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Tabla de contenido
CENTRALES DE CICLO COMBINADO.............................................................................................2
DEFINICION..............................................................................................................................2
OPERACIÓN..............................................................................................................................2
EL RENDIMIENTO DE UN CICLO COMBINADO..........................................................................3
CONVENIENCIA TERMODINÁMICA...........................................................................................3
La temperatura de entrada de los ciclos combinados construidos......................................3
La temperatura de salida de los ciclos combinados conrtruidos..........................................3
Ciclos combinados TG + TV en serie.....................................................................................4
Ciclos combinados TG + TV en paralelo................................................................................5
Los aportes de potencia en los ciclos combinados TG + TV..................................................5
El ciclo combinado TG + TV con HRSG sin postcombustión..................................................5
MEJORAS DEL CICLO COMBINADO...........................................................................................6
FACTORES QUE AFECTAN AL DESMPEÑO DE LAS TURBINAS DE GAS...................................6
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO..............................................................................................7
CENTRAL TERMOELÉCTRICA CICLO COMBINADO CHILCA (KALLPA)...........................................11
Caldera recuperadora de calor (CRC).....................................................................................12
Turbina a vapor......................................................................................................................12
Turbina a gas..........................................................................................................................13
SGT6-5000F technical data.................................................................................................13
CURSO DE TURBINAS TÉRMICAS Y MOTORES A REACCIÓN
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CENTRALES DE CICLO COMBINADO
DEFINICION
Se toma aire atmosférico a través de la admisión del compresor desde donde se
envía aire comprimido a la cámara de combustión en la cual el combustible entra con
un caudal constante y se mantiene en llama continua. La ignición inicial se obtiene
generalmente por medio de una chispa. El aire, calentado en la cámara de
combustión, se expande a través de toberas o paletas fijas y adquiere una elevada
velocidad. Parte de la energía cinética de la corriente de aire es cedida a los álabes de
la turbina.
En la operación de las turbinas de gas se presentan varias limitaciones de índole
práctica, las cuales determinan gran parte de la actuación de esta clase de máquinas.
Entre estas limitaciones merecen citarse la temperatura y velocidad de los álabes, el
rendimiento del compresor, el rendimiento de la turbina y la transferencia de calor (en
ciclos con regeneración).
En estas plantas, una turbina a gas (TG) mueve un generador.
El calor de escape de la TG es utilizado para producir vapor que se emplea en la
generación adicional de electricidad con un generador impulsado por una turbina a
vapor (TV).
Esta última etapa del proceso aumenta la eficiencia de generación de energía de la
planta.
OPERACIÓN
En una central térmica, el calor de alta temperatura, usualmente producto de la
combustión de un combustible fósil, es la energía entrante a la planta.
Esta energía entrante es convertida a electricidad como una de las salidas de la
planta.
La otra salida es calor de baja temperatura y no es aprovechado en el proceso de
conversión energética que ejecuta la central.
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EL RENDIMIENTO DE UN CICLO COMBINADO
El rendimiento de un ciclo térmico será tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia de
temperatura entre el calor de entrada y el de salida. Este enunciado se conoce como
eficiencia de Carnot.
En una planta real, el valor máximo de temperatura admisible de operación del ciclo
estará relacionado a las propiedades de los materiales empleados en la construcción
de las máquinas que participan del ciclo térmico.
El Ciclo Combinado (CC) verifica la condición de una importante diferencia de
temperaturas entrada / salida, al combinar los ciclos termodinámicos de Brayton (gas)
y Rankine (vapor).
El rendimiento de un CC alcanza en la actualidad valores cercanos al 60 %.
CONVENIENCIA TERMODINÁMICA
Con este recurso se recobra una porción de la exergía contenida en el calor residual,
con trabajo ejecutado a partir de ella.
La conjunción de estos aprovechamientos energéticos + exergéticos resultan en una
mejor utilización de la energía.
La idea de los ciclos combinados surge de la expresión del rendimiento termodinámico
de un ciclo de potencia:
η = 1 – (T entr / T sal); donde T entr es la temperatura media de entrada y T sal la de
salida del ciclo. De la expresión puede deducirse que cuanto mayor sea Tentr y menor
sea T sal, tanto mayor será el rendimiento del ciclo.
