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8/19/2019 PPT Tema2.3.MciroTurbinas

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Sistemas de Generación Distribuida

.

Mi r Tur in

Prof. Francisco M. [email protected]

Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected]

Copyright © 2008Sistemas de Generación Distribuida

TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida

http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html


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Micro Turbinas





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Rango de Uso de las GT





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Características de las GT

Característica Micro Mini Utility

Rango Disponible -kVA 20-500 650-10.000 12.500-265.000

Diseño original basado en Motores de autobús,camión

Motores de aviones Necesidades de utility

Combustible típico Gas natural, diesel Gas natural, diesel Gas natural, diesel, fuel oil

Cantidad de ruido Semejante a un automóvil

a 40 mph

3-4 sopladores de aire Un avión jet

Fuera de servicio una vezcada

2 años Ocho meses Ano y año y medio

Numero de ejes Uno solo Dos ejes Dos o Tres

Velocidad de giro promedio 70.000 rpm 15.000 rpm 1.800 rpm

Modo de operación Velocidad variable Velocidad constante Velocidad constante

Mejor eficiencia decombustible

32% 30% 37%

Tiempo de espera de la

compra e instalación

Una semana Dos meses Uno o dos años




Costo típico 700 US$/kW 450 US$/kW 300US$/kW


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Micro Turbina

• Una Micro Turbina es un pequeño motor de Ciclo

Bra ton turbina a as de ciclo sim le

• Emplea la combustión de un elemento combustibleaseoso o lí uido ara roducir un tor ue en el e e

el cual se emplea para hacer rotar un generador

eléctrico y de este modo producir electricidad.

r a ( T )

T e m p e r a

t





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Micro Turbina

• Las micro turbinas de hoy, son el resultado del

traba o de desarrollo evolución de los

turbocargadores de automóviles y camiones, unidadesde potencia auxiliar de aviones, y motores de

pequeños aeroplanos, todo a comienzos de la década

de 1950.• Las micro turbinas entraron en pruebas de campo

alrededor de 1997 y comenzó su servicio comercial

.





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Clasificación de las Micro turbinas

• El tamaño de las micro turbinas disponibles esta entre

los 30 a 350 kW mientras ue las turbinas

convencionales a gas están entre los 500 kW y 250MW.

• Hay, especialmente, dos tipos de micro turbinas :

– Micro turbinas de un solo eje.

– Micro turbinas de dos ejes o de eje partido.





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E im l





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Micro turbina Eje Simple

• Evolucionaron de los turbocargadores de automóviles

camiones unidades de otencia auxiliar de aviones

y motores de pequeños aeroplanos.• Constan de com resor combustor turbina

alternador, recuperador y generador.

ha fabricado mas de 1700

microturbinas.

(Oct, 2001)





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Esquema de una Micro Turbina





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Esquema de una Micro Turbina





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Arreglo de Micro turbina

Combustible entra en la cámara de

combustión. La turbina puede

funcionar con gas natural, gasolina,

Combustible

kerosene –Virtualmente cualquiera

puede ser quemado

os gases ca entes e com ust n

hacen girar la turbina, la cual esta en

el mismo eje de la turbina.

El escape transfiere calor al aire deentrada.

Turbina

Generador

Eléctrico

Compresor

Air

compresor que es calentado por losgases de escape que entran a la

cámara de combustión





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• Desarrolladas por Capstone, Elliot y Honeywell.

• .

• Un gran numero de configuraciones han sido

anterior Elliot Energy System

Fabricante Velocidad Potencia

kW e Recuperada

.Elliot 116.000 45 No




.


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• Las velocidades optimas rotacionales de las MT a

otencia nominal están entre 60.000 100.000 r m.

• El diámetro de la punta del compresor es de algunasul adas similar a los turbocar adores.

• Las diferencia con los turbocargadores esta en el

diseño aerodinámico.• En el diseño es emplea Computacional Fluid

Dynamics (CFD), materiales compuestos y

rodamientos de cerámica.





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Configuración

• Un numero grande de configuraciones de caminos

ara el flu o han sido em leados en la turbina.

• El mas compacto es el Wrap-around , con uncombustor anular usado or Ca stone.

