Centrales De Ciclo Combinado.

Centrales de ciclo combinado.

Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la coexistencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión o quema. En la propulsión de buques se denomina ciclo combinado al sistema de propulsión COGAS.

Una central de ciclo combinado es una central eléctrica en la que la energía térmica del combustible es transformada en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de gas, generalmente gas natural, mediante combustión (ciclo Brayton) y el convencional de agua/turbina de vapor (ciclo Rankine).

Principio físico de funcionamiento.

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

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