¿Qué es una Central Térmica de Ciclo
Combinado?
Es un ciclo de potencia que se base en el acoplamiento de dos ciclos diferentes
de producción de energía, uno de turbina de vapor y otro de turbina de gas. El
calor no utilizado por uno de los ciclos se emplea como fuente de calor del
otro. De esta forma los gases calientes de escape del ciclo de turbinas de gas
entregan la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo de vapor
acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo de combustible.
La energía obtenida en estas instalaciones puede ser utilizada, además de la
generación eléctrica, para calefacción a distancia y para la obtención de
vapor de proceso.
En la figura 1 puede verse el esquema típico de una central de ciclo combinado.
La central detallada en el diagrama consta de dos turbinas de gas y una de
vapor, en una combinación conocida como 2x1.
Figura 1. Esquema Central de
ciclo combinado.
¿Cómo es una central de
ciclo combinado?
En la figura 2 se muestra un
esquema simplificado de un circuito típico de un ciclo combinado para
generación de energía eléctrica, de una presión. El aire aspirado desde el
ambiente ingresa al turbogrupo del ciclo de gas, es comprimido por un
compresor, a continuación se mezcla con el combustible en la cámara de
combustión para su quemado. En esta cámara el combustible ingresa atomizado.
Los gases de combustión calientes se expanden luego, en la turbina de gas
proporcionando el trabajo para la operación del compresor y del generador
eléctrico asociado al ciclo de gas.
Figura
2. Esquema de funcionamiento de una central de ciclo combinado.
Los
gases de escape calientes salientes de la turbina de gas ingresan a la caldera
de recuperación. En esta caldera de recuperación se produce el intercambio de
calor entre los gases calientes de escape y el agua a alta presión del ciclo de
vapor; es decir, el aprovechamiento del calor de los gases de escape llevando
su temperatura al valor más bajo posible. Los gases enfriados son descargados a
la atmósfera a través de una chimenea. En relación con el ciclo de vapor, el
agua proveniente del condensador se acumula en un tanque de alimentación desde
donde se envía a distintos calderines de alimentación de intercambiadores de
calor de la caldera de recuperación, según se trate de ciclos combinados de una
o más presiones.
En la caldera de recuperación el agua pasa por tres sectores:
1) El
Economizador, que simplemente eleva ligeramente la temperatura del agua,
tratando de recuperar algo de calor de los gases de escape.
2) El
sector de evaporación, situado en la zona central de la caldera, produce la
evaporación.
3) El
sector de sobrecalentamiento, que hace que el vapor adquiera un mayor nivel
energético, aumente su entalpía, aumentando su temperatura. Está situado en la
zona más próxima al escape de la turbina, donde la temperatura es más alta, 600
ºC o más.
El vapor producido se expande ahora en
una turbina de vapor. El vapor pierde su energía y se vuelve a condensar en el
condensador, a presión inferior a la atmosférica.
La unión de los dos ciclos,
la turbina de gas y la de vapor, permite producir más energía que un ciclo
abierto, y por supuesto, con un rendimiento energético mayor, pues aprovecha el
calor que se tiraría a la atmósfera a través de la chimenea. De esta forma, el
rendimiento supera el 55 %, cuando una turbina de gas rara vez supera el 40 %,
los valores normales están entorno al 35 %.
Aspectos
positivos y limitaciones de los ciclos combinados.
Además de la flexibilidad de
utilización, ya sea para generación de energía eléctrica como para obtención de
vapor, este tipo de configuración permite la conversión o “repowering” de
instalaciones térmicas con turbinas de vapor con el consiguiente aumento de la
eficiencia integral de las mismas.
Los fabricantes de turbinas de gas y plantas de ciclo combinado indican las
siguientes razones para justificar el mayor uso de los mismos:
1) Disponibilidad
de grandes volúmenes de gas natural.
