Rendimiento de las turbinas de gas explicado: consumo específico de calor, potencia y condiciones del emplazamiento

La potencia nominal de una turbina de gas es solo un punto de partida para evaluar un proyecto. La comparación más útil es cuánta electricidad neta puede suministrar la planta en las condiciones requeridas del emplazamiento, cuánto combustible consume para hacerlo y si puede mantener ese rendimiento dentro del rango de operación previsto. Una máquina con una potencia nominal de placa superior puede suministrar menos potencia aprovechable de la esperada en un día caluroso o consumir más combustible cuando funciona por debajo de plena carga.

Por lo tanto, la tasa de calor, la potencia eléctrica y las condiciones del emplazamiento deben evaluarse conjuntamente. Cada valor depende de unos límites y supuestos definidos, que deben coincidir antes de comparar las ofertas de distintos proveedores.

Qué indica la tasa de calor sobre el consumo de combustible

La tasa de calor expresa la energía del combustible suministrada a una planta por cada unidad de energía eléctrica producida. Se suele expresar en kJ/kWh o Btu/kWh. Una tasa de calor más baja significa que se necesita menos energía del combustible para generar la misma potencia eléctrica en las condiciones especificadas.

La relación entre la tasa de calor y la eficiencia es directa cuando ambas utilizan la misma base energética y los mismos límites de planta. En una base de kJ/kWh, la eficiencia eléctrica equivale a 3.600 dividido por la tasa de calor. Este cálculo solo es útil si los valores describen el mismo aporte de combustible y el mismo punto de medición de la potencia eléctrica.

Dos distinciones suelen cambiar la comparación:

• Potencia bruta frente a neta: La potencia bruta se mide en los terminales del generador. La potencia neta resta la energía eléctrica consumida por los auxiliares dentro de los límites de planta acordados. La tasa de calor neta suele ser superior a la bruta porque utiliza como denominador la menor potencia neta.
• Poder calorífico inferior frente a superior: El poder calorífico inferior (LHV) excluye el calor recuperable asociado a la condensación del agua en los productos de combustión; el poder calorífico superior (HHV) lo incluye. Para el mismo caudal de combustible y la misma potencia eléctrica, una tasa de calor basada en HHV será mayor. Comparar un valor LHV con uno HHV sin conversión puede hacer que una oferta parezca más eficiente de lo que es.

Compruebe también si el valor indicado corresponde únicamente a la turbina de gas o a toda la planta. Una planta de ciclo combinado utiliza el calor de los gases de escape de la turbina para producir potencia adicional, por lo que su tasa de calor de planta no es directamente comparable con la de una unidad de ciclo simple.

La potencia nominal no es necesariamente la potencia en el emplazamiento

Los fabricantes suelen publicar el rendimiento en condiciones de referencia especificadas. Estos valores son útiles para una evaluación preliminar, pero no sustituyen un cálculo de rendimiento específico para el emplazamiento. Las condiciones del aire de entrada, las pérdidas de presión, las propiedades del combustible y los límites operativos afectan a la potencia disponible en la ubicación del proyecto.

Si existe una obligación de suministro eléctrico, defina la potencia requerida en el punto de entrega, no solo en los terminales del generador. La diferencia puede incluir los auxiliares de planta, las pérdidas del transformador y otras cargas dentro de los límites acordados. La oferta debe indicar cuáles de estos elementos están incluidos y cuáles quedan fuera del cálculo.

También importa el punto de operación pertinente. Una planta diseñada en función de la temperatura media anual puede no alcanzar la potencia requerida cuando la demanda llega a su máximo durante los periodos más calurosos. Por el contrario, dimensionar el equipo únicamente para la condición más extrema puede hacer que funcione gran parte de su vida útil en un punto de carga parcial ineficiente. La decisión depende de la capacidad requerida, las consecuencias de un déficit y las horas previstas en cada nivel de carga.

Cómo afectan las condiciones del emplazamiento al rendimiento de una turbina de gas

Temperatura ambiente y altitud

Al aumentar la temperatura del aire de entrada, por lo general disminuye su densidad. El compresor admite entonces menos masa de aire para un caudal volumétrico determinado, lo que suele reducir la potencia disponible de la turbina. La tasa de calor también puede empeorar, aunque la magnitud depende de la máquina y de sus sistemas de control. La gran altitud tiene un efecto similar debido a la menor presión atmosférica: un aire de entrada menos denso suele implicar un menor caudal másico y menos potencia disponible.

Evalúe la potencia en función del perfil de temperaturas del emplazamiento, en lugar de utilizar un único valor nominal de temperatura ambiente. Las condiciones más importantes suelen ser aquellas en las que la capacidad se exige contractualmente y aquellas en las que se consumirá la mayor parte del combustible. Pueden ser distintas.

Pérdidas de presión en la admisión y el escape

Los filtros de aire, los silenciadores, los conductos y los equipos de refrigeración del aire de admisión provocan pérdidas de presión antes de que el aire llegue al compresor. En el lado del escape, los silenciadores, los conductos y los equipos de recuperación de calor generan contrapresión. Ambos factores pueden reducir la potencia e influir en la tasa de calor.

