DISEÑO DE UN SISTEMA ANTI-HIELO PARA EL FILTRO DEL AIRE DE LA TURBINA DE GAS EN CENTRALES DE CICLO COMBINADO Autor: Mato Alonso, Roberto. Director: García Juanas, Alberto. Entidad Colaboradora: Empresarios Agrupados AIE.

RESUMEN DEL PROYECTO 1. Introducción a. Planteamiento El filtro del aire es un elemento esencial en cualquier turbina de gas (en adelante TG) en centrales de Ciclo Combinado. La selección correcta del sistema de filtrado y sus elementos es una parte importante del diseño de la TG. Una mala calidad del aire de entrada puede producir un impacto significativo sobre la operación, mantenimiento y vida de la TG. En climas caracterizados por periodos de tiempo con temperaturas inferiores a 0ºC y alta humedad relativa, o con nieve y lluvia helada, va a ser esencial emplear sistemas de protección contra el hielo en el filtro de la TG. El hielo se formará principalmente de dos maneras. La primera es la más obvia, a través de la ingestión de la nieve o lluvia helada. La precipitación congelada se acumulará en los componentes del sistema de filtrado y formará pequeños bloques de hielo. El segundo método de acumulación de hielo sucede cuando la humedad en el aire se congela y se acumula en los componentes del sistema de entrada. Esta formación de hielo en los componentes de entrada puede dar lugar a daños físicos en los conductos de entrada y en particular en el compresor de la TG. Si se forma hielo en los elementos de filtrado, entonces este hielo estará bloqueando el flujo en algunos conductos y puede provocar un aumento de la velocidad en otros conductos del filtro, lo que afectará negativamente a la eficiencia del filtrado. En la campana de aspiración del compresor, la presión del aire caerá debido al aumento de la velocidad en la sección transversal convergente de la campana. Esta disminución de la presión va a provocar una disminución en la temperatura que puede dar lugar a que el vapor de agua del aire se condense y congele en la campana de aspiración, en las aletas guía y en los álabes de entrada del compresor. La acumulación de este hielo causará una disminución en el rendimiento de la turbina de gas y podría deparar en peores consecuencias como el disparo de la turbina debido a un caudal de aire insuficiente. Si el hielo se desprende de los componentes y entra en el compresor, puede causar FOD (Foreign Object Damage), que provocará daño a las palas, alterando su forma y tamaño, causando unas pérdidas en los álabes afectados. b. Estado de la técnica El objetivo prioritario de los sistemas de protección contra el hielo será el prevenir o limitar el crecimiento de hielo dentro del sistema de admisión de aire de la turbina de gas. Estos sistemas se pueden dividir también en función de los métodos que empleen i

para ejercer la protección: sistemas térmicos, sistemas químicos, sistemas inerciales y sistemas mecánicos. Los sistemas térmicos son los de mayor aplicación en la industria y funcionarán por medio de la mezcla de gas caliente extraído de algún punto de la turbina junto con el aire de entrada del sistema de admisión. Entre los sistemas más empleados se encuentran los siguientes: El sistema de calentamiento mediante aire purgado del compresor emplea aire comprimido tomado tras la etapa del compresor y antes de que el combustible se inyecte en los quemadores. Se trata de una tecnología ya probada y generalmente resulta muy fiable y controlable en instalaciones de ciclo simple. La gran desventaja de este sistema es la pérdida de rendimiento que dependerá de las condiciones ambientales. Estas pérdidas pueden variar entre el 2% o 5% de la potencia total de salida. Además, tiene un alto coste de operación y requiere mayor cantidad de combustible. El sistema de recirculación de gases de escape opera mezclando una parte de los gases de escape calientes junto con el aire ambiente de entrada. La mayor desventaja del sistema es que los gases de escape son productos del proceso de combustión y contienen muchas impurezas. La ingestión directa de estos gases puede dar lugar al ensuciamiento del compresor. Sin embargo este sistema tendrá una ventaja con respecto al sistema anterior porque ejerce menor influencia sobre el rendimiento del compresor. Por último, el sistema de recuperación de calor funciona haciendo pasar los gases de escape de la salida de la turbina a través de un intercambiador de calor localizado en el canal de descarga. El aire ambiente se extrae de un punto específico tras el sistema de filtrado y es redirigido hacia el intercambiador de calor con ayuda de un ventilador. Este sistema tiene relativamente bajo efecto sobre el rendimiento de la TG. Sin embargo, se trata de un sistema mucho más complejo y más caro que otros sistemas. Además, debido a su complejidad ocupará un gran espacio en su instalación y su uso es poco recomendable en instalaciones de ciclo combinado. c. Objeto del proyecto Los sistemas anteriores están principalmente pensados para proteger de la formación de hielo en los componentes de entrada de la TG de ciclos simples. Pero en los casos de centrales térmicas de ciclo combinado no cabe lugar el extraer aire del compresor y afectar así al rendimiento de la turbina. Por ello se va a emplear una fuente de calor libre como agua caliente. El agua caliente elevará la temperatura del aire de entrada gracias a la instalación de un serpentín (intercambiador aire/agua) situado a la entrada del filtro. El objeto del proyecto es el diseño termodinámico completo de un sistema de agua caliente que evite la formación de hielo en el filtro de aire de la TG en centrales de ciclo combinado. Dicho diseño incluye dimensionado de líneas, estimación de pérdidas de carga y un estudio de la instrumentación requerida para el funcionamiento del mismo. Todo ello queda reflejado en un diagrama de tubería e instrumentación y en una memoria de cálculo justificativa. Así mismo, se incluye el dimensionamiento de los equipos principales requeridos en el citado sistema y la definición de la filosofía de control del sistema mediante la cual se describirá el modo de funcionamiento del mismo, así como los parámetros requeridos para un control adecuado de éste.