La temperatura de entrada de los ciclos combinados construidos
Estas temperaturas de entrada de los ciclos Rankine son significativamente menores a
las de un ciclo Brayton, que opera con menores presiones y en el que los materiales
expuestos a las altas temperaturas del ciclo son muy inferiores.
Para el mismo ciclo, la Tentr dependerá del fluído de trabajo. Así por ejemplo un ciclo
Rankine con mercurio o potasio podrá operar a mayores temperaturas sin requerir
presiones tan elevadas.
La temperatura de salida de los ciclos combinados conrtruidos
En el ciclo Rankine la Tsal es la de condensación, valor muy cercano a la temperatura
ambiente.
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Comparando fluidos de trabajo, un ciclo Rankine con agua alcanza Tsal inferiores que
uno operando con mercurio. Si, en cambio, el fluido utilizado es amoníaco, la Tsal
podrá ser menor que si se emplea agua.
Ciclos combinados TG + TV en serie
Una clasificación posible es de acuerdo a la ponderación de la energía térmica
suministrada por los gases de escape de la TG en el total de la energía aportada al
ciclo Rankine.
Con este criterio, se reconocen tres tipos diferentes de estos ciclos.
Ciclos combinados TG + TV en serie
Caso 1:
Los gases de escape de la TG proveen la totalidad de la energía térmica del ciclo
Rankine.
El equipo de acoplamiento es un intercambiador de calor convectivo.
Es la llamada caldera de recuperación de calor o HRSG, que son las siglas de la
denominación en inglés (Heat Recovery Steam Generator).
Esta configuración es la más aplicada en los ciclos combinados en operación.
La TG tiene una potencia del orden del doble de la TV.
Caso 2
Antes de su ingreso en la HRSG, los gases de escape de la TG reciben un aporte de
calor adicional.
El calor agregado resulta de la combustión de combustible fósil, aprovechando como
comburente el exceso de aire en los gases de escape.
El aporte térmico de los gases de escape sigue siendo el más importante, aunque el
aporte de calor adicional permite la utilización de una TV de mayor potencia.
También permite mayores grados de libertad en el diseño del ciclo de cola.
Caso 3:
Los gases de escape son el comburente en la caldera del ciclo de Rankine, en la que
se quema el combustible para obtener la producción necesaria de vapor.
El aporte principal de la energía térmica al ciclo de cola es la del combustible fósil
quemado.
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En estas configuraciones la potencia de la TV es mayor que la de la TG.
Estos esquemas son los habitualmente definidos para el reciclado de centrales de
ciclo Rankine.
Ciclos combinados TG + TV en paralelo
En estos ciclos se concreta un acoplamiento térmico interno.
Este acoplamiento es para el aporte de energía térmica en la caldera principal a los
ciclos Brayton y Rankine.
Estos esquemas tienen los ciclos en paralelo. Uno típico es el de las plantas de
combustión de carbón en lecho fluido a presión (PFB).
Los aportes de potencia en los ciclos combinados TG + TV
En los diferentes esquemas, los porcentajes de potencia aportados por la TG y por la
TV pueden ser significativamente diferentes:
en un ciclo con HRSG sin postcombustión, la TG aporta el 66% de la potencia
total del ciclo.
en otro escenario, en un reciclado serie la TG aporta en el orden del 10 al 30%
de la potencia total del ciclo.
De acuerdo al caso, las medidas a adoptar para aumentar el rendimiento
térmico de la instalación deberán ir dirigidas al ciclo TG o al ciclo TV.
En un ciclo combinado que emplea una HRSG sin postcombustión las acciones
más adecuadas serán las tendientes a mejorar el rendimiento de la TG.
En un reciclado serie se deberá hacer hincapié en incrementar el rendimiento
del ciclo Rankine. Como este ciclo preexiste a la repotenciación, en general no
se obtienen mejoras importantes en el mismo.
El ciclo combinado TG + TV con HRSG sin postcombustión
La principal limitación de este esquema está en el proceso de intercambio de calor en
la HRSG, entre los gases de escape y el agua – vapor.
Si el ciclo de Rankine de la planta es de una única presión, el resultado es un elevado
punto de estricción (Pinch Point). Esto resulta en una gran irreversibilidad y por tanto
una pérdida de exergía.
En relación al rendimiento, es importante señalar:
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las irreversibilidades resultado del intercambio de calor en una HRSG son muy
inferiores a las que se producen en una caldera de ciclo Rankine convencional, por ser
mucho menores las diferencias de temperatura entre los gases calientes y el vapor,
aún a una única presión de trabajo del circuito agua / vapor.
