CICLO COMBINADO

UNIVERSIDAD mayor real y pontificia san francisco Xavier de Chuquisaca FACULTAD DE tecnología

CARRERA DE INGENIERÍA MECANICA

Ciclo combinado gas – vapor

UNIVERSITARIO: CORO HUALLPA JUAN PABLO MATERIA: MAQUINAS TERMICAS III (MEC-343) DOCENTE: ING. WALTER DOMÍGUEZ

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Sucre, noviembre de 2015

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Plantas de potencia de ciclo

Índice Detallado Pág. INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................. 1 ¿QUÉ ES UNA CENTRAL TÉRMICA DE CICLO COMBINADO?..............................................................2 ¿COMO FUNCIONA UNA CENTRAL TERMICA DE CICLO COMBINADO?.............................................12 VENTAJAS DEL CICLO COMBINADO............................................................................................... 18 IMPACTOS MEDIOAMBIENTALES DE LES CENTRALES DE CICLO COMBINADO................................19 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO………………………………………………...………..……..19 TIPOS DE CICLOS COMBINADOS.........................................................................................................................20 COMPONENTES PRINCIPALES DE UN CICLO COMBINADO...................................................................................20 DESCRIPCIÓN DE LOS CICLOS COMBINADOS DE TURBINAS A GAS Y VAPOR....................................................21 COMPONENTES PRINCIPALES.............................................................................................................................21 CALDERA DE RECUPERACIÓN DE CALOR......................................................................................................................................22 TURBINA A VAPOR:, ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………..……..23 PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS DE LAS CCC...................................................................................................... 24

TRABAJO Y CALOR EN UN CICLO COMBINADO……………………………………………………………………………….…………………….…………24 CONSIDERACIONES BÁSICAS....................................................................................................... 24 EFICIENCIA TÉRMICA DE LAS PLANTAS DE CICLO COMBINADO...................................................24 EFECTO DEL QUEMADO ADICIONAL EN EL RECUPERADOR DE CALOR PARA LA EFICIENCIA TOTAL…………………………….……25 EFICIENCIA DE UNA CCC SIN QUEMADO ADICIONAL DE COMBUSTIBLE EN EL HRSG……………………. …………………………….……25 CICLOS COMBINADOS GAS-VAPOR CON DIFERENTES NIVELES DE PRESIÓN Y TEMPERATURA DE VAPOR……………………………………………………………………………………...……………………………....26 CICLO COMBINADO GAS-VAPOR CON RECALENTAMIENTO…………………………………………………………...27 CONCLUSIÓN................................................................................................................................................……27 EJERCIO PROPUESTO………………………………………………………………………….……………………………….……..28 RESOLUCION……………….…………………………………………………………………….………………………………………29 BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................................................... 30

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INTRODUCCIÓN El progresivo crecimiento de los precios de combustibles, la necesidad de aprovechar el calor de los diversos procesos industriales y las cada vez más rigurosas regulaciones medioambientales has creado la necesidad de utilizar el calor residual hasta su máximo potencial. En la industria energética el calor residual de un sistema energético, como el de una turbina de gas, sirve como fuente de calor para siclos de turbina de vapor. Tales siclos combinados pueden elevar la eficiencia global del ciclo de producción de electricidad hasta más del 50 %. El uso global de la energía puede rebasar sustancialmente ese porcentaje cuando la generación eléctrica se combina con el uso de vapor en procesos. Hay una serie de industrias, tales como la siderurgia, la de refino de aceites, la de papa y la del procesado de alimentos que han utilizado muchos sistemas singulares de generación de vapor, para aprovecha sus calores residuales. Estos sistemas permiten: reducir los consumos de combustibles tradicionales; recuperar el calor residual por seguridad y economia; y eliminar subproductos que tiene suficiente contenudo calórico para mantener una combustion. Hay una gran variededad de otros sistemas que utilizan fuentes de energia menos convencinale, que estan en fase de desarrollo y de demostracion. Las fuentes de energía solar y de energía geotérmica actualmente están emergiendo para la producción de vapor Los esfuerzos de desarrollo continúan sobre sistemas avanzados para combinar la generación directa de electricidad con el más convencional de ciclo de vapor basado en el ciclo Rankine Todos estos sistemas han creado la necesidad de diseños y aplicaciones especializadas de equipos generadores de vapor. CICLO COMBINADO

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¿Qué es una central térmica de ciclo combinado? La central térmica de ciclo combinado es aquella donde se genera electricidad mediante la utilización conjunta de dos turbinas: Un turbo grupo de gas U n turbo grupo de vapor Es decir, para la transformación de la energía del combustible en electricidad se superponen dos ciclos: El ciclo de Brayton (turbina de gas): toma el aire directamente de la atmósfera y se somete a un calentamiento y compresión para aprovecharlo como energía mecánica o eléctrica. El ciclo de Rankine (turbina de vapor): donde se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo o creación de energía a partir de vapor de agua. Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la co-existencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión. Generalmente a la obtención de un rendimiento global superior a los rendimientos de los ciclos termodinámicos individuales que lo componen. En una central eléctrica el ciclo de gas genera energía eléctrica mediante una turbina de gas y el ciclo de vapor de agua lo hace mediante una o varias turbinas de vapor. El principio sobre el cual se basa es utilizar los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperación, la que alimenta a su vez de vapor a la turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo único y mucho mayores que los de una de turbina de gas.

