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CICLOS COMBINADOS




                                                              
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CURSO DE CENTRALES DE CICLO COMBINADO

                           ORGANIZACIÓN DE PARADAS                    curso ciclos combinados


¿Qué es una Central Térmica de Ciclo Combinado?

 
Una Central Térmica de Ciclo Combinado es un planta de producción energía eléctrica basada en dos máquinas térmicas, con dos ciclos térmicos diferentes: turbina de gas y  turbina de vapor. El calor no utilizado por uno de los ciclos (la turbina de gas) se emplea como fuente de calor del otro (el ciclo agua-vapor que alimenta la turbina de vapor). De esta forma los gases calientes de escape del ciclo de turbina de gas entregan la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo de combustible, con rendimientos que superan el 55% (es decir, más del 55% de la energía contenida en el combustible se convierte en energía eléctrica).

 
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 un sólo nivel de presión. El aire aspirado desde el ambiente ingresa a la turbina 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 expansión 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, a temperaturas superiores a los 500 ºC 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 tipos de sectores:

 

1) Economizadores, que elevan la temperatura del agua hasta casi la temperatura de ebullición

2) Los sectores de evaporación, situado en la zona central de la caldera, donde se produce el cambio de fase líquido-vapor (apenas se eleva la temperatura, sólo se vaporiza el agua).

3) Los sectores 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, 500 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 contenido en los gases de escape de la turbina de gas, que se tirarían 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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