ES2302204T3 - Procedimiento para accionamiento de un compresor de una turbina de gas en el caso de refrigeracion por evaporacion del aire aspirado del compresor. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el accionamiento de un compresor de una turbina de gas, en el que el aire del compresor absorbido del entorno es refrigerado antes de ingresar en el compresor mediante refrigeración por evaporación, asimismo, antes de la puesta en marcha del compresor se determinan y/o se ponen a disposición, a modo de juego de datos, los descensos de temperatura máximos posibles por obtenerse mediante la refrigeración por evaporación, dependiendo de diferentes condiciones del entorno, los descensos de temperatura se vinculan con un campo característico del compresor, a partir del cual se pueden extraer oscilaciones máximas de temperatura en diferentes condiciones del entorno y ante diferentes números de revoluciones del compresor, que deben respetarse para evitar una pulsación, caracterizado porque la refrigeración por evaporación sólo puede ser accionada si las condiciones del entorno momentáneas arrojan un descenso de temperatura máximo posible, del cual una fracción predeterminada, de entre 50% y 100%, no supera las máximas oscilaciones de temperatura tomadas del campo característico para estas condiciones del entorno y un número de revoluciones momentáneo del compresor.
Description
Procedimiento para el accionamiento de un
compresor de una turbina de gas en el caso de refrigeración por
evaporación del aire aspirado del compresor.
La presente invención comprende un procedimiento
para el accionamiento de un compresor de una turbina de gas, en el
que el aire del compresor absorbido del entorno es refrigerado
mediante refrigeración por evaporación antes de ingresar en el
compresor.
En el accionamiento de turbinas de gas se
comprime aire aspirado del entorno en un compresor y se suministra
a un proceso de turbinas de gas. Para incrementar el rendimiento de
la turbina de gas se conoce el procedimiento de refrigerar
adicionalmente el aire del compresor absorbido antes de ingresar en
el compresor. Esta refrigeración se lleva a cabo, en muchos casos,
a través de la inyección de ínfimas gotas de agua o vapor de agua en
la corriente de aire aspirada por el compresor, que se refrigera a
través de la evaporación del agua.
La implementación de la refrigeración por
evaporación puede, sin embargo, producir oscilaciones de temperatura
en la corriente de aire absorbido, por lo cual se expone al
compresor al peligro de pulsaciones. En casos graves estas
pulsaciones pueden provocar la destrucción de componentes de la
instalación, y por ello siempre deben ser evitadas.
En el caso de las turbinas de gas conocidas que
trabajan con aire del compresor absorbido, refrigerado por
refrigeración por evaporación, se conoce el procedimiento de medir
constantemente, y en diferentes puntos, la temperatura en el aire
del compresor absorbido durante el funcionamiento. De este modo se
reconocen las oscilaciones de temperatura y el compresor puede ser
desactivado rápidamente en el caso de una amplitud de oscilación
muy elevada, evitando así posibles daños. Para cada compresor se
ponen a disposición los campos característicos correspondientes que
indican los límites específicos de las oscilaciones de temperatura
para el compresor, por encima de los cuales puede presentarse una
pulsación del compresor. El control de la temperatura requiere la
aplicación de múltiples sensores de temperatura protegidos en el
manguito de absorción, así como un hardware y un software
correspondientes para el procesamiento de las señales de medición.
Pero en el caso de estos sensores de temperatura protegidos, existe
el problema de que durante el funcionamiento frecuentemente se
mojan, y por ello proveen mediciones fallidas con, aparentemente,
oscilaciones de temperatura demasiado elevadas. La memoria EP 0 889
212 presenta un procedimiento para el accionamiento de un compresor
acorde al término genérico de la reivindicación 1. El objetivo de
la presente invención consiste en presentar un procedimiento para
el accionamiento de un compresor de una turbina de gas, con aire
absorbido del compresor, refrigerado mediante refrigeración por
evaporación, que reduce la posibilidad de avisos fallidos en un
funcionamiento seguro del compresor, y que se puede realizar de modo
económico.
El objetivo se logra con el procedimiento acorde
a la reivindicación 1. Los condicionamientos ventajosos del
procedimiento son objeto de las subreivindicaciones o se desprenden
de la siguiente descripción y del ejemplo de ejecución.