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Consiguiendo aumentar la temperatura de entrada de los gases en la turbina de gas, se obtienen rendimientos de la turbina de gas cercano al 60%, exactamente 57,3% en las más modernas turbinas Siemens. Este rendimiento implica una temperatura de unos 1.350ºC a la salida de los gases de la cámara de combustión. Figura 1. Planta de generación de ciclo combinado.

La tecnología actual proporciona los siguientes rendimientos:

   

Centrales Termoeléctrica con Turbinas de Gas = 37% Centrales Termoeléctricas con Turbinas de vapor =40%. Centrales Termoeléctricas con Ciclo Diesel turboalimentado = 50% (Con precios de combustible elevados y para bajas potencias) Centrales Termoeléctricas de Ciclo Combinado = + 58%

La justificación de los ciclos combinados reside en que, desde un punto de vista tecnológico, resulta difícil conseguir un único ciclo termodinámico que trabaje entre las temperaturas medias de los focos caliente y frío usuales. Es por ello que, como solución se acude al acoplamiento de dos ciclos: uno especializado en la producción de trabajo con alta eficiencia en rangos altos de temperaturas de trabajo (Brayton) y otro para temperaturas medias bajas (Rankine). ¿COMO FUNCIONA UNA CENTRAL TERMICA DE CICLO COMBINADO? En primer lugar el aire es comprimido a alta presión en el compresor, pasando a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible.

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A continuación, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje. Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional. A la salida de la turbina el vapor se condensa (transformándose nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor. Actualmente la tendencia es acoplar la turbina de gas y la turbina de vapor a un mismo eje, de manera que accionan conjuntamente un mismo generador eléctrico.

Figura 2 Central de ciclo combinado. [www.unesa.es]

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Ventajas medioambientales 

Gas natural como combustible. El gas natural es el combustible fósil más limpio de la Naturaleza.



Son las generadoras de energía más adecuadas para cumplir con los objetivos del Protocolo de Kioto, que obliga a sus firmantes a reducir sus emisiones en dióxido de carbono.



Emisiones de dióxido de azufre son inapreciables debido a la utilización del gas natural como combustible.



35 % menos de consumo de combustible que una central convencional



Consumo de agua reducido frente a las centrales convencionales (1/3 de lo que consume una central de ciclo simple de fuel o carbón) debido a que la turbina de gas no precisa de refrigeración alguna y únicamente se requiere agua para el ciclo de vapor.

Ventajas del Ciclo Combinado Las características principales de las centrales térmicas de ciclo combinado son: Flexibilidad. La central puede operar a plena carga o cargas parciales, hasta un mínimo de aproximadamente el 45% de la potencia máxima. Eficiencia elevada. El ciclo combinado proporciona mayor eficiencia por un margen más amplio de potencias. Sus emisiones son más bajas que en las centrales térmicas convencionales. Coste de inversión bajo por MW instalado. Periodos de construcción cortos. Menor superficie por MW instalado si lo comparamos con las centrales termoeléctricas convencionales (lo que reduce el impacto visual). Bajo consumo de agua de refrigeración.

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Ahorro energético en forma de combustible Compara aquí una Central Térmica de Ciclo Combinado con una Térmica Convencional y descubre tú mismo sus ventajas.

IMPACTOS MEDIOAMBIENTALES DE LES CENTRALES DE CICLO COMBINADO La utilización de gas natural para la generación de electricidad mediante la tecnología del ciclo combinado se encuentra dentro de la política medioambiental de un gran número de países, ya que ofrece un gran número de ventajas en comparación con el resto de tecnologías de producción eléctrica. En concreto, las emisiones de CO

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en relación a los kWh producidos son menos de la mitad

de las emisiones de una central convencional de carbón.

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO Hay una serie de parámetros característicos que definen completamente una central de ciclo combinado. La identificación de estos parámetros permite hacerse una idea completa de las características de la instalación. Cada uno de ellos se describen a continuación. Potencia bruta y neta

La potencia es el principal parámetro característico de una central de ciclo combinado.