MEJORAS DEL CICLO COMBINADO
Para modificar la potencia de una turbina de gas se deben alterar, principalmente, dos
parámetros: el flujo másico que pasa a través de los álabes de la turbina y la
temperatura del fluido de trabajo a la entrada del rotor.
Así mismo, es posible incrementar la eficiencia y la potencia de un ciclo simple
recuperando la energía remanente en los gases de escape mediante un recuperador
de calor. Este equipo produce vapor que puede ser expandido en el mismo eje de la
turbina de gas o en otro eje mediante una turbina de vapor.
FACTORES QUE AFECTAN AL DESMPEÑO DE LAS TURBINAS DE GAS
Dado que la turbina de gas es un motor que respira aire del ambiente, su desempeño
cambia con cualquier cosa que afecte el flujo de masa de aire de admisión al
compresor, y con mayor razón los cambios en las condiciones de referencia de la
Internacional Standards Organization (ISO) de 15ºC (59ºF), 60% de humedad relativa
y 101.4 kPa (14.7 psia). Debido a esto, el desempeño de las turbinas de gas varía
significativamente con las condiciones locales, y la temperatura ambiente es un factor
determinante.
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Si se disminuye la temperatura ambiente, la capacidad y eficiencia de las turbinas de
gas se incrementan, debido a que esta disminución induce un aumento en la densidad
del aire en la succión del compresor y, para una velocidad constante del mismo, esto
se traduce en un incremento en el flujo másico.
El tipo de combustible también influye en el rendimiento. Es así como el gas produce
alrededor del 2 % más de salida de potencia que los destilados del petróleo.
La figura 1 presenta los resultados obtenidos de una prueba realizada a una unidad en
ciclo combinado compuesto por una turbina de gas de 100 MW y una turbina de vapor
de 50 MW, durante dos días (no consecutivos) que estuvo operando con carga base
las 24 horas. En esta prueba se observó que por cada grado Fahrenheit de incremento
en la temperatura del aire a la entrada del compresor, la potencia final de la turbina de
combustión cayó en promedio 0.54 MW el primer día y 0.41 MW el segundo. En la
misma figura se observa también una disminución casi lineal en la potencia de salida
con respecto al incremento en la temperatura ambiente.
Esta unidad posee un enfriador evaporativo, por lo que las temperaturas señaladas en
la figura 1 no corresponden a la temperatura ambiente de Barranquilla sino a la de
bulbo seco, modificada por el enfriador, inmediatamente antes de la primera rueda de
álabes del compresor.
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO.
Los parámetros que se tienen en cuenta para seleccionar el tipo de sistema de
enfriamiento más conveniente incluyen: el tipo de turbina, las condiciones climáticas,
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las horas de operación de la turbina, la relación entre flujo másico y potencia generada
y el precio de la energía en el mercado.
Las principales ventajas que se obtienen al enfriar el aire en la succión del compresor
son: mejoramiento en la potencia de salida, disminución del consumo térmico
específico en ciclo simple y ciclo combinado y disminución en las emisiones debido al
mejoramiento en la eficiencia total.
- Enfriador Evaporativo
Este sistema reduce la temperatura de una corriente de aire a través de la evaporación
de agua y es aplicable en lugares donde el aire es cálido, y es más efectivo en
ambientes secos. El enfriamiento se logra haciendo pasar el aire a través de un filtro
por el cual se deja que escurra el agua. Debido a la baja humedad relativa del
ambiente, parte del agua líquida se evapora. La energía del proceso de evaporación
viene de la corriente de aire, por lo que éste se enfría. Un enfriador evaporativo
incrementa la humedad relativa hasta valores alrededor del 85%.
La capacidad de enfriamiento de este sistema está limitada por la diferencia entre las
temperaturas del bulbo seco y bulbo húmedo del ambiente. Sus ventajas son sus
bajos costos iniciales y su facilidad de operación.
- Sistema de Niebla (Fogging System).
Este sistema trabaja con el mismo principio del enfriador evaporativo, pero en lugar de
un filtro usa billones de micro gotas de agua atomizada para el intercambio de energía,
y es posible alcanzar disminuciones en la temperatura del aire de hasta 20ºF. Este
sistema eleva la humedad relativa hasta el 100%.