Compresor Generador

TurbinaRecuperador

enera or

Compresor

Combustión

TurbinaRecuperador

Cámara de Combustión




Anular Recirculante


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Configuración

Generador Turbina

C200C200 (200 kW)(200 kW)

Combustión

Compresor

C60C60/65 (60 and 65 kW)/65 (60 and 65 kW)

Recuperador

C30C30 (30 kW)(30 kW)





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Configuración




Compresor Compresor TurbinaTurbina


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Configuración: Compresor-Turbina

ImpelesImpeles..

Derec aDerec a:: Tur inaTur ina CeramicaCeramica

IzquierdaIzquierda:: compresor compresor..Ambos de 20 mm deAmbos de 20 mm de

diametrodiametro





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Diseños de Camino de Flujo




Var os D seños e Cam nos e F u o e M cro tur nas


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Compresor-Recuperación

• La MT emplea un ciclo Brayton con o sin

recu eración.

• La MT opera a una menor relación de compresión (3a 4 com arado con las randes GT 10 a 15 .

• En MT recuperadas, la relación de compresión es

directamente proporcional a la diferencia detemperatura entrada salida.

• En MT recuperada la eficiencia puede llegar a 30%.

• En MT NO recuperada la eficiencia llega a 17%.





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Recuperador

ArregloArreglo dede RecuperadorRecuperador

EmpleadoEmpleado para para aumentar aumentar lala

eficienciaeficiencia de lade la transferenciatransferencia




dede calor calor


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Configuración

Ejemplo de Diseno de una MT

Dimensiones dependen de la

ca acidad de salida





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Compresor

• Un característica importante de diseño es el uso de

com resores de lu o radial.

• Se logran grandes relaciones de compresióntí icamente de 3 a 4:1 en una sim le eta a son

necesario seis etapas axiales).

• Para turbinas < 100 kW se emplea una sola etapa decompresor radial.




Compresor AxialCompresor AxialCompresor RadialCompresor Radial


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Eficiencia del Compresor

Compresores

radiales para

MT

87%89%





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Cojinete: Bearing

• Importancia suprema para el arranque en frio de la

MT son los rodamientos.

• Se emplean rodamiento flotantes en aire.•

localizado al comiendo del impele y requiere que se

incrementa el espaciamiento axial entre la turbina ycompresor.

• No requiere aceite, ni refrigeración.





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Generador: PMG

• La mejora de los materiales para imanes

ermanentes ha resultado en eneradores con imanes

permanentes (PMG) mas eficientes.• La excitación es hecha or imanes ue so ortan hasta

260° C.

• Estos generadores imponen retos: dinámica de altasvelocidades, balance, limitaciones de temperatura,

selección del refrigerante, perdidas parasitas, etc.

• PMG provee un suave arranque.





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Generador: PMG

• La potencia (P) de una PMG, es función de la

velocidad del rotor el volumen: siendo L D.

Mapa de eficiencia del generador.

e

de la velocidad rotacional Krpm

c i a k W e

P o t e n

Velocidad Rotacional





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Combustible: Gas Natural

• El gas natural es la elección para pequeños

comercios ho ares.

• Requiere compresión desde las presiones de latubería a niveles ue exceden la resión de entre a

del compresor de la MT.

• La presión de salida del compresor es típicamente 3 a3 Atmosferas/

• Eficiencia adiabática del 40% y requiere cerca del 6%

de la potencia de la salida de potencia.





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Combustible: Gas Natural

• La selección de la relación de compresión del ciclo de

la MT re uiere considerar el e ui o de suministro de

gas.

Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected] © 2008



Brayton invertido


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Aspectos de Diseño

• Costos – costos globales de US$/kW y costo del

recu erador.

• Emisiones.•

• Dinámica del eje y diseño de los rodamientos.

, .





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Aplicaciones

• Stand-by power, power quality y reliability, peak

shavin co eneracion

• Pueden emplear variedad de combustibles, se puedenusar con as asociado

• La aplicación en transporte esta en progreso.




100kW100kWAplicacionAplicacion de Capstone en GMde Capstone en GM


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Electrónica de Potencia y Controles

• El generador de la MT produce AC de alta

recuencia.

• La electrónica de potencia se emplea para convertir la uente no re ulada de otencia a una orma útil

(por ejemplo 60 Hz, 480 V).