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En una central de ciclo combinado la potencia depende de las condiciones ambientales. Por tanto, informar sobre la potencia que puede alcanzar la instalación requiere indicar exactamente en qué condiciones se expresa. Marca y modelo de la turbina de gas Teniendo en cuenta que todo el diseño de una central de ciclo combinado se realiza en función de la turbina de gas elegida, para caracterizar a una de estas centrales es preciso indicar quien es el tecnólogo y cuál es el modelo elegido de turbina. Configuración Uno de los parámetros característicos de un ciclo combinado será pues la configuración adoptada de las turbinas de gas y vapor. Rendimiento global El rendimiento es el cociente entre la energía eléctrica generada en un periodo de tiempo y la energía térmica aportada en forma de combustible en el mismo periodo, ambos expresados en las mismas unidades: Heat Rate El Heat Rate (HR) o consumo específico es otra forma de indicar el rendimiento. Se define como la cantidad de energía térmica,

necesaria para generar un kW•h de

energía eléctrica.

Combustibles empleados Es conveniente, a la hora de caracterizar un ciclo combinado, indicar tanto el combustible principal que utiliza la central como el combustible auxiliar disponible en caso de que el suministro del principal fallara

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Tipo de HRSG Conviene indicar que tipo de generador de vapor se ha elegido para cada una de las turbinas: horizontal o vertical. También es conveniente indicar si cuenta o no con postcombustión. Niveles de presión del ciclo agua-vapor Los ciclos combinados pueden tener configurado el ciclo agua-vapor con uno, dos o tres niveles de presión. Tipo de refrigeración Una central de ciclo combinado puede disponer de tres tipos de sistemas de refrigeración para evacuar el calor latente de condensación del vapor a la salida de la turbina: Ciclo abierto, ciclo semiabierto y ciclo cerrado. Tipo de generador Los generadores empleados en un ciclo combinado pueden ser de 2 o de 4 polos, dependiendo de la velocidad a la que giren las turbinas. Posibilidad de arranque desde cero tensión Muchas centrales, especialmente las que se instalan en países en vías de desarrollo o en zonas de especial inestabilidad de la red eléctrica, disponen de la posibilidad de arrancar desde cero, sin tensión de referencia y sin alimentación externa de los sistemas auxiliares. Tensión de generación La tensión del generador es proporcional a la velocidad de giro y a la intensidad del campo magnético del rotor. Tensión de salida Independientemente de la tensión del generador, la planta se conecta con la red de un país en algún punto, a una tensión determinada por la propia red. Un parámetro característico de una central de ciclo combinado es sin

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duda la tensión de salida de la instalación. Esta tensión define además el transformador principal, que debe transformar la tensión de generación en tensión de salida. Tipo de subestación El tipo de subestación también caracteriza una central de ciclo combinado. La subestación elevadora puede ser de intemperie, que es lo más habitual por ser lo más barato, o subestación blindada. TIPOS DE CICLOS COMBINADOS En la configuración de un ciclo combinado gas-vapor es relativamente frecuente que varias turbinas de gas alimenten con el vapor que producen sus calderas de recuperación de calor a una única turbina de vapor. Este hecho obliga a presentar una clasificación atendiendo al número de equipos principales existentes en la central. La disposición relativa de los ejes de la turbina de gas y de la turbina de vapor, según se encuentren alineados o no, hace que se pueda establecer otra clasificación atendiendo al número de ejes principales de que consta el tren de potencia:  

Centrales monoeje Centrales multieje

COMPONENTES PRINCIPALES DE UN CICLO COMBINADO       

Turbina de gas. Caldera de recuperación. Turbina de vapor. Condensador. Tanque de agua de alimentación/desgasificador. Ciclo de agua de refrigeración. Economizador. Alternadores DESCRIPCIÓN DE LOS CICLOS COMBINADOS DE TURBINAS A GAS Y VAPOR

Existen una multitud de variantes posibles en cuanto a la configuración de los ciclos combinados, por lo que es muy difícil caracterizarlos todos con un único esquema. No obstante el esquema más básico para este tipo de ciclos ha de constar al menos de una turbina de gas, una caldera de recuperación de calor, y de un ciclo de vapor. El ciclo de vapor

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puede llegar a ser muy sofisticado, aunque para poder dar una visión general del ciclo combinado se va a representar una versión muy simplificada. A continuación se presenta el esquema general del ciclo combinado.