En el presente procedimiento para el
accionamiento de un compresor de una turbina de gas, en el que el
aire absorbido del entorno del compresor es refrigerado mediante
refrigeración por evaporación antes de ingresar en el compresor,
antes de la puesta en marcha del compresor se determinan y/o se
ponen a disposición, a modo de juego de datos, los máximos
descensos de temperatura posibles por obtenerse por refrigeración
por evaporación, dependiendo de diferentes condiciones del entorno.
Estos descensos de temperatura se vinculan con un campo
característico del compresor, a partir del cual se pueden extraer
máximas oscilaciones de temperatura en diferentes condiciones del
entorno y ante diferentes números de revoluciones del compresor, que
deben respetarse para evitar pulsaciones. La refrigeración por
evaporación sólo se acciona si las condiciones del entorno
momentáneas arrojan un máximo descenso de temperatura posible, del
cual una fracción predeterminada, de entre 50% y 100%, no supera
las máximas oscilaciones de temperatura tomadas del campo
característico para estas condiciones del entorno y un número de
revoluciones momentáneo del compresor.
De esta manera, el presente procedimiento puede
llevarse a cabo sin sensores de temperatura, de modo que no se
presenten más avisos fallidos condicionados por ello. El
procedimiento también se puede realizar sin el hardware ni el
software requerido para este análisis sensorio de temperatura, de
modo que puede llevarse a cabo de modo económico. De todos modos,
mediante los pasos de procedimiento del presente procedimiento, se
logra de modo confiable una protección del compresor, dado que no se
acciona la refrigeración por evaporación en condiciones del entorno
en las que la temperatura y la humedad relativa del ambiente superan
o bajan por debajo de determinadas combinaciones de valores límite
de ambas magnitudes. Este segmento de accionamiento restringido se
obtiene a partir de la determinación de oscilaciones de temperatura
en el caso más desfavorable, a partir de los máximos descensos de
temperatura posibles por la refrigeración por evaporación (o una
fracción de ello), en diferentes condiciones del entorno. Estas
oscilaciones de temperatura se comparan con el correspondiente
campo característico del compresor, del cual se pueden tomar las
oscilaciones de temperatura máximas tolerables del aire absorbido
del compresor, para evitar las pulsaciones, en condiciones del
entorno correspondientes y diferentes números de revoluciones del
compresor. Si la amplitud de oscilación que se puede alcanzar
mediante la refrigeración por evaporación, con los valores
momentáneos del entorno y de las revoluciones, se halla por debajo
del límite de pulsaciones del compresor, se puede accionar sin
peligro el compresor con la refrigeración por evaporación. Si la
amplitud se halla por fuera de esta área, no se acciona o se
desactiva la refrigeración por evaporación. Con este modo de
proceder se restringe la línea de trabajo del compresor, dependiendo
de las condiciones del entorno y el número de revoluciones.
La determinación del máximo descenso de
temperatura posible por refrigeración por evaporación, dependiendo
de diferentes condiciones del entorno, es decir, de la diferente
temperatura ambiente y diferente humedad relativa, se puede llevar
a cabo por vía del cálculo o por medición previa. También se pueden
utilizar tablas o diagramas ya existentes. En el caso del presente
procedimiento, también se aprovecha que el máximo descenso de
temperatura alcanzable mediante la refrigeración por evaporación en
general es mayor a las oscilaciones de temperatura generadas por
ello en el aire absorbido del compresor. La relación entre ambas
magnitudes, es decir, de la fracción del descenso de temperatura
que corresponde a la oscilación de temperatura resultante, puede
determinarse empíricamente. En el presente procedimiento se fija
preferentemente un valor en el área de aproximadamente el 80% del
máximo descenso de temperatura posible como la oscilación de
temperatura resultante.
En un acondicionamiento del presente
procedimiento, durante el funcionamiento de la turbina de gas se
registran constantemente las condiciones del entorno, es decir, la
temperatura y la humedad relativa del ambiente, para desactivar la
refrigeración por evaporación en el caso de que existieran
modificaciones que pudieran generar un peligro de pulsaciones del
compresor.
Preferentemente, esta desactivación de la
refrigeración por evaporación también se lleva a cabo si la presión
del medio suministrado para la refrigeración por evaporación,
especialmente agua, supera o baja por debajo de determinados
valores límite predeterminables. La desactivación se lleva a cabo
preferentemente cuando la presión en la alimentación desciende por
debajo de 120*10^{5} Pa (120 bar) o supera los 180*10^{5} Pa
(180 bar). En otro acondicionamiento, esta desactivación también se
realiza cuando el flujo de masa del medio suministrado para la
refrigeración se desvía más del 5% del flujo de masa nominal
predeterminado.