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2. Metodología El desarrollo de este proyecto ha partido en primer lugar de una labor de búsqueda de recursos e información para conocer las diversas opciones como solución al problema de la formación de hielo en el filtro del aire de la TG. Una vez se ha completado dicho análisis de la situación actual, se ha realizado un planteamiento conceptual del sistema de agua caliente en el que se ha concebido el diseño inicial del mismo. Seguidamente, se ha realizado el cálculo justificativo del sistema dando como resultado un diagrama de tubería e instrumentación que refleja el diseño completo de éste. Posteriormente y como resultado de los cálculos realizados, se han elaborado las hojas de datos adecuadas que resumen el dimensionamiento de los equipos principales. Una vez realizado esto, se ha definido la filosofía de control adecuada para la operatividad del sistema, estableciendo los parámetros adecuados para el control del mismo y analizando las distintas emergencias y transitorios que podrían dar lugar en el sistema. Finalmente, se ha procedido a la elaboración de las instrucciones de operación y mantenimiento a tener en cuenta para el correcto manejo del sistema, así como los procedimientos de pruebas funcionales requeridos para comprobar la correcta operación de éste. Así mismo, se ha procedido a la finalización de la redacción de la memoria del proyecto.

3. Resultados y conclusiones El sistema anti-hielo que se ha diseñado consiste en dos circuitos. El circuito cerrado contiene agua desmineralizada y propilenglicol (anticongelante). Por medio de este circuito se suministra agua caliente al serpentín del filtro del aire y se evita así la formación de hielo cuando sea necesario. Por el circuito abierto circulará vapor de baja presión procedente de la caldera auxiliar de la planta que entra al intercambiador de calor encargado de producir la transferencia de calor hacia el agua por medio de la condensación del vapor. La potencia máxima intercambiada en el circuito será de 4200 kW, correspondiente a la temperatura máxima posible de entrada del agua en el serpentín (90ºC). El caudal de agua necesario permanecerá siempre constante e igual a 320 m3/h. Como ya se ha dicho, el punto en común de los dos circuitos es el intercambiador de calor. Las condiciones de entrada del vapor sobrecalentado en el intercambiador de calor son 3.5 bar y 200ºC. Sus condiciones de salida son como líquido subenfriado a una temperatura de 95ºC. Por otra parte, la temperatura del agua del circuito cerrado variará desde los 78ºC hasta los 90ºC. Tras varias iteraciones y considerando las tres etapas del intercambiador de calor (desobrecalentamiento, condensación y subenfriamiento del vapor) se ha diseñado un intercambiador de carcasa y tubos de 1 paso por carcasa y 2 pasos por tubos. Se dispondrán 200 tubos de una longitud total de 2.50 metros y como material se empleará la aleación CuNi30Fe. En el circuito cerrado se instalarán dos bombas de distribución (una operativa mientras que la otra está en modo en espera), que serán las encargadas de hacer frente a la pérdida de carga del circuito, considerando las pérdidas en las tuberías así como en los

