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Turbinas a gas y sus sistemas de regulación de velocidad




Enviado por jimmy gonzales



  1. Control carga/velocidad
  2. Sistemas de control de
    combustible
  3. Turbina a gas
  4. Sistema de control de
    temperatura
  5. Unidades de ciclo combinado y sus sistemas de
    regulación de velocidad

En las unidades con turbinas a gas las acciones de
control son realizadas por 4 sistemas de control que compiten por
el manejo de la válvula de entrada de combustible a la
cámara de combustión:

• Los controles de arranque y parada, sólo
toman el control en esas etapas.

• El control de aceleración sólo toma
el control durante las secuencias de arranque y parada o ante
variaciones muy grandes de velocidad, por ejemplo por apertura
del interruptor de máquina en carga, pero no en
operación en paralelo.

• En la operación en paralelo sólo
compiten por el manejo de la válvula los lazos de
temperatura y velocidad.

• El manejo de la válvula lo realiza el
control de carga/velocidad sujeto a un límite
máximo dado por el límite de temperatura.
Límite que varía con las condiciones de
operación (temperatura ambiente).

Control
carga/velocidad

Representa el regulador de velocidad de la unidad
(figura 9.3.1), las entradas son la desviación de
velocidad (?N) y la referencia de carga de la unidad (VL), las
salida es el flujo de combustible FD para mantener la
velocidad.

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Figura 9.3.1: Control
carga/velocidad.

Los parámetros W, X, Y y Z se pueden ajustar para
que el regulador actúe con estatismo permanente (Rp) o en
forma sincrónica (Z=0).

FD representa el valor deseado de potencia
mecánica de salida de la turbina determinado por el
control carga/velocidad. FD está limitada por los
limitadores de temperatura y de aceleración a
través de una compuerta que selecciona el valor
mínimo.

Sistemas de
control de combustible

• El flujo de combustible tiene un límite
superior que representa el máximo flujo de combustible
físicamente obtenible y un límite inferior que
mantenga la combustión en toda condición de
operación.

• K6 es el valor de offset que representa el flujo
de combustible en vacío a velocidad nominal.

• La velocidad de la bomba de combustible
está vinculada con la velocidad del rotor, se encuentra en
el mismo eje.

• La constante de tiempo T representa el retardo de
tiempo del regulador de velocidad que utiliza lógica
digital en vez de dispositivos analógicos.

• La dinámica de la válvula de
combustible y del flujo de combustible en la tubería es
representada por sistemas de 1er orden con constante de tiempo
b/c y tf.

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Figura 9.3.2: Diagrama de bloques del
sistema turbina-regulador de velocidad de una turbina a
gas.

Turbina a
gas

• El flujo de combustible WF ingresa
al sistema cámara de combustión.

• Los gases de combustión impulsan a la
turbina que entrega un torque mecánico en su eje. El
torque multiplicado por la velocidad determina la potencia
mecánica PMECH desarrollada por la turbina.

• La potencia mecánica entregada por la
turbina tiene un pequeño retardo ECR + TCD con respecto al
caudal de combustible dado por el proceso de
combustión.

• ECR representa el retardo de tiempo de la
cámara de combustión, TCD es la constante de tiempo
de descarga del compresor y ETD el retardo del sistema de
escape.

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Figura 9.3.3: Diagrama de bloques del
sistema turbina-regulador de velocidad de una turbina a gas con
regulador Woodward.

Sistema de
control de temperatura

• Se utilizan unas guías de admisión
"Inlet guide vane" (IGV) para controlar la temperatura de los
gases de escape de la turbina.

• La temperatura de escape TE depende del flujo de
combustible Wf. La medición de TE está representada
por la dinámica de una termocupla y del aislante de
radiaciones (radiation shield).

• La medición de la temperatura de escape TE
es comparada con la temperatura de referencia TR, cuando TE <
TR la salida del controlador PI alcanza el máximo (1.1
pu).

• Si TE > TR la salida del controlador disminuye
hasta el punto donde su salida desplaza a la señal FD en
el bloque que selecciona el valor mínimo Vce.

• Asume el control de la
válvula de admisión de combustible el controlador
de temperatura de escape.

El regulador Woodward consiste en un controlador PID
para el control carga/velocidad. La medición de la
potencia eléctrica es adicionada a la señal de
error para proveer estatismo permanente KDROOP.

9.4. Unidades de
ciclo combinado y sus sistemas de regulación de
velocidad

Una planta de ciclo combinado puede ser vista como el
acoplamiento de una turbina a gas y una turbina a vapor a
través de un generador de vapor por recuperación de
calor "heat recovery steam generator" (HRSG).

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Figura 9.4.1: Esquema del sistema
turbinas-regulador de velocidad de una unidad de ciclo
combinado.

En las unidades de ciclo combinado se aprovecha la
temperatura de los gases de escape para generar vapor. Los gases
son volcados en una caldera recuperadora de calor la cual provee
vapor a una turbina a vapor.