Además, en el presente procedimiento, la
inyección del medio de evaporación en la corriente de aire absorbido
del compresor se lleva acabo de modo tal que se obtiene una
distribución simétrica dentro del corte transversal del manguito de
absorción y/o una inyección ponderada en relación con la velocidad
local de la corriente del aire absorbido, para una máxima
homogeneidad de la corriente de aire saturada. En el último caso
mencionado, las toberas de inyección, en las áreas del corte
transversal de elevada velocidad de corriente en el manguito de
absorción están dispuestas más cercanas entre sí que en otras
áreas, de modo que se cumple la ecuación de continuidad.
\dot{m} =
\rho x \overrightarrow{V} x
A
A continuación se explica en mayor detalle el
presente procedimiento a partir de un ejemplo de ejecución en
relación con los dibujos. Se muestran:
Figura 1 un ejemplo de un campo característico
de un compresor, indicando el límite de pulsaciones, la línea de
trabajo no perturbada y la línea de trabajo desplazada por las
desviaciones de temperatura;
Figura 2 un ejemplo de un campo característico
de una turbina de gas, que indica las máximas oscilaciones de
temperatura que se pueden presentar para evitar las pulsaciones en
el caso de diferentes números de revoluciones del compresor;
Figura 3 un ejemplo de la restricción del área
de trabajo de la refrigeración por evaporación acorde al presente
procedimiento;
Figura 4 un ejemplo de una relación determinada
empíricamente entre el máximo descenso de temperatura alcanzable
por la refrigeración por evaporación y las oscilaciones de
temperatura resultantes por ello;
Figura 5 un segundo ejemplo de la restricción
del área de trabajo de la refrigeración por evaporación acorde al
presente procedimiento;
Figura 6 un ejemplo del modo de proceder para
controlar la refrigeración por evaporación.
La figura 1 muestra, a modo de ejemplo, un campo
característico de un compresor de una turbina de gas, en el cual se
indican el límite de pulsaciones 1, la línea de trabajo no
perturbada 2 y la línea de trabajo desplazada por las oscilaciones
de temperatura 3. Además, se pueden reconocer las líneas del número
de revoluciones constante del compresor en el caso de diferentes
números de revoluciones n* (como fracción del número de revoluciones
nominal). El especialista está familiarizado con este modo de
representación. En la parte derecha de la figura, está representado
un procedimiento de funcionamiento partiendo de un punto de trabajo
4, en el que primero el punto de trabajo es desplazado a un flujo
algo reducido, por un 1% de suciedad en la línea de trabajo 2, y
posteriormente, por las oscilaciones de temperatura con una amplitud
de oscilación de 20ºC es desplazado a un punto de trabajo 5 en la
línea de trabajo 3. Por el campo característico se puede reconocer
claramente que en esta área de trabajo no existe ningún peligro de
pulsaciones, dado que hay una distancia suficiente respecto del
límite de pulsaciones 1. Por el contrario, en el área que se puede
reconocer en la parte izquierda de la figura 1, de un menor flujo,
la amplitud de oscilación de la temperatura de 4ºC ya es conducida a
un punto de trabajo 5 sobre la línea de trabajo desplazada 3, que
se halla sobre el límite de pulsaciones 1. Un área de trabajo de
este tipo se debe evitar absolutamente para impedir daños.
La figura 2 muestra un campo característico
típico de un compresor, en el cual están anotadas las máximas
oscilaciones de temperatura tolerables para impedir las pulsaciones,
dependiendo de los diferentes números de revoluciones del compresor
(en porcentajes del número de revoluciones nominal), del modo en que
podrían originarse por oscilaciones de la red. Las máximas
oscilaciones de temperatura tolerables, junto con el número de
revoluciones, también dependen de la temperatura ambiente, es decir,
de la temperatura sin la refrigeración por evaporación. En las
turbina de gas conocidas se controlan constantemente las
temperaturas en diferentes puntos, mediante una disposición de
sensores de temperatura en el manguito de absorción, para detectar a
tiempo una superación de las máximas oscilaciones de temperatura
tolerables anotadas en un campo característico de ese tipo.