Arquitectura de una


Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida

mo erna


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Electrónica de Potencia y Control

1-> 2->Corriente HF suministrada por

Corriente de la Cargael generador

Convertidores alanzan una

eficiencia mayor al 96%.

orr en e en e genera or

Corriente de la Carga



Oscilograma de una sistema de MT operativo


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Control: Tecnología DSP

• Micro Nivel: control para manejar la electrónica de

otencia.

– Mas demandante.• acro Nivel: Mane ar el sistema como un todo.

– Flujo de Potencia, Fuente de energía, Elemento de

Almacenamiento, Carga.



rocesam en o e e a g a y on ro


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Costos

Costos Asociados a las Microturbinas

ostos e crotur nas

Costo de Capital 700-1100 US$/kW

Costo de O y M $.005-0.016 US$/kW

Intervalos de Mtto 5000-8000 hrs




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Costos

Distribución de costos en una micro turbina

emen o e os o

Cabeza de Potencia 25%

ecupera or

Electrónica 25%

Generador 5%

Accesorios 5%

Empaque 10%




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Costos

• La recuperación de calor aumenta US$75 -

US 350/kW.

• Los costos de instalación pueden variar por lalocalización a re ando un 30-50% del costo total de

instalación.

• Se espera que el costo en el futuro disminuya por debajo de US$650/kW.




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Eficiencia

Eficiencia de la Microturbina

on gurac n c enc a

No recuperada 15%

Recuperada 20-30%

Con recuperación de calor Hasta 85%



DtechDtech TurbinesTurbines


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Eficiencia

Eficiencia

Fabricante

rpm

kW e%

(base LHV)

Recuperada

.

Elliot 116.000 45 17 No




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Eficiencia-Costos

Características de Rendimiento y Costos de sistemas de Micro

turbinasCaracterísticas de rendimiento y

costos Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4Capacidad de Electricidad Nominal (kW) 30 kW 70 kW 100 kW 350 kW

Costo del empaque (2000 US$/kW) US$1,000 US$950 US$800 US$750

Costo Total Instalado (2000 US$/kW) US$2,516 US$2,031 US$1,561 US$1,339

Heat Rate Eléctrico (Btu/kWh) 14,581 13,540 12,637 11,766

. . . .

Entrada de Combustible (MMBtu/hr) 0.437 0.948 1.264 4.118

Presión de Gas Combustible Requerida

(psig)55 55 75 135

1: Capstone modelo 330-30kW, 2: IR Energy System 70LM-70kW (dos ejes), 3: Turbec T100-100kW,4: DTE modelo actualmente en desarrollo -350kW




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Eficiencia-Costos

Características de Rendimiento y Costos de sistemas de Micro

turbinas

Características de rendimiento y costos Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4

Capacidad de Electricidad Nominal (kW) 30 kW 70 kW 100 kW 350 kW

Costo del empaque (2000 US$/kW) US$1,000 US$950 US$800 US$750

osto ota nsta a o , , , ,

Eficiencia Eléctrica (%) 23.4% 25.2% 27.0% 29.0%

Caracteristicas CHP

Flujo de Escape (lbs/seg) 0.72 1.40 1.74 5.00Temp de Gases de escape (grados F) 500 435 500 600

Temp Gases de Escape Intercambaidor

(grados F)150 130 131 140

Calor de salida (MMBtu/hr) 0.218 0.369 0.555 1.987

Ca or e sa a ( W equ va entes) 64 108 163 582

Eficiencia total CHP (%) 73% 64% 71% 77%

Potencia/Heat Ratio 0.47 0.65 0.62 0.60

Neto Heat Rate (Btu/kWh)10 5,509 6,952 5,703 4,668



E c enc a e ectr ca e ect va (%) 62% 49% 60% 73%


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Fortalezas-Amenazas

Fortalezas Amenazas

Pequeño numero de partes móvilesa a e c enc a com ust e

electricidad

eficiencia con altas

temperaturas ambientes

Peso ligero

Buena eficiencia en co eneraciónBajas emisiones

Puede usar combustibles de

desechosLargos intervalos de



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E D l




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Micro Turbina de Eje Doble

• Siguen una filosofica de diseno semejante a la usada

de chillers calderas u hornos.