La figura 3 muestra un esquema de este sistema y señala sus componentes. Sus
costos de capital son comparativamente bajos y su operación no es compleja.
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- Compresión Húmeda (Wet Compression)
La “compresión húmeda” proporciona un método económico para producir un aumento
significativo en la capacidad de generación de una turbina de gas. Incluye un sistema
de atomización y rocío, modificaciones en la lógica de control de la turbina de gas y
cambios adicionales en algunos componentes, a fin de hacerlos más seguros y
confiables. El incremento en la potencia viene de una combinación de los efectos de
un enfriamiento evaporativo, un incremento en el flujo másico y una reducción en el
trabajo del compresor debida a un interenfriamiento en las primeras etapas del mismo.
Los incrementos de potencia logrados con este sistema oscilan entre el 10% y el 25%,
y son más confiables que los alcanzados por enfriadores evaporativos y sistemas de
niebla, ya que no dependen de la humedad relativa del medio ambiente.
- Refrigeración Mecánica/Absorción
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Este sistema es capaz de mantener una temperatura del aire tan baja como se desee,
sin importar las condiciones ambientales. Sus desventajas son: alto consumo de
energía de auxiliares, alta complejidad, alto costo inicial y requiere grandes espacios.
En algunos casos no es económicamente viable.
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CENTRAL TERMOELÉCTRICA CICLO COMBINADO CHILCA (KALLPA IV)
El proyecto se encuentra ubicado en el distrito de Chilca, provincia de Cañete,
departamento de Lima. La planta produce 870 megavatios (MW), y que esto
representa entre el 17% y el 18% de la demanda nacional de electricidad.
Distribucion de componenetes de equipos
1,2,3 T.G.173 MW General Electric
7,8,9 Calderas recuperadoras de calor (CRC)
10 Turbina a Vapor
5 Subestación eléctrica
4 Estación de gas
La eficiencia de esta planta es de 54% debido a que la planta tendrá 6.900 BTU de
poder calórico por cada KV/H que se genere. Ello la convertirá en una de las plantas
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que en el sistema eléctrico del Perú utilizan menos poder calórico para generar cada
KV/H.
FECHA: 08/12/2014
Caldera recuperadora de calor (CRC)
Estas Calderas estarán ubicadas a continuación de las chimeneas de las Turbinas a
Gas a las cuales habrá que instalar compuertas para que los gases de combustión,
pasen a las Calderas en lugar de ser expulsadas directamente al ambiente; sin
embargo, se tendría la posibilidad de operar las Turbinas a Gas en forma aislada
cuando se realicen trabajos de mantenimiento en las Calderas o Turbina a Vapor..
Para incrementar la producción de vapor de las Calderas se instalará un sistema de
inyección de combustible (“duct firing”). Este sistema de inyección se utilizará
estrictamente temporalmente durante los casos de emergencia y/o a requerimiento del
COES, este sistema podrá incrementar la producción de la turbina en 10 MWe
aproximadamente (por Caldera). Dicho sistema utilizará también el gas natural como
combustible
Parámetros de la Caldera de Recuperación de Calor
Parámetro Unidad Valor
Flujo de Gases de Combustión t/h 1,400 – 1,800
Temperatura de Ingreso de Gases ºC 560-590
Temperatura de Salida de Gases ºC 100
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Turbina a vapor
El vapor producido por las CRC será enviado hacía la respectiva Turbina a Vapor por
intermedio de un cabezal; cabe señalar que el vapor entra en la turbina a vapor a altas
temperaturas, donde se expande para transferir su energía haciendo girar los álabes
de la turbina generando energía mecánica. El generador transforma la energía
mecánica de rotación, a través de interacción de campos magnéticos, en energía
eléctrica. Para el proyecto se considera una potencia nominal hasta de 300MW. La
turbina-generador funcionará en paralelo con otros equipos de generación de
electricidad conectada al SEIN
Turbina a gas
SGT6-5000F technical data
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BIBLIOGRAFIA
http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/file/DGGAE/ARCHIVOS/estudios/EIAS%20-
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http://www.coes.org.pe/Intranet/AppEquipamiento/FichaTecnica/DatosGeneradorT?
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http://www.energy.siemens.com/hq/en/fossil-power-generation/gas-turbines/sgt6-
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http://www.cicloscombinados.com/turbinasdegas.html
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