Fig. .3 Ciclo combinado de un nivel de Presión Como se puede observar, el ciclo combinado de gas y vapor consta de tres parcelas claramente diferenciadas: • Turbina de gas. • Caldera de recuperación de calor. • Ciclo de vapor. A la turbina de gas llegan aire y combustible que suele ser gas natural, fueloil, o gas procedente de la desgasificación de carbón. El aire es comprimido en el compresor y mezclado y quemado adecuadamente con el combustible en la cámara de combustión. La mezcla tiene un exceso de aire bastante elevado por lo que los dos a dos son pobres. Los gases producto de la combustión se expanden en la turbina de gas propiamente dicha hasta una presión ligeramente superior a la atmosférica (debido a la contrapresión del escape). En la expansión se genera potencia suficiente como para arrastrar al compresor y al alternador que van acoplados al mismo eje que la turbina. De este modo se tiene un primer ciclo de producción de energía eléctrica. Los gases procedentes de la turbina de gas están todavía bastante calientes por lo que se llevan a una caldera de recuperación de calor donde se enfrían a su paso a través de los distintos elementos de la caldera (economizador, evaporador, y sobrecalentador) y se produce vapor de agua.

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El vapor producido en la caldera sigue un ciclo de Rankine simple cuyo objeto final es mover la turbina de vapor, acoplada a otro generador eléctrico y producir energía eléctrica.

COMPONENTES PRINCIPALES TURBINA A GAS Una turbina de gas es una turbomáquina conformante de un Ciclo Joule Brayton Abierto Simple, es capaz de generar potencia mecánica a partir de la combustión de una mezcla de combustible y aire en determinadas condiciones de presión. Actualmente la turbina de gas tiene un amplio rango de aplicaciones entre los que están la propulsión y la generación de energía eléctrica. Montaje en eje simple. El esquema más básico de un Ciclo Joule Brayton Simple Abierto es a continuación:

Fig. 4 Ciclo Joule Brayton Simple Abierto Este esquema corresponde a un montaje en eje simple. La turbina de gas va acoplada en este caso a un generador eléctrico aunque no tiene porqué ser siempre así. Como se puede observar la turbina de gas en su conjunto consta de un compresor, una cámara de combustión y una turbina. Compresor y turbina van acoplados al mismo eje. El compresor es de tipo axial o centrífugo y con varios escalonamientos en función de la relación de compresión. La turbina es de tipo axial y suele tener un número de escalonamientos inferior al del compresor. Esto se debe a que una corriente en expansión se puede de flectar bastante con una relación de expansión cualquiera lo que permite obtener potencias altas con un número de escalones comparativamente bajo. No ocurre lo mismo cuando se trata de comprimir, por problemas de desprendimiento de la corriente.

El proceso que lleva a cabo la turbina de gas para producir potencia mecánica es el siguiente: En el compresor se comprime un cierto gasto másico de aire desde las condiciones ambientales hasta una relación de compresión adecuada. Valores típicos para la relación de compresión son del orden de 10 a 18. En cuanto al gasto másico puede ser muy variado en función de la aplicación y de la potencia de la turbina de gas.

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El aire es conducido hasta la cámara de combustión donde es mezclado con el combustible y se produce una combustión isóbara, salvo las posibles pérdidas de carga. Los gases resultantes de la combustión, que pueden alcanzar temperaturas del orden de 1260°C, se expanden en la turbina hasta una presión ligeramente superior a la atmosférica debido a las pérdidas de carga en el escape.

El proceso así obtenido se puede representar gráficamente en un diagrama T - S como se indica a continuación:

Fig. 5 Ciclo Simple de Turbina a Gas de un solo Eje. Como se puede observar realmente no es posible hablar de un ciclo cerrado propiamente dicho puesto que al ser la turbina de gas un motor de combustión interna los gases resultantes no se pueden recircular cíclicamente. También existen turbinas de gas de combustión extrema en las que la cámara de combustión se sustituye por un cambiador en el que se calienta el gas hasta cierta temperatura y tras la expansión se enfría y se puede volver a comprimir estableciendo un ciclo cerrado. Típicamente la turbina de gas de combustión interna describe un "ciclo abierto". Los esquemas anteriormente representados corresponden al caso de una turbina de gas en el montaje denominado "eje simple". Este tipo de montaje es el más adecuado para la producción de energía eléctrica. No obstante existen otro tipo de montajes válidos para turbinas de gas como son el montaje en "eje doble" y el ciclo regenerativo, los cuales no son ideales para la generación de potencia con Ciclos Combinados.

CALDERA DE RECUPERACIÓN DE CALOR. La caldera de recuperación de calor es el nexo de unión entre los dos ciclos integrantes del ciclo combinado. Su papel es fundamental para el funcionamiento global del ciclo. El rendimiento final también depende en gran medida de la capacidad de extracción de calor de la caldera.