• Son disenadas para aplicaciociones industriales decalidad estacionaria.

Diagrama de una Micro turbina de

E e artido




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• Las micro turbinas de dos ejes, o de eje partido, como

también son denominadas em lean una turbina ue

gira a 3600 rpm y un generador convencional(usualmente un generador de inducción) unido a una

caja de engranajes reductora.

Diagrama de una Micro turbina dee par o




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Diagrama de una Micro turbina de

Eje partido




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• Emplea componentes metálicos radiales de turbo

ma uinaria.

• Emplean sistemas presurizados de lubricación.•

3:1.

• Em lean una eta a de com resión dos eta as deturbina



V j d MT Ej D bl


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Ventajas de MT Eje Doble

• Aumenta la vida útil del equipo

–

turbinas

• Potencia mecánica de salida:

– Cualquier componte mecánico puede ser impulsado por la

turbina de potencia.

– e pue en nc u r compresores re r gerantes, c er e

ciclo de vapor.

– Tí icamente em leado en armonía en sistemas de ciclos de

refrigeración.



V j d MT Ej D bl


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• Diseño mecánico del eje:

–

potencia de la turbina y los componentes de carga

(compresor, impele, generador, etc).

– La complejidad de diseño de cada eje simple es mucho

menor que la requerida en el diseño del eje de las turbinas

de un solo e e.

• Complejidad de la configuración de componentes:

– Una turbina de potencia independiente provee el mas

grande grado de libertad en el esquema de los componentesgiratorios.



V t j d MT Ej D bl


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• Aspectos de seguridad mecánica:

–

reduce el peligro de una falla catastrófica en el sistema

giratorio.

• Características favorables de torque/velocidad:

– Debido a que el flujo másico que fluye por el motor no

.

– La turbina realmente maneja mas torque ya que es mas

lenta, comparada con la turbina de un solo eje.



A li i


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Aplicaciones

• La MT de eje doble puede ser empleado en una

variedad de a licaciones debido a su flexibilidad

inherente en su diseño mecánico.Matriz de Aplicaciones para MT de dos ejes



A li i


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Aplicaciones

Aplicación de la MT como Enfriador

Calor al

usuario

Agua fria o

Aire alRecuperador

Gas

400° Fusuario

Combustor Turbina

de

potencia

naturalRecuperador

de calor de

escapeGases de Evaporador

TurbinaCompresor

Gasificador

Compresor

RefrigeranteEntrada de

Aire

escape a vu a e

expansion



Eje 1 Eje 2Condensador

Efi i i


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Eficiencia

Efecto de la Temp. Entrada a la Turbina y la

Relación de Com resión

Mejoras puedenser logradas con

aumento e a

relación de

compresión o

mas altastemperatura de

aire a la entrada



Eficiencia


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Eficiencia

Mejora en el Desempeño del Recuperador

Recuperaciónmejora la

e c enc a e una

turbina típica de

ciclo simple.

Efecto esdramático en el

rango bajo de

relaciones de

compres n

(>3:1)



Eficiencia


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Eficiencia

Mapa de Eficiencia(para recuperador con efectividad del 91%)

33%

@1600° F y 3:1



Eficiencia


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Eficiencia

Mapa de Eficiencia(para recuperador con efectividad del 85%)

33%

@1800° F y 4:1

Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected] © 2008Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida

Fabricantes


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Fabricantes

• Bowman Power Systems: 80kW

•

• Elliott Energy Systems: (80-kW)- -

• Turbec ABwww.capstoneturbine.com

http://www.bowmanpower.co.uk/www.tapower.com


http://www.turbec.com/

Vista de Microturbinas


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IT250 Microturbine:

250 kw Infinity Turbine

Turbine Size: 250 kw

Flow Rate: 500+ gpmTemp Diff:125+ deg F

-

Skid Mounted: Modular

Delivery: 11 weeks

Turbine Price: 300.000 US$

Capstone C30: $24,000 - $39,000


Capstone C60: $48,000 -$78,000


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CapstoneCapstone microturbinemicroturbine (30(30 kWkW))


ElliotElliot microturbinemicroturbine (80(80 kWkW))

Elliot Microturbines


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TA100TA100


TA100TA100--OffshoreOffshore



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