Los retos que supone para el sector de la CSP el diseño de turbinas

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Los retos que supone para el sector de la CSP el diseño
de turbinas con parada y puesta en marcha diaria
Posted by [1] on May 3, 2013
Uno de los mayores retos que presentan las turbinas de CSP es que, a diferencia de las turbinas del
sector energético térmico tradicional, estas deben tener la capacidad de encenderse y apagarse a
diario.
¿Qué supone esto para el funcionamiento y la eficiencia de una planta de CSP? Y, ¿qué
avances tecnológicos relacionados con la turbina veremos?
Susan Kraemer [2]
Mitsubishi Heavy Industries (MHI) suministró las turbinas de CSP más antiguas que están en marcha
y que se utilizan para generar energía en la planta de CSP en funcionamiento más antigua (la planta
SEGS construida en los años 80 en California).
"El hecho de que haya que encender y apagar a diario las turbinas de vapor de CSP requiere que en
el diseño se tengan en cuenta las tensiones térmicas que sufren los principales componentes",
declara a CSP Today James Williams, vicepresidente sénior de operaciones de reparación y
fabricación en Norteamérica en Mitsubishi Power Systems Americas (MPSA).
"Las turbinas compatibles con aplicaciones de renovables, como la solar, operan en diferente
condiciones de carga que las turbinas que se emplean en plantas de energía tradicional", señala.
"En una instalación de generación solar es posible que las turbinas se enciendan y se apaguen a
diario mientras que en una instalación nuclear o de carbón tradicional puede estar en marcha a toda
potencia de manera continua durante varios meses".
Para enfrentarse a este problema, se diseñaron las turbinas de MHI en SEGS para que soportaran un
ciclo más estricto de parada y puesta en marcha. MHI emplea un diseño de hoja integralmente
rodeada que ha incrementado su resistencia a las tensiones en los momentos de puesta en marcha
y durante su funcionamiento.
Enseñanzas aprendidas durante el funcionamiento y el mantenimiento
Tradicionalmente, se han diseñado las turbinas para que funcionen durante cinco o seis años de
manera continua, cuando una suspensión temporal del servicio podría llevar dos o tres semanas y,
después, reanudar el funcionamiento de nuevo durante cinco o seis años.
Una vez que se cierra el vapor, las turbinas empiezan a enfriarse lentamente y después de entre 48
y 68 horas llegan a una temperatura suficientemente baja para que se puedan parar por completo.
Así que la parada dura algunos días aunque la reanudación se puede realizar de manera mucho más
rápida, en varias horas.
En 2011, Field System Machining, con sede en California, realizó reparaciones in situ en la
instalación SEGS a las órdenes de Mitsubishi. "Realizamos una importante inspección de las turbinas
de vapor durante 100 000 horas", explica Williams.
"Mitsubishi desmontó la turbina de CSP, retiró el rotor y las partes internas de la carcasa. En las
diferentes partes se analizó la erosión provocada por el vapor, los daños por impactos, las
indicaciones de grietas y el estado de funcionamiento a largo plazo general. Se realizaron
reparaciones en base a los resultados de la inspección".
Las cinco turbinas de MHI llevan en marcha más de 25 años y siguen funcionando bien. La turbina de
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CSP más antigua de Siemens, situada en Nevada Solar One en Boulder City, lleva en funcionamiento
desde 2007. Estas son las plantas de CSP que llevan más años en funcionamiento y su puesta en
marcha diaria supone un desafío al que las plantas de energía térmica tradicionales no tienen que
hacer frente.
El reto que supone la parada y la puesta en marcha diarias
CSP Today preguntó al director del desarrollo de turbinas de vapor del departamento de turbinas de
vapor industriales de Siemens, Jari Nyqvist, por qué las paradas y las puestas en marcha por las
noches causan problemas.
"Hay dos factores—explica en una llamada telefónica temprano desde Suiza—. El primero está
relacionado con el hecho de que estas paradas cargan y descargan componentes. Esto significa,
desde un punto de vista de integridad mecánica, su subida y bajada, que se cargan y descargan
componentes de manera mecánica".