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El objetivo de la caldera de recuperación de calor, como ya se ha indicado, es recuperar la máxima cantidad de calor de los humos procedentes de la turbina de gas y obtener vapor en unas condiciones tales que sean adecuadas para su introducción en la turbina de vapor. La caldera de recuperación de calor para ciclos combinados es en general de tipo convectivo, es decir, el intercambio de calor se produce fundamentalmente a través del mecanismo de convección. Esta es una de las principales diferencias de este tipo de calderas con respecto a las convencionales, como las de carbón, en las que el mecanismo de radiación juega un papel importante. En las calderas convencionales existe combustión por lo que existen focos de llama a temperaturas cercanas a los 2000 °C, temperaturas a las cuales el intercambio de calor por radiación es muy importante. Por su parte, las calderas de tipo convectivo reciben los humos a unas temperaturas del orden de 600 °C. Esto hace que ambos tipos de calderas tengan conceptos de diseño algo distintos. Por ejemplo, las calderas convencionales están dotadas de dos tipos de sobrecalentadores, unos de tipo convectivo y otros de tipo radiactivo. En el caso de las calderas de convección sólo existen los de tipo convectivo. No obstante, no puede pasarse por alto que existen algunos ciclos combinados en los que para estabilizar las condiciones del ciclo de vapor tras una variación de la carga en la turbina de gas se procede a la post combustión en caldera para adecuar las condiciones de temperatura del vapor sobrecalentado. El vapor necesita ser acondicionado puesto que a bajos grados de carga de la turbina de gas la temperatura de escape de los humos desciende y no se puede obtener vapor sobrecalentado a la misma temperatura. La post combustión es posible debido al exceso de aire con que trabaja la turbina de gas. Sólo en estos casos se utiliza combustión en calderas para ciclo combinado. Aun así, su uso no es muy frecuente puesto que el rendimiento global del ciclo combinado disminuye, salvo en algunos casos en que a bajas cargas de la turbina de gas el rendimiento de la caldera sin post combustión es inferior al rendimiento con post combustión. La caldera de recuperación de calor para ciclo combinado consta fundamentalmente de los siguientes elementos:    

Economizador. Evaporador. Calderín o Domo. Sobrecalentador

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Fig.6 Caldera de recuperación de calor.

El esquema representado corresponde al caso de una caldera de recuperación con un único nivel de presión para el vapor. Como se puede observar en este esquema la caldera de recuperación es un cambiador de flujos en contracorriente. El agua sube enfriada entra por la zona de escape de humos de caldera, de modo que éstos puedan enfriarse lo máximo posible. El elemento donde se extrae el calor residual de los humos es el economizador y precisamente se denomina así porque trata de economizar al máximo la corriente de gases. En el economizador se eleva la temperatura del agua hasta prácticamente la temperatura de saturación correspondiente a la presión de trabajo. Existe un margen de seguridad en cuanto a la temperatura que es capaz de suministrar este elemento, ya que no interesa que exista evaporación en el mismo. Este margen de seguridad se debe a que a cargas parciales de la turbina de gas puede producirse evaporación en los tubos formando tapones y pudiendo provocar la fusión de los mismos por una disminución de la refrigeración. A la diferencia de temperaturas entre la temperatura de saturación y la temperatura a la que el agua sale del economizador se la denomina comúnmente "Approach- Point". El agua prácticamente en estado de saturación pasa al calderín que es un depósito cilíndrico en donde se produce la separación de fases líquida y gaseosa. La fase líquida se hace recircular a través del evaporador por medio de una bomba de recirculación. En algunas calderas se produce una circulación natural, aunque esto es más frecuente en calderas convencionales. En el evaporador se produce la evaporación del agua y la mezcla bifásica resultante se vuelve a llevar al calderín. El vapor resultante, que ha sido separado en el calderín, circula a través del sobrecalentador donde se acondiciona hasta una temperatura aceptable para la turbina de vapor. El sobrecalentador lógicamente se ha de disponer justo a la entrada de la caldera (escape de la turbina de gas) puesto que es la zona de máxima temperatura de los humos. El diagrama de temperaturas resultante para esta configuración de caldera es el que se representa a continuación:

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Fig. 7. Evolución de las temperaturas de los fluidos. En primer lugar puede observarse una zona plana en el diagrama de temperaturas correspondiente al agua. Esta zona plana es debida al cambio de fase y es función de la presión. Cuanto mayor sea la presión mayor será la temperatura de saturación y por tanto dicha zona plana se encontrará más arriba en el diagrama. Por otro lado al aumentar la presión también disminuye el calor latente de evaporación por lo que la zona plana se estrecha llegando a ser nula en el caso de la presión crítica (220 bar aprox.). Se han señalado además sobre el diagrama tres diferencias de temperatura importantes dentro de la caldera

TURBINA A VAPOR: Las Turbinas de Vapor conforman los Ciclos Rankine para generación de potencia, y constan de los siguientes elementos:    

Turbina de vapor. Bombas de agua. Condensador. Calentadores regenerativos.