Las pérdidas deben evaluarse en condiciones de operación realistas, incluido el efecto del ensuciamiento de los filtros y la configuración del escape prevista. Un cálculo de rendimiento basado en una admisión limpia y con pocas pérdidas puede no representar la operación cerca del límite de sustitución del filtro. Del mismo modo, no puede suponerse que una turbina evaluada con una chimenea de escape simple mantendrá la misma potencia al conectarse a equipos de recuperación de calor.

Humedad, combustible y agua de refrigeración

La humedad puede afectar a las propiedades del aire de entrada y al rendimiento de los sistemas de refrigeración evaporativa. La composición y el poder calorífico del combustible afectan al caudal de combustible, al comportamiento de la combustión y a los sistemas de control de emisiones; las variaciones también pueden influir en los límites operativos. La especificación de combustible utilizada en el cálculo de rendimiento debe representar el suministro previsto, incluido el rango permitido y no solo una composición nominal.

En los proyectos de ciclo combinado, la temperatura y la disponibilidad del agua de refrigeración pueden afectar al ciclo de vapor y, por consiguiente, a la potencia total de la planta. Evaluar únicamente la turbina de gas no permitirá tener en cuenta ese efecto.

La eficiencia a plena carga es solo una parte del coste operativo

La tasa de calor a plena carga es valiosa cuando una unidad funciona cerca de su capacidad nominal durante periodos prolongados. Sin embargo, en las plantas que siguen la demanda, el rendimiento a carga parcial puede tener mayor influencia. A medida que cambia la potencia, los ajustes de control y la energía que requieren los auxiliares pueden modificar la tasa de calor neta. Una unidad con un mejor valor a plena carga no necesariamente consumirá menos combustible a lo largo de un año.

Solicite una curva de rendimiento para todo el rango de carga previsto y combínela con las horas de operación esperadas en cada punto. Incluya los arranques, las paradas y los periodos de carga mínima cuando sean relevantes para el consumo de combustible y la disponibilidad. Así obtendrá una estimación del consumo más útil que multiplicando una única tasa de calor por la generación anual.

La refrigeración del aire de admisión implica una compensación relacionada. Puede recuperar parte de la potencia en condiciones calurosas al reducir la temperatura del aire que entra al compresor, pero deben tenerse en cuenta el coste del equipo, su consumo auxiliar, las pérdidas de presión y, en algunos sistemas, el consumo de agua. Su conveniencia depende de la frecuencia con que se necesite capacidad a altas temperaturas y de si la potencia neta adicional justifica esos costes.

Defina los límites de rendimiento y ensayo antes de comparar ofertas

Una evaluación técnica rigurosa comienza con un conjunto común de condiciones para todos los licitadores. Solicite la potencia y la tasa de calor garantizadas en las condiciones definidas del emplazamiento, junto con curvas que muestren cómo varía el rendimiento con la temperatura y la carga. La propuesta debe especificar claramente los siguientes puntos:

• El punto de medición eléctrica, las cargas auxiliares incluidas y si la base es bruta o neta.
• La composición del combustible, la base de poder calorífico y las condiciones previstas de suministro del combustible.
• La temperatura ambiente, la presión, la humedad y las pérdidas supuestas en la admisión y el escape.
• La configuración de la planta, incluidos los equipos de recuperación de calor, refrigeración de admisión o control de emisiones.
• La condición operativa correspondiente a cada valor, como la carga, la configuración del equipo y las condiciones de refrigeración pertinentes.
• El método de ensayo de rendimiento, la instrumentación, los procedimientos de corrección, la incertidumbre de medición y el tratamiento de las desviaciones respecto de las condiciones de ensayo.

Las normas de ensayo aplicables y los requisitos contractuales deben especificarse de manera uniforme en la solicitud de oferta y acordarse antes de finalizar las garantías. Las curvas de corrección son especialmente importantes cuando no es posible realizar un ensayo en las condiciones exactas de garantía: definen cómo se convierten los resultados medidos a la base acordada.

En una central eléctrica completa, estos límites también afectan a las interfaces entre los proveedores de equipos y las partes responsables del diseño, la construcción y la puesta en servicio. SINO-QNP ofrece servicios de EPC para proyectos de centrales eléctricas, incluidos ingeniería, sistemas auxiliares y puesta en servicio. Para un alcance de este tipo, el siguiente paso útil es armonizar los supuestos de rendimiento de la turbina con la disposición real de la planta y definir quién es responsable de cada pérdida y carga auxiliar.

La mejor propuesta no es simplemente la que presenta la tasa de calor más baja o la mayor potencia nominal. Es la que satisface la capacidad neta requerida en las condiciones pertinentes del emplazamiento, ofrece un perfil de consumo de combustible fiable para el régimen de funcionamiento previsto y define el rendimiento en términos que puedan comprobarse mediante ensayos.