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distintos equipos. Con todo ello se obtiene que es necesaria una bomba con un TDH de 46 metros y Q=320 m3/h. También se incluye un vaso de expansión en el circuito cerrado. Se trata de un depósito cuyo objetivo es el de absorber las variaciones de la presión del fluido que recorre el circuito debidas al aumento de volumen que se produce cuando éste se expande debido a su calentamiento. El dimensionamiento del vaso de expansión se llevará a cabo siguiendo las indicaciones de la norma UNE 100-155. Se diseña finalmente un vaso de expansión cerrado con diafragma cuyo volumen total se aproxima a unos 800 litros. Además, se obtiene que el NPSH disponible a la succión de las bombas es de 50.4 metros. Para el diseño y dimensionamiento de las tuberías que se emplearán en nuestro sistema anti-hielo se siguen las recomendaciones dadas en distintos documentos de referencia y como material para las tuberías se utilizará un acero al carbono ASTM A-106 Seamless Pressure Pipe. Para las tuberías del circuito cerrado se tomará 10 pulgadas como diámetro y para el circuito abierto se emplearán diámetros de 4, 6 y 1.5 pulgadas en función de las condiciones del fluido. Las variables de proceso más importantes del sistema se controlarán por medio de válvulas de control. Estas válvulas son: la válvula de control del flujo de entrada de agua caliente al serpentín en el filtro de aire de la TG, la válvula de control de la temperatura de entrada del agua al serpentín en el filtro de aire de la TG, la válvula de control de la presión en el intercambiador de calor y la válvula de control del nivel en el intercambiador de calor. Además, se establecerán una serie de protecciones de control ante distintos fallos y un listado de alarmas. Por último, las “Instrucciones de Operación y Mantenimiento” facilitan la información necesaria para el correcto funcionamiento controlado del sistema y presentan las restricciones y precauciones necesarias para operar el sistema de forma segura en términos de la instalación, personal y medio ambiente. Los “Procedimientos de Pruebas y Ensayos” establecen las acciones y pruebas requeridas para verificar la correcta operación del sistema anti-hielo. Como conclusión principal se observa que se consigue el objeto del proyecto, que consistía en el diseño optimizado de un sistema anti-hielo para operar en condiciones de temperaturas por debajo de 0ºC y/o alta humedad relativa en Centrales de Ciclo Combinado.

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DESIGN OF AN ANTI-ICING SYSTEM FOR THE AIR FILTER OF THE GAS TURBINE IN COMBINED CYCLE POWER PLANTS Author: Mato Alonso, Roberto. Director: García Juanas, Alberto. Collaborating Organization: Empresarios Agrupados AIE.

PROJECT SUMMARY 1. Introduction a. Approach The air filter is an essential element in any gas turbine (hereinafter referred to as GT) in Combined Cycle Power Plants. The proper selection of the filter system and its elements is an important part of the GT design. A bad quality inlet air impacts significantly to the GT operation, maintenance and life. In climates characterized by periods with temperatures below 0ºC and high relative humidity, or with snow and freezing rain, it will be essential to use ice protection systems in the GT filter. Ice will be formed mainly in two ways. The first one is the obvious one, through the ingestion of snow or freezing rain. Frozen precipitation will grow in the filtration system components and it will form ice blocks. The second method of ice accumulation occurs when moisture in the air freezes and accumulates in the intake system components. This ice formation on the inlet components can result in physical damage in the inlet ducts and particularly in the GT compressor. If ice forms on the filter elements, then it will be blocking the flow in some ducts and it may cause a speed increase in others, which will adversely affect the filtration efficiency. In the compressor bellmouth, air pressure will drop due to the increased velocity at its converging cross-section. This pressure reduction will cause also a temperature reduction that can lead to the condensation of the air moisture and its freezing in the bellmouth, the IGVs and in the compressor inlet vanes. This ice buildup will cause a reduction of the GT efficiency and might turn into worse consequences such as for example the turbine trip due to an insufficient air flow. If the ice comes off these components and enters the compressor, it can cause FOD (Foreign Object Damage), which will cause damage to the several blades, altering its shape and size, and causing losses in the affected blades. b. State of the art The primary objective of ice protection systems is to avoid or to limit the ice buildup in the inlet components of a gas turbine. These systems can also be divided according to the methods they use to carry out the protection: thermal systems, chemical systems, inertial systems and mechanical systems. Thermal systems are widely applied in the industry and their operation is based in the mixture of the inlet air of the intake system with hot gas extracted from any point of the turbine. Among the most used systems are the following:

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The compressor inlet bleeds heating system uses air extracted after the compressor stages and before the fuel injection into the burners. It is a proven technology and it is generally very reliable and controllable in simple cycle facilities. The biggest disadvantage of this system is its efficiency reduction, which depends on the environmental conditions. This reduction may vary between 2% or 5% of the total power output. It also has a high operating cost and requires more fuel than usual. The exhaust gases recirculation system operates by mixing one part of the GT hot exhaust gases with the inlet ambient air. The biggest disadvantage of this system is that it uses exhaust gases that are products of the combustion process and they contain many impurities. Direct ingestion of these gases may lead to fouling of the compressor. However, this system will have an advantage over the previous system because it has less influence on the compressor performance. Finally, the heat recovery system operates by passing the GT exhaust gases through a heat exchanger located in the discharge channel. Ambient air is drawn from a specific point after the filtration system and it is redirected to the heat exchanger by using a fan. This system has a relatively low effect on the GT performance. However, this is a much more complex system and it is more expensive than other systems. In addition, due to its complexity it will occupy a large space in its installation and its use is not recommended in combined cycle power plants. c. Purpose and scope Previous systems are primarily intended to protect the intake components of a simple cycle gas turbine from ice buildup. But in the case of combined cycle power plants it would not be possible to extract air from the compressor and thus affect the turbine performance. Therefore it will be used a free heat source such as hot water. This hot water will raise the temperature of the inlet air through a coil (air/water heat exchanger) placed in the intake system of the filter. The purpose of the project is the complete thermodynamic design of a hot water system in order to prevent ice formation in the air filter of the GT in combined cycle power plants. This design includes lines sizing, load losses estimation and a study of the instrumentation required for the operation of the system. All this is reflected in a piping and instrumentation diagram and in a supporting calculation report. It is also included the sizing of the main equipment required in the system, and the definition of the system control philosophy whereby it is described its operation mode and the parameters required for the proper control of the system.