2) Posibilidad
de uso de otros combustibles, diesel, carbón gasificado, etc., con rendimientos
elevados pero con limitaciones en el funcionamiento de los quemadores. El
diseño se optimiza para gas natural.
3) Elevados
rendimientos con buen factor de carga.
4) Bajo
impacto ambiental en relación con las emisiones de NOx y menor
eliminación de calor al medio ambiente.
5) Menores
requerimientos de refrigeración respecto a una central convencional de igual
potencia.
6) Bajos costos
de capital y cortos plazos de entrega de las plantas, para los niveles de
eficiencia obtenidos.
7) Ventajas
asociadas a la estandarización de componentes, con la simplificación de su
montaje y mantenimiento.
El rendimiento de los ciclos combinados
nuevos que operan en la actualidad es del orden del 57 %. Este valor supera a
los rendimientos de los ciclos abiertos de turbinas de gas y de los de vapor
que trabajan en forma independiente.
El desarrollo práctico de los
ciclos combinados estuvo fuertemente vinculado al desarrollo tecnológico de los
materiales para construir turbinas de gas capaces de operar a relaciones de
presión relativamente altas, de 10:1 hasta 13:1, y con temperaturas de entrada
del orden de 1080 ºC.
Esto originó un retaso en el avance de la utilización de estos ciclos. Esta
situación mejoró en la década de los 90 y en la actualidad en el mercado se
encuentran turbinas que admiten temperaturas de entrada del orden de los 1400
ºC. Las mejoras en el diseño de componentes y materiales
han permitido elevar la potencia y la eficiencia térmica de las turbinas de gas
y por lo tanto del ciclo combinado. La utilización de materiales cerámicos y
monocristalinos en los álabes de la turbina ha contribuido enormemente a este
avance.
Una de las limitaciones que
imponen los materiales y las temperaturas de trabajo asociadas, a los equipos y
componentes del circuito de los gases de combustión, son los esfuerzos térmicos
que aparecen cuando estos ciclos se operan en forma intermitente o “se ciclan”.
Estos esfuerzos son mayores que los que se producen en operación continua, ya
que cuando se efectúa el ciclado los transitorios de arranque y parada son
mucho más frecuentes. En estos transitorios se produce fatiga termomecánica de
los metales base. Tanto este tipo de paradas como las de emergencia afectan
fuertemente la vida útil de la turbina, ya que en este aspecto cada arranque
equivale a aproximadamente veinte horas de operación en régimen continuo y cada
parada de emergencia equivale a diez arranques normales (unas doscientas horas
de funcionamiento).
Por otra parte se ha
comprobado que aún en condiciones normales de operación mucho de los
componentes del citado circuito de gases de combustión no alcanzan el tiempo de
vida útil previsto. Por ejemplo los álabes de la turbina de gas presentan
frecuentemente fallas antes de cumplir la vida útil establecida en el diseño.
Otra limitación de estos
ciclos es la respuesta de la turbina de gas de acuerdo con las condiciones
ambientales. Así en días calurosos la turbina trabaja con menor eficiencia que
en los días fríos. Una turbina de gas que se opera con una temperatura ambiente
de 0 ºC
produce alrededor del 15 % más de energía eléctrica que la misma máquina a 30
ºC. Asimismo los climas secos favorecen la eficiencia de
estos equipos. Por estas razones las eficiencias nominales expresan los
resultados de los cálculos de potencia basados en condiciones ambientales
normalizadas ISO (15ºC,
1,013 bar. y 60% de humedad relativa).
En lo que respecta a la contaminación
ambiental, los combustores de baja emisión de NOx fueron uno de los
más importantes logros en la tecnología de las turbinas de gas. No obstante
implican la limitación de tener mayor inestabilidad de llama que los de
difusión convencionales por la necesidad de usar mezclas aire-combustible más
pobres. La oscilación de la llama puede producir vibraciones y ruido
inaceptables y además afectar la vida útil y la fiabilidad operativa de la
turbina de gas.
Figura 3. Vista de una
central de ciclo combinado.
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