Acorde al presente procedimiento, se pudo
reconocer que ya no se requiere este tipo de control si las máximas
oscilaciones de temperatura posibles que se pueden alcanzar a través
de aplicación de la refrigeración por evaporación en condiciones
del entorno predeterminadas, son menores a las máximas oscilaciones
de temperatura tolerables en estas condiciones del entorno. La
máxima oscilación de temperatura posible corresponde a la
diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura de
termómetro húmedo, en el caso de una humedad relativa
predeterminada. Esta relación calculable puede desprenderse de la
figura 3. En esta figura, la diferencia de temperatura entre la
temperatura ambiente y la temperatura de termómetro húmedo está
indicada a través del haz de líneas de puntos en el caso de
diferente temperatura ambiente y diferente humedad relativa. La
línea continua en la parte izquierda de la figura indica el límite
de engelamiento a partir del cual se presenta la formación de hielo
a través del vapor de agua ingresado con el aire absorbido, es
decir, las gotas de agua introducidas. Este tipo de área de trabajo
a la izquierda de la línea de engelamiento no debe ser alcanzada
durante el funcionamiento del compresor, dado que, de lo contrario,
se produce el engelamiento.
En la misma representación están registradas, en
el ángulo inferior derecho, las líneas límite para diferentes
números de revoluciones del compresor de 95% a 100% (respecto del
número de revoluciones nominal). Estas líneas límite indican las
áreas para el compresor respectivo dentro de las cuales se presenta
el peligro de pulsaciones. En el presente ejemplo esto significa
que, por ejemplo, en el caso de un número de revoluciones del 95%
del número de revoluciones nominal, no se deben alcanzar las áreas
que se encuentren a la derecha de la línea límite correspondiente,
en el caso de la refrigeración por evaporación desactivada. Si las
condiciones del entorno, es decir, la temperatura ambiente y la
humedad relativa, se encuentran dentro de esta área, no se acciona
la refrigeración por evaporación. Por otro lado, en el área a la
izquierda de esta línea límite no existe peligro de pulsaciones por
oscilaciones de temperatura, generadas por la refrigeración por
evaporación. En el caso de estas condiciones del entorno, el
compresor puede ser accionado sin peligro con la refrigeración por
evaporación, sin más mecanismos de control de temperatura.
En el caso de la restricción del área de trabajo
acorde a la figura 3, dentro de la cual puede ser accionada, en el
compresor, la refrigeración por evaporación, se supuso que el
descenso de temperaturas alcanzado gracias a la refrigeración por
evaporación produce oscilaciones de temperatura que corresponden a
la misma diferencia de temperatura. Sin embargo, en general este no
es el caso, como se puede observar en la figura 4. La relación
entre el descenso de temperatura alcanzado por la refrigeración por
evaporación y las oscilaciones de temperatura resultantes por ello
se puede determinar a través de mediciones. A partir de mediciones
de la figura 4 se puede reconocer que la amplitud de la oscilación
de temperatura, resultante por la refrigeración por evaporación, en
general es menor a la amplitud del descenso de temperatura obtenida
por esta refrigeración por evaporación. Junto a los datos medidos,
en la figura están dibujadas las curvas que se obtienen suponiendo
una oscilación de temperatura resultante que corresponde al 50%,
80% o 100% de la amplitud del descenso de temperatura alcanzado por
la refrigeración por evaporación. Por la figura se reconoce
claramente que se acercan más a la realidad las curvas del 80% y
del 50% que la curva del 100%.
Para el modo de funcionamiento de un compresor
acorde al presente procedimiento, se indica preferentemente una
relación en la que las oscilaciones de temperatura resultantes por
la refrigeración por evaporación correspondan a un 80% del máximo
de los descensos de temperatura posibles ocasionados por la
refrigeración por evaporación. Esto está representado en la figura
5, en la que están anotados los mismos datos que en la figura 3, ya
descrita anteriormente. Sin embargo, en este caso la restricción
del área de trabajo de la refrigeración por evaporación es menor,
de modo que en la parte inferior derecha de la figura se genera un
área prohibida menor, dentro de la cual no se puede llevar a cabo
la refrigeración por evaporación.
Al implementar el presente procedimiento en una
turbina de gas, el sistema de inyección de la refrigeración por
evaporación debe estar dispuesto adecuadamente delante de la entrada
del compresor. Para ello, las toberas individuales o los escalones
de toberas deben estar dispuestos simétricamente dentro del corte
transversal del manguito de absorción. Por otro lado, es ventajoso
si las toberas en las áreas con mayor velocidad de corriente del
aire absorbido se encuentran más cercanas entre sí que en áreas con
una menor velocidad de corriente del aire absorbido, de modo que se
obtiene una máxima igualdad del flujo saturado en la corriente de
aire absorbido. En un manguito de absorción de una turbina de gas,
las mayores velocidades de corriente del aire absorbido se
presentan sobre todo en el área central, de modo que en ésta área
las toberas de inyección deben estar dispuestas más cercanas entre
sí que en otras áreas. En principio, la densidad de las toberas debe
posibilitar el mantenimiento de la ecuación de continuidad.
