Orden de exposición

Ciclo de potencia combinado: Gas y Vapor

Introducción

Los ciclos característicos de turbina de gas operan a temperaturas considerablemente más altas que los ciclos de vapor. La temperatura máxima del fluido a la entrada de la turbina está cerca de los 620 º C en las centrales eléctricas de vapor moderna, pero son superiores a los 1425ºC en las centrales eléctricas de turbina de gas.

Estos ciclos de turbina tienen una desventaja inherente: el gas sale de la turbina a temperaturas muy altas, lo que cancela cualquier ganancia de potencial en la eficiencia térmica. Por eso es conveniente aprovechar las características deseables del ciclo de turbina de gas a altas temperaturas y utilizar los gases de escape como fuente de energía en un ciclo en un intervalo de temperatura menor, como el ciclo de potencia de vapor.

En el sentido más amplio una planta de ciclo combinado consiste en la integración de dos o más sistemas termodinámicos energéticos, para lograr una conversión más completa y eficiente de la energía aportada en trabajo o potencia.

Un ciclo de potencia combinado es un ciclo basado en el acoplamiento de dos ciclos de potencia diferentes, de modo que el calor residual en un ciclo sea utilizado por el otro total o parcialmente, como fuente térmica.

Este ciclo combinado consiste en la utilización de un ciclo de turbina de gas Brayton (Este es un ciclo de potencia cuyo fluido de trabajo es la mezcla de aire combustible) como ciclo superior, con un ciclo de de turbina de vapor (Rankine). Un ciclo superior es aquel cuyo calor residual tiene temperatura que está por encima de la temperatura máxima del segundo ciclo. El calor residual del escape sirve como calor de aporte al ciclo rankine. Manuel.

La eficiencia termodinámica de un ciclo Rankine se puede incrementar con algunas de las siguientes acciones, entre otras:

Disminución de la presión en el condensador. Esto está limitado por la temperatura del agua de refrigeración disponible y por el aumento del tamaño del condensador. Aumento de la presión de entrada a la caldera de recuperación. Esto tiene una limitación de orden práctico (técnico económico) con valores de presión entre 250 y 350 bar. Aumento de la temperatura de sobrecalentamiento, en este caso la temperatura máxima viene limitada por la resistencia de los materiales de construcción con límites prácticos del orden de los 600oC.

En relación con el ciclo Brayton, éste es un ciclo abierto y su eficiencia se puede aumentar implementado entre otros:

El ciclo regenerativo, en el cual se precalienta el aire que sale del compresor con los gases de escape de la turbina de gas aprovechando así una parte de su energía remanente. El enfriamiento intermedio en la compresión. Manuel.

Explicación de la Gráfica:

El aire aspirado desde el ambiente ingresa al turbo grupo 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. 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 ingresa a un tanque de alimentación desde donde se envía a distintos bancos 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:

· El economizador.

· El sector de evaporación.

· El sector de recalentamiento.

En el primer sector el agua se calienta hasta la temperatura de vaporización y en el último se sobrecalienta hasta temperaturas máximas del orden de los 540oC aprovechando las altas temperaturas a las que ingresan los gases de escape de la turbina de gas a la caldera de recuperación. En este ciclo la energía se recupera de los gases de escape y se transfiere al vapor en un intercambiador de calor que sirve como caldera. Generalmente se necesita más de una turbina de gas para suministrar calor al vapor.

El rendimiento térmico de nt del ciclo combinado, es igual al cociente entre la suma de las dos potencias de salida y el flujo de calor suministrado al ciclo de la turbina de gas, es decir:

ηtcomb=W gas ( salida )+W vapor (salida)

Q gas(entrada )

ηtcomb=˙mgasW gas (salida )+ ˙mvapor W vapor(salida)

˙mgasQgas(entrada )

Sin calor ni trabajo y despreciando las variaciones de la energía cinética y potencial el balance de energía en el cambiador de calor queda

∑ mentradahentrada=∑ msalida hsalida

0=mgas (hentrada−hsalida)gas+mvapor(hentrada−hsalida)vapor

Los recientes desarrollos tecnólogicos para las turbinas de gas han logrado que el que el ciclo combinado de gas y vapor resulte muy atractivo desde el punto de vista económico, ya que el ciclo combinado aumenta la eficiencia sin incrementar el mucho el costo inicial. Así muchas centrales eléctricas nuevas operan en ciclos combinados y muchas centrales de vapor o de turbina de gas existentes se están convirtiendo en centrales de ciclo combinado. Como resultado se han reportado eficiencias térmicas por encima del 40 %.

Ventajas

Estos sistemas permiten reducir el consumo de combustibles tradicionales, recuperar el calor residual por seguridad y economía y eliminar subproductos de procesos industriales.

Las emisiones medioambientales de los ciclos combinados suelen ser generalmente bajas.

Otros sistemas de ciclos combinados: el que estamos utilizando a manera de ejemplo es la combinación de una turbina de gas con un generador de vapor recuperador de calor y una turbina de vapor.

- Sistema de combustión en lecho presurizado- Sistema de ciclo combinado de gasificación integrada- Sistema magneto hidro-dinámico.

Desventaja

- 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 diez horas de operación en régimen continuo y cada parada de emergencia equivale a diez arranques normales.

- Por otra parte se ha comprobado que aun en condiciones normales de operación muchos 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 opera con una temperatura ambiente de 0oC produce alrededor del 20% más de energía eléctrica que la misma máquina a 30oC. 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, 1,013bar y 60% de humedad relativa).