¿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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