\dot{m} =
\rho x \overrightarrow{V} x
A
Finalmente, la figura 6 muestra, de modo
esquemático otro acondicionamiento en el cual la presión en el
conducto de alimentación 8 de la refrigeración por evaporación es
controlada a través de un dispositivo de medición de presión 9,
para poder desactivar la alimentación mediante la unidad de mando 10
al superar o bajar por debajo de un valor límite de dicha presión,
que se halla preferentemente entre 120*10^{5} Pa (120 bar) y
180*10^{5} Pa (180 bar). Además, en el caso del acondicionamiento
representado, con un dispositivo de medición 11, se mide el flujo
de masa en el conducto de alimentación 8 durante el funcionamiento,
y en el caso de una desviación de más del 5% del valor nominal
también se desactiva la refrigeración por evaporación.
- 1
- Límite de pulsaciones
- 2
- Línea de trabajo
- 3
- Línea de trabajo desplazada
- 4
- Punto de trabajo en la línea de trabajo no perturbada
- 5
- Punto de trabajo en la línea de trabajo desplazada
- 8
- Conducto de alimentación
- 9
- Dispositivo de medición de presión
- 10
- Unidad de mando
- 11
- Dispositivo de medición para el flujo de masa
Claims (6)
1. Procedimiento para el accionamiento de un
compresor de una turbina de gas, en el que el aire del compresor
absorbido del entorno es refrigerado antes de ingresar en el
compresor mediante refrigeración por evaporación, asimismo, antes
de la puesta en marcha del compresor se determinan y/o se ponen a
disposición, a modo de juego de datos, los descensos de temperatura
máximos posibles por obtenerse mediante la refrigeración por
evaporación, dependiendo de diferentes condiciones del entorno, los
descensos de temperatura se vinculan con un campo característico
del compresor, a partir del cual se pueden extraer oscilaciones
máximas de temperatura en diferentes condiciones del entorno y ante
diferentes números de revoluciones del compresor, que deben
respetarse para evitar una pulsación, caracterizado porque
la refrigeración por evaporación sólo puede ser accionada si las
condiciones del entorno momentáneas arrojan un descenso de
temperatura máximo posible, del cual una fracción predeterminada,
de entre 50% y 100%, no supera las máximas oscilaciones de
temperatura tomadas del campo característico para estas condiciones
del entorno y un número de revoluciones momentáneo del
compresor.
2. Procedimiento acorde a la reivindicación 1,
caracterizado porque la refrigeración por evaporación sólo
se acciona si las condiciones momentáneas del entorno arrojan un
máximo descenso de temperatura posible del cual una fracción del
80% no supera las máximas oscilaciones de temperatura tomadas del
campo característico para las condiciones del entorno momentáneas y
un número de revoluciones momentáneo del compresor.
3. Procedimiento acorde a la reivindicación 1 o
2, caracterizado porque durante el funcionamiento del
compresor se registran constantemente una temperatura y una humedad
relativa del ambiente como condiciones del entorno, y la
refrigeración por evaporación se desactiva al alcanzarse las
condiciones del entorno en las que no se acciona la refrigeración
por evaporación.
4. Procedimiento acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque durante el
funcionamiento del compresor constantemente es medida una presión
de un medio de evaporación suministrado para la refrigeración por
evaporación, y en el caso de superar o quedar debajo de los valores
límite predeterminados, se desactiva la refrigeración por
evaporación.
5. Procedimiento acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque constantemente
se mide un flujo de masa de un medio de evaporación suministrado
para la refrigeración por evaporación, y en el caso de una
desviación de más del 5% de un valor nominal predeterminado, se
desactiva la refrigeración por evaporación.
6. Procedimiento acorde a una de las
reivindicaciones 1a 5, caracterizado porque la refrigeración
por evaporación se acciona por la distribución adecuada de toberas
de inyección para un medio de evaporación, en un corte transversal
de un manguito de absorción de aire del compresor, de modo tal que
se logra un flujo del aire del compresor absorbido, saturado de
modo regular a lo largo de todo el corte transversal.
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