Principios termodinámicos de las CCC TRABAJO Y CALOR EN UN CICLO COMBINADO

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Diagrama de SANKEY

Consideraciones básicas

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La eficiencia de Carnot es la máxima eficiencia de un proceso térmico ideal:

Donde, ηC : Eficiencia de Carnot TW : Temperatura de la energía suministrada TK : Temperatura del sumidero de calor Naturalmente, las eficiencias de un proceso real están por debajo debido a las pérdidas existentes. Existe una diferencia entre las pérdidas energéticas y exergéticas. Las pérdidas energéticas son principalmente pérdidas de calor (radiación y convección), es entonces, energía pérdida en el proceso. Las pérdidas exergéticas, por otra parte, son pérdidas internas o intrínsecas causadas por las irreversibilidades del proceso de acuerdo con la segunda Ley de la Termodinámica [14 y 15]. Existen dos razones mayores por las cuales la eficiencia de Carnot es mayor a la de un proceso real: La primera, es que el diferencial de temperatura entre el calor inicialmente suministrado al ciclo es muy grande. En una central convencional de vapor, por ejemplo, la temperatura máxima del vapor es alrededor de 810 K, mientras que la temperatura en la cámara de combustión es de aproximadamente 2000 K. Después, la temperatura del calor de desecho del proceso es más alta que la temperatura ambiente. Ambos procesos de intercambio de calor causan pérdidas. El mejor método para mejorar la eficiencia del proceso es reducir esas pérdidas, lo cual puede lograrse llevando al máximo la temperatura del ciclo, o llevando al mínimo posible la temperatura de desecho. El interés en un ciclo combinado surge particularmente de esas dos consideraciones. Por su naturaleza, un ciclo simple no puede hacer ambas mejoras a una magnitud igual. Es entonces razonable combinar dos ciclos: uno con procesos de alta temperatura y otro que lleve los residuos a menor temperatura, lo más cercano posible a la temperatura ambiente.

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En un ciclo abierto de turbina de gas, las temperaturas de proceso que se obtienen son muy altas porque su energía es suministrada directamente al ciclo “sin” intercambiadores de calor. Y por lo tanto la temperatura de los gases de escape también es muy alta. En el ciclo de vapor, la temperatura máxima del proceso no es muy alta, pero el calor rechazado al ambiente tiene una temperatura muy baja [1]. En la figura 2 se comparan los diagramas temperatura versus entropía de los cuatro procesos, la CCC utiliza mejor el diferencial de temperatura en el calor suministrado, aún así existen pérdidas exergéticas adicionales entre los gases y el proceso de generación de vapor. Figura 8. Diagramas Temperatura – Entropía. A

1600K

B

Q+ Q+

900 K

Temperatura 620 K

288 K

950 K

Q-

570 K

300 K

Q-

300 K

Entropía

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Eficiencia térmica de las plantas de ciclo combinado Se consideró en la sección anterior que la energía del combustible es inicialmente suministrada sólo en la turbina de gas. Sin embargo, existen instalaciones de CCC con quemadores adicionales en el generador de vapor, en el cual una porción del calor es directamente suministrado al proceso de vapor. En consecuencia, la definición general de la eficiencia térmica de una CCC es:

En el caso de que no existieran quemadores suplementarios en el recuperador de calor (calor suministrado QSF = 0), la formula se simplificaría:

(3) En el caso general, las eficiencias del ciclo simple pueden definirse como sigue:

-

Para el proceso de la turbina de gas:

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-

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Para el proceso del ciclo de vapor:

-

Combinando esas dos ecuaciones tenemos:

-

EFECTO DEL QUEMADO ADICIONAL EN EL RECUPERADOR DE CALOR PARA LA EFICIENCIA TOTAL Sustituyendo las ecuaciones (4) y (7) en la ecuación (2), se tiene que:

La combustión adicional en el recuperador de gases calientes (HRSG, por sus siglas en inglés) incrementa la eficiencia de la CCC, siempre que:

Diferenciando la ecuación (8) se produce la desigualdad:

Por lo tanto:

Como el segundo término de la desigualdad es igual a ηK, la desigualdad se reduce a:

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El término [QSF +QGT(1−ηGT )] no es otro que el calor suministrado al ciclo. Por lo que se tiene:

La ecuación (13) indica que el quemado adicional mejora la eficiencia de la CCC, sólo si la eficiencia del ciclo de vapor se incrementa. La mayor eficiencia se alcanza cuando la diferencia entre las eficiencias de la CCC y el ciclo de vapor es mayor, y cuando la temperatura del calor suministrado al proceso de vapor es menor. Por esa razón, el quemado adicional esta volviéndose menos y menos interesante: la eficiencia de la CCC se incrementa mucho más rápidamente que la del proceso de vapor, ya que continuamente se incrementa la diferencia (ηK – ηST). Con base en las consideraciones antes mencionadas, es generalmente mejor quemar el combustible en una turbina de gas moderna que en el ciclo de vapor, debido a que el proceso (turbina de gas) requiere altas temperaturas del calor suministrado.