"El principal reto está relacionado con las grandes hojas de presión de carga en la turbina, que son la
parte con más tensión —indica Nyqvist—. Están en la parte de escape, justo antes de entrar en el
condensador, las últimas fases en la turbina. Esa es la parte que es una especie de limitación de la
capacidad de flujo de vapor".
El segundo factor surge del hecho de que para una parte de las 24 horas es necesario girar las
turbinas con dispositivos de giro para el resto de la noche.
Enfriamiento durante la noche
Aunque en CSP las turbinas no generan durante la noche, no se desconectan completamente para
evitar que se produzca un deterioro real.
"La turbina sigue funcionando lentamente. Como a una revolución por segundo o algo así", explica
Nyqvist. Un pequeño motor hidráulico auxiliar entra y la gira lentamente.
Las revoluciones tienen que ser lentas para evitar que se sobrecalienten las superficies de apoyo y
que se doble la línea de eje. Si se parara completamente, el eje se doblaría.
Según afirma, lo que les preocuparía ver como un signo de tensión sería algo como el desgaste en
las superficies de las cubiertas. "Si hay demasiada tensión en la turbina, se producirá una grieta en
algún sitio. Si se sobrecarga, se agrietará y, finalmente, fallará si la tensión continúa".
Un futuro más caluroso para la CSP
"Las nuevas tecnologías están permitiendo que los ciclos de vapor funcionen de manera efectiva con
temperaturas y presiones superiores para mejorar la eficiencia de la turbina", indica Williams. El
vapor está a una presión inferior en la CSP en comparación con los 160-165 bares de presión que se
observan en el ciclo combinado y los 130-140 bares en las plantas térmicas tradicionales.
Las temperaturas y presiones inferiores que se han empleado en CSP hasta ahora han tendido a
reducir la eficiencia de las turbinas de vapor de CSP. Entonces, encontrar maneras de que sea
posible incrementar la temperatura y la presión es el futuro del diseño de turbinas y el motivo para
que la iniciativa SunShot del Departamento de Energía estadounidense se centre en estos avances.
En aplicaciones de torre, como la planta Ivanpah de BSE, que está previsto que este año produzca
energía con tres turbinas de Siemens, las temperaturas se acercan a las de la energía térmica
tradicional, que son de entre 540 ºC y 565 ºC.
"Pero ahora con las tecnología de torre y las sales fundidas, cuando se usan como fluido, llega
lentamente hasta, creo, los 540 ºC —estima Nyqvist—. En la planta de Ivanpah es de 540 ºC". "La CSP está llegando a ese punto. Pero la cilindroparabólica, concretamente, está limitada a los
400 ºC debido al aceite que tienen en el sistema de aceite. De hecho, la limitación se encuentra en
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el propio aceite. Para toda la tecnología cilindroparabólica que hemos construido, creo que el
máximo es de 390 ºC", añade.
Regreso al futuro
Las presiones y temperatura de funcionamiento más elevadas son uno e los grandes cambios que
Williams ve venir. El otro gran cambio es el almacenamiento energético.
"Los dos principales desarrollos en las turbinas de vapor de CSP son las condiciones del vapor y el
almacenamiento energético —afirma Williams—. La incorporación de almacenamiento en tecnologías
más recientes supone que las turbinas continúen con su funcionamiento normal, la generación de
electricidad, durante más horas al día. Esto significa que funcionan menos horas en el modo de
noche.
En plantas más recientes con almacenamiento, que cada vez se ve más como una ventaja de
marketing esencial con empresas de servicios públicos que buscan más renovables con capacidad
de suministro, las turbinas de CSP se irán acercando al funcionamiento en condiciones más
parecidas a las de las turbinas del sector térmico tradicional.
Las presiones y temperaturas superiores, junto con el funcionamiento diario durante más horas
gracias a la incorporación de almacenamiento, tiene como resultado que las futuras turbinas de CSP
funcionarán más como turbinas tradicionales.
Así que, irónicamente, como resultado de estos desarrolladores, la vida será más sencilla para las
turbinas de CSP, no tanto por el diseño de turbinas específico para solar como por otros avances
tecnológicos que simulan el entorno del tan antiguo sector de la energía térmica tradicional: mayor
calor y presión y funcionamiento más continuos.
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