerako airea tenperatura minimo bat lortu arte hozten da (5-10 °C inguruan). Berriro ere, zikloaren errendimendua elektrikoa hobetu egiten da.
Prozesu baterako lurrun-eskaria
Ziklo konbinatua prozesurako lurruna behar duen enpresan integra daiteke. Alde batetik, enpresaren eskari termiko osoa edo horren zati bat asetzen da, eta, bestetik, bere kontsumorako energia elektrikoa sortzen da. Sortutako elektrizitatea enpresak behar duena baino handiagoa bada, gainerakoa sarera sal daiteke. Bestela esanda, baterako sorkuntzako instalazioaren eran funtziona dezake. Kasu honetan, lurrunaren sorkuntza lau prozesuren bidez egin daiteke:
Hedapena: berreskuratze-galdaran sortutako lurrun-emariaren parte bat (oso presio eta tenperatura handikoa) desbideratu egin daiteke eta ondoren hedatzen utzi, prozesuan behar diren baldintzak bete arte.
Turbinatik lurruna ateratzea: lurruna turbinan zehar hedatzen ari dela, lurrunaren parte bat atera daiteke. Ateratze hori prozesuaren presioan egin behar da noski, eta hortik bero-trukagailu batera bideratu, azken tenperatura lortu arte.
Kontrapresioko zikloa: kondentsazioaren beste aldean, irteerako presioa oso txikia da elektrizitate-kantitatea maximoa izateko, eta lurrunaren hedatzea prozesuaren presioan bukatzen da. Orain, kondentsazio-efektua prozesuak berak egiten du, lurrunaren kondentsazio-beroa bereganatuz.
Bi presioko berreskuratze-galdara: berreskuratze-galdararen diseinuan zenbait bero-trukagailu jar daitezke, presio desberdineko bi lurrun-fluxu sortzeko. Fluxuetako batek prozesuaren baldintzak bete ditzake, eta bestea turbinara sartuko litzateke.
Aldizkako motorren bidezko ziklo konbinatua
Hasieran, ziklo konbinatu guztiak gas-turbinez osatuak ziren eta instalatutako potentzia elektriko handia izaten zen, inbertsioa amortizatzeko erarik onena zelako. Hala ere, aldizkako errekuntza-motorren teknologiak tamaina txikiagoko ziklo konbinatu merkeagoak eraikitzeko aukera ematen du:
Funtzionamendua oso antzekoa da: motorrak erregaiaren energia kimikoa energia termiko bihurtu eta ondoren sorgailuak elektrikoa ekoizten du. Gas-turbinarekin konparatuta, sistema honek ezaugarri hauek ditu:
Energia elektrikoa: gas-turbina baino errendimendu elektriko handiagoa (% 34-42)
Irteera-gasak: normalean, gas-turbinakoak baino emari eta tenperatura txikiagoak izaten dira
Tenperatura handiko hozte-zirkuitua: motorraren zilindroak hozteko, 80-90 °C bitarteko ur-emaria
Tenperatura baxuko hozte-zirkuitua: airea eta motorraren olioa hozteko, 40 °C inguruko beste ur-emari bat behar da, gutxi gorabehera
Energiaren aprobetxamendua ere parekoa da: gasak berreskuratze-galdaran sartzen dira, prozesurako edo turbinan energia elektrikoa ekoizteko behar den lurruna sortzeko. Gas-turbinan gertatzen zen ez bezala, gas horien oxigeno-ehuneko bolumetrikoa txikia da (% 10 baino gutxiago) eta osteko errekuntza ezin da kanpoko airea sartu gabe egin.
Bestetik, motorren zirkuituan barreiatutako beroa era askotan erabil daiteke:
Tenperatura txikikoa zuzenean atmosferara botatzen da, normalean aire-hozkailu batzuen bidez, enpresek tenperatura horietako eskari termikorik izaten ez dutelako.
Tenperatura handikoa prozesurako erabil daiteke, edo berokuntzarako ur beroa lortzeko bestela (horrelakorik bada). Xurgapenezko hozkailu baten bidez prozesurako ur hotza sortzeko ere erabil daiteke.
Gaur egun, gas naturalaren zabalkundearen ondorioz, herri industrializatuetan enpresa elektrikoak ziklo konbinatuko zentralak eraikitzen hasi dira, errendimendu elektriko globala handiagoa delako, zentral konbentzionalarena baino askoz handiagoa izan ere. Instalatutako potentzia elektriko bererako, nahiz eta hasierako inbertsioa handiagoa izan, ekonomia aldetik irabazi egiten da.
ziklo konbinatuko zentrala
Iván Armentia (Amaiba)