2. Methodology The development of this project has began with an extended research of resources and information in order to know the various options as a solution to the problem of ice formation in the air filter of the GT. Once it has been completed the analysis of the current state of the art, it has been developed a conceptual approach of the hot water system where an initial design has been performed. Next, it has been done the system supporting calculation that resulted in the piping and instrumentation diagram which reflects the complete design of the system. vi

Subsequently, as a result of the calculations, we have developed the appropriate data sheets summarizing the main equipment sizing. Once done, it has been set the proper control philosophy for the operation of the system, setting the appropriate parameters for its control and analyzing the various emergencies and transients that could happen in the system. Finally, we proceeded to the preparation of the operating and maintenance instructions and the functional test procedures that are required to verify the proper system operation. Also, we have proceeded to the completion of writing the final project report.

3. Results and conclusions The anti-icing system that has been designed consists of two circuits. The closed circuit contains demineralised water and propylene glycol (antifreeze). By means of this circuit it is supplied hot water to the coil of the air filter and thus it prevents the ice buildup whenever it is necessary. Low pressure steam from the auxiliary boiler of the plant will be circulating through the open circuit of the system. The steam reaches the heat exchanger, which is responsible for producing the heat transfer to the water by means of steam condensation. The maximum exchanged power in the circuit will be 4200 kW, corresponding to the maximum possible inlet temperature of the water in the coil (90ºC). The water flow must always remain constant and equal to 320 m3/h. As already said, the common point of the two circuits is the heat exchanger. The entry conditions of the superheated steam in the heat exchanger are 3.5 bar and 200ºC. The condensate will leave the exchanger as supercooled liquid at a temperature of 95ºC. Moreover, the water temperature of the closed circuit will range from 78ºC to 90ºC. After several iterations and considering the three stages of the heat exchanger (desuperheating, condensation and subcooling) it has been designed a shell and tube heat exchanger with one-shell pass and two-tube passes. It will be arranged 200 tubes of a total length of 2.50 meters and the CuNi30Fe alloy will be used as the tubes material. In the closed circuit two distribution pumps will be installed (one operating while the other is in standby mode), which will be in charge of dealing with the circuit pressure losses considering losses in pipes due to friction and the losses in the several equipment of the system. By using all this, it is needed a pump with a TDH of 46 meters and Q=320 m3/h. There is an expansion tank also included in the closed circuit. It is a tank whose purpose is to absorb the pressure variations of the fluid that traverses the circuit due to the volume increase that occurs when it expands due to the water heating. The expansion tank sizing will be performed according to the indications directed by the UNE 100155. Finally it is designed a closed expansion tank with diaphragm whose total volume is about 800 liters. In addition, we find that the NPSH available at the pumps suction is 50.4 meters. For the design and sizing of the pipes that will take part in our anti-icing system it will be used the recommendations given in various reference documents. Carbon steel ASTM A-106 Seamless Pressure Pipe shall be used as the material for pipelines. For vii

closed circuit pipes is taken a diameter of 10 inches and in the open circuit, diameters of 4, 6 and 1.5 inches will be used depending on the fluid conditions. Several valves, as basic control elements of the system, shall be used for the control of the main process variables. The four most important valves are: GT air inlet filter flow control valve, GT air inlet filter temperature control valve, anti-icing heat exchanger pressure control valve and anti-icing heat exchanger level control valve. In addition, it has been established a number of fail-control protections and a list of alarms. Finally, the “Operation and Maintenance Instructions” provides the necessary information for the proper and controlled functioning of the system and it presents the restrictions and precautions that are necessary to operate the system safely in terms of personnel, environment and the facility. The “Functional Tests Procedures” establish a set of actions and tests required to verify the correct operation of the anti-icing system. As conclusion, the purpose of the project has been achieved successfully. It has been performed an optimized design of an anti-icing system suitable for Combined Cycle Power Plants operating with freezing conditions.

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