Para lograr el mayor aprovechamiento energético
de estas unidades es necesario mantener una alta temperatura del
vapor aún en condiciones de baja carga. Esto
requiere la inclusión de una estrategia de control de la
temperatura de escape.

En la figura 9.4.1 se muestra la
relación entre los componentes de una unidad de ciclo
combinado.

El modelo del controlador carga/velocidad y
el sistema de control de combustible coinciden con los analizados
en el modelo de turbinas a gas.

Sistemas de control de aire

El sistema incluye un sistema de control de
flujo de aire que ingresa a la cámara de combustión
(figura 9.4.2).

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Figura 9.4.2: Control de los flujos de aire
y de combustible.

En condiciones normales de carga el flujo de combustible
y la admisión de aire con controlados para mantener
constante la temperatura de admisión de la turbina a gas
Tf.

En base al requerimiento de combustible FD y a la
temperatura ambiente TI se determina el flujo de aire deseado
(WD). La temperatura ambiente TI es la temperatura de
admisión de aire al compresor.

La respuesta del control del compresor está
modelada con un retardo de 1er orden con constante
TV y un limitador dinámico que corresponde al rango de
apertura de la admisión de aire. El flujo de aire W es
función de la apertura y de la velocidad en el eje de la
máquina pues el compresor está montado en su
eje.

Sistema de control de temperatura

Se utilizan las guías de admisión "Inlet
Guide Vane" (IGV) para controlar la temperatura de los gases de
escape de la turbina y así mantener la eficiencia del
ciclo a vapor en condiciones de baja carga.

Conociendo el flujo de aire WD se calcula el valor de
referencia para la temperatura de escape TR de manera tal de
mantener la carga deseada a temperatura constante de
admisión a la turbina (Tf).

El cálculo de TR se realiza sobre la base de las
relaciones termodinámicas de la turbina a gas. La
referencia TR ingresa al sistema de control de temperatura de
escape a través de un retardo de 1er orden (TR1) y de un
limitador dinámico.

Al igual que en el control de la turbina a gas la
medición de temperatura de escape TE es comparada con la
referencia TR. Cuando TE>TR el controlador de temperatura de
escape asume el control de la válvula de admisión
de combustible.

Turbina a gas

La figura 9.4.3 muestra las relaciones utilizadas para
determinar la potencia mecánica desarrollada por la
turbina a gas y la temperatura de escape TE.

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Figura 9.4.3: Modelo de una turbina a gas
de una unidad de ciclo combinado.

En la potencia entregada por la turbina en el eje
influyen, además del caudal de combustible WF y de aire W,
la temperatura Tf de admisión a la turbina, con una
dinámica representada por un sistema de primer orden con
constante de tiempo TCD.

Turbina a vapor

El generador de vapor por recuperación de calor
(HRSG) reacciona a los cambios en el caudal de escape de la
turbina a gas y en la temperatura de escape.

La figura 9.4.4 muestra el modelo del sistema HRSG
– turbina a vapor, mientras que en la figura 9.4.5 se
observa un modelo simplificado.

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Figura 9.4.4: Modelo del sistema HRSG
– turbina a vapor de una unidad de ciclo
combinado.

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Figura 9.4.5: Modelo simplificado del
sistema HRSG – turbina a vapor de una unidad de ciclo
combinado.

Referencias apartados 9.3 y 9.4

Working Group on Prime Mover and Energy Supply Models
for System Dynamic Performance Studies: "Dynamic Models for
Combined Cycle Plants in Power System Studies". IEEE Trans. On
Power Systems, Vol. 9, Nro 3, August 1994, pp
1698-1708.

L.H.Hannett and Afzal Khan: "Combustion Turbine Dynamic
Model Validation from Tests". IEEE Trans. On Power Systems, Vol.
8, Nro 1, Feb 1993, pp 152-158.

9.5. "Ingreso de nuevos generadores al MEM. Requisitos
para solicitar su ingreso al MEM". Procedimiento Técnico
Nro 4 de CAMMESA, Argentina. Capítulo II.

Requisitos para el sistema de control de
potencia-frecuencia

• Estatismo permanente ajustado entre
el 4% y 7%.

• Banda muerta inferior a
0,1%.

• Tiempo de establecimiento (necesario para que la
potencia mecánica ingrese en la banda del ± 10% del
incremento de carga aplicado) del lazo de regulación de
velocidad menor a 60 segundos para máquinas
térmicas e inferior a 140 s para máquinas
hidráulicas.

• El lazo de control potencia-frecuencia, se
deberá ajustar de manera tal, que el tiempo de
establecimiento verifique los requisitos

• Para el sistema de control frecuencia-potencia
suministrar modelos que permitan reproducir la dinámica de
variables como: posiciones de válvulas y potencia
mecánica, ante ensayos de rechazo de carga y ensayos de
toma de carga al variar en forma de escalón o rampa las
consignas de potencia y de frecuencia.

• Operar en regulación primaria de
frecuencia, sin ningún tipo de limitación, por lo
menos dentro de la banda ± 0,2 Hz de la frecuencia de
referencia en operación normal (habitualmente 50
Hz).

 

 

Autor:

Jimmy Gonzales

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