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EFICIENCIA DE UNA CCC SIN QUEMADO ADICIONAL DE COMBUSTIBLE EN EL HRSG Sin quemado adicional, la ecuación (8) puede escribirse como sigue:

La diferenciación hace posible estimar el impacto en la eficiencia total debido al efecto de un cambio en la eficiencia de la turbina de gas.

Incrementando la eficiencia de la turbina de gas mejora la eficiencia total, sólo sí:

De la ecuación (15) se tiene:

Mejorar la eficiencia de la turbina de gas ayuda sólo si esto no causa una gran caída en la eficiencia del ciclo de vapor. La tabla 5 muestra la máxima reducción eficiencia de la turbina de gas.

aceptable como una función de la

Tabla 5. Reducción aceptable de la eficiencia en un proceso de vapor, como función de la eficiencia de la turbina de gas (η ciclo de vapor = 0.25)

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26 Esta tabla indica que es más grande la eficiencia de la turbina de gas, que la reducción que podría tenerse en la eficiencia del ciclo de vapor. La proporción de la salida total proporcionada por el incremento de la turbina de gas, reduce el efecto de una baja eficiencia en el ciclo de vapor. Pero una turbina de gas con una eficiencia máxima aún no proporciona una CCC óptima. Por ejemplo con una temperatura de entrada constante - una turbina de gas con una relación de presiones muy alta obtiene una mejor eficiencia que una máquina con una relación de presiones moderada. Sin embargo la eficiencia de una CCC con una segunda máquina es significativamente mejor porque el ciclo de vapor opera más eficientemente, debido a que se tiene una mayor temperatura en los gases de escape y por lo tanto una mayor producción de electricidad. La gráfica 5a muestra la eficiencia de una turbina de gas sólo como función de la temperatura de entrada y salida de la turbina. La máxima eficiencia es alcanzada cuando la temperatura de los gases de escape es bastante baja. Una temperatura baja de los gases de escape significa una relación de presiones alta. La gráfica 5b muestra la eficiencia total de la CCC bajo los mismos parámetros. Comparada con la gráfica 5a, el punto óptimo se desplaza hacia temperaturas mayores de los gases de escape. Debido a consideraciones económicas, hoy en día las turbinas generalmente no son optimizadas en base a la eficiencia sino a la capacidad de generación eléctrica. Afortunadamente, esta optimización coincide con exactitud con la eficiencia óptima de las plantas de ciclo combinado. Como resultado los fabricantes de turbinas hoy en día, producen máquinas preferentemente orientadas a operar en ciclos combinados. Existen turbinas de gas con diseño más complicado, por ejemplo, con interenfriador en el compresor o con recuperador de calor, sin embargo no son adecuadas para utilizarse en ciclos combinados. Esto se debe normalmente a que la temperatura de los gases de escape es menor, y lógicamente impacta en la eficiencia del ciclo de vapor. También existen turbinas con recalentamiento o mejor dicho con más de una cámara de combustión, sin embargo no las discutiremos en este capítulo. En resumen, se puede decir que la turbina de gas con alta eficiencia no necesariamente produce la mayor eficiencia global en el ciclo combinado. La temperatura de entrada a la turbina es un parámetro sumamente importante. Consideraciones similares pueden aplicarse al tomar en cuenta la eficiencia del ciclo de vapor. Sin embargo, esas son menos importantes porque la turbina de gas es generalmente la “máquina estándar”. El calor de rechazo disponible para el proceso de vapor es entregado, y el problema queda sólo en su máxima conversión a energía mecánica.

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CICLOS COMBINADOS GAS-VAPOR CON DIFERENTES NIVELES DE PRESIÓN Y TEMPERATURA DE VAPOR Dado que las turbinas de gas utilizadas en los ciclos combinados gas-vapor están estandarizadas –con potencias y temperaturas de gases ya definidas-, quedan como grados de libertad para la optimización del ciclo la presión, la temperatura y el caudal de vapor producido en la caldera de recuperación de calor. Estos han de ser seleccionados de forma que se obtenga el menor coste final del kWh producido en el conjunto caldera-turbina de vapor. Los principales parámetros que contribuyen a definir de forma más eficiente el ciclo agua-vapor son: -

Presión de vapor Temperatura de vapor Pinch point Approach temperatura Caída de presión en el sobrecalentador Caída de presión en el economizador Temperatura del agua de alimentación

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CICLO COMBINADO GAS-VAPOR CON RECALENTAMIENTO En los ciclos combinados gas-vapor con uno, dos y tres niveles de presión, el contenido en humedad del vapor en la última rueda limita la posibilidad de incrementar la presión del vapor, y por tanto de aumentar la potencia obtenida en la turbina de vapor. Asimismo, en el ciclo con tres niveles de presión, se observa un cierto recalentamiento al mezclarse los flujos de vapor de alta presión y presión intermedia, si bien el efecto de recalentamiento es suave debido al poco flujo de vapor de presión intermedia. El concepto de recalentamiento introduce un cambio significativo en la turbina de vapor con dos cuerpos diferenciados: alta presión y presión intermedia en un cuerpo y otro cuerpo de baja presión, o un cuerpo de alta presión y otro cuerpo para la presión intermedia y baja presión. El vapor en este ciclo, después de expandirse en el cuerpo de alta presión hasta la presión intermedia vuelve a la caldera y se mezcla con el vapor procedente del sobre calentador de presión intermedia, para recalentarse conjuntamente a una temperatura próxima de la del vapor de alta presión y expandirse en el cuerpo de presión intermedia-baja presión En el balance térmico se comprueba que, al incrementar la presión del vapor de alta, se reduce un poco su masa y aumenta ligeramente la del vapor de presión intermedia. El rendimiento del ciclo mejora debido al recalentamiento y la humedad en la última rueda de la turbina se reduce al 10%, valor significativamente más bajo que el 16-18% del

29 ciclo con triple nivel de presión debido a que la zona de trabajo del vapor recalentado, hasta el nivel de presión en el condensador, proporciona una humedad final más baja.

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Figura Esquema de un ciclo combinado representativo de los instalados los últimos años en España (Especificaciones técnicas)

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CONCLUSIÓN El incremento previsto de la demanda de energía eléctrica hace necesaria la construcción de nuevas plantas de generación, las anergias renovables en los próximos años aumentaran su participación en la estructura de la generación eléctrica pero manteniendo un nivel moderado. Las Centrales de Ciclo Combinado con gas Natural son la mejor alternativa tecnológica en estos momentos para la generación eléctrica, por su alta eficiencia energética y su bajo nivel de emisiones

EJERCIO PROPUESTO Ejemplo de sistema de ciclo combinado simple.En una instalación de ciclo combinado de turbina de gas y turbina de vapor, los gases procedentes de la combustión en la turbina de gas precalientan el agua, vaporizan y sobrecalientan el vapor de agua hasta la temperatura de 300ºC, siendo los datos de la instalación: Aire: c p = 1,04 kJ/kgºK ;  = 1,4 Agua: c p = 4,18 kJ/kgºK ; v = 0,001 m3/kg

Turbina de gas:

Gasto: 50 kg/seg ; Entrada en el compresor: 20ºC y 1 atm ; Entrada en la turbina: T 3 = 850ºC

32 Temperatura de salida del intercambiador de calor: 120ºC ; Relación de compresión: 7 Rendimientos:  cámara combustión = 1 ;  mec. compresor =  mec. turbina gas = 0,95 ;  C = 0,8 ;  T gas = 0,85

Turbina de vapor: Rendimiento del generador de vapor: 1 Temperatura de salida del intercambiador: 300ºC Presión de entrada a la turbina de vapor (AP): 80 atm Temperatura de entrada a las turbinas de vapor (1) y (2) : 550ºC Presión de entrada a la turbina de vapor (BP): 20 atm Presión en el condensador: 50 mbars Rendimientos:  mec. bombeo = 0,85 ;  mec. turbina vapor = 0,98 ;  T = 0,8

En el hogar de la instalación de vapor de agua se realizan:

- El sobrecalentamiento del vapor de agua a la presión de 80 atm entre 300ºC y 550ºC - El recalentamiento a 20 atm hasta los 550ºC

Determinar:

- El trabajo útil de la turbina de gas y el rendimiento global de la turbina de gas. - El trabajo útil de la turbina de vapor - El rendimiento de la instalación

Para resolver el problema se supondrá que la pérdida de presión en tuberías, cámara de combustión y caldera es despreciable. RESOLUCIÓN

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BIBLIOGRAFÍA  Máquinas y equipos térmicos RISTINA ESCUDERO SALAS, PABLO FERNÁNDEZ IGLESIAS

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Turbomáquinas térmicas. Autor: J. L. Gutiérrez de Rozas Salteráin Editorial: Universidad del País Vasco Año de edición: 2.005



Generación del vapor - Mesny M.

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