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Qué es un Ciclo Combinado?

08-05-2011

En el parque generador de energía eléctrica argentino se ha registrado en los últimos años una fuerte incorporación de centrales de ciclo combinado de potencia importante.

A continuación se efectúa un análisis de los principios de funcionamiento de este tipo de centrales así como de las razones que pueden llegar a justificar esta fuerte incorporación. Se incluyen asimismo, las características principales de las centrales de ciclo combinado de mayor potencia que se encuentran en operación en la Argentina.

Qué es un Ciclo Combinado?

Es un ciclo de potencia que se basa en el acoplamiento de dos ciclos diferentes de producción de energía, uno de turbina de vapor y otro de turbina de gas. El calor no utilizado por uno de los ciclos se emplea como fuente de calor del otro. De esta forma los gases calientes de escape del ciclo de turbinas de gas entregan la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo del combustible.
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 se muestra una vista de una planta típica de ciclo combinado para generación de energía eléctrica.

 

¿Cómo es una Instalación de Ciclo Combinado?

En la Figura  se muestra un esquema simplificado de un circuito típico de un ciclo combinado para generación de energía eléctrica, de una presión. 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.

Algunas Consideraciones Termodinámicas  Desde el punto de vista termodinámico el ciclo combinado se puede analizar siguiendo los procedimientos establecidos para los ciclos de térmicos Rankine y Brayton, que son los correspondientes al ciclo de vapor y gas respectivamente.  
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.

El acoplamiento de ambos ciclos trae como consecuencia el uso de algunas de estas acciones, con la correspondiente mejora de las eficiencias termodinámicas. Como se indicó anteriormente se logra fundamentalmente el aprovechamiento total, dentro de los límites prácticos, de la energía de los gases de escape de la turbina de gas aplicando la misma a la generación del vapor y su sobrecalentamiento a niveles de temperatura óptimos para la eficiencia del ciclo.  
La optimización termodinámica del ciclo combinado requiere minimizar la pérdida de exergía, es decir la energía transmisible a un dado nivel de temperatura, y aumentar al máximo la transmisión de energía en la recuperación. 
Se puede obtener una recuperación adicional de energía convirtiendo el ciclo combinado de una presión en un ciclo de dos presiones. Esto se logra agregando dos bancos de intercambiadores de calor en la caldera de recuperación, correspondientes a un economizador y un sobrecalentador que operan a presiones distintas de los del ciclo combinado de una presión. 
Otra ventaja termodinámica del ciclo combinado es la menor cesión de energía en el condensador del ciclo de vapor respecto a la que correspondería a un ciclo de vapor de igual potencia que el ciclo combinado. Esto se explica porque la potencia del ciclo de vapor es del orden de un tercio de la potencia total del ciclo combinado.

Aspectos Positivos y Limitaciones de los Ciclos Combinados Además de la ya citada 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 a gas y plantas de ciclo combinado indican las siguientes razones para justificar el mayor uso de los mismos:

  • Disponibilidad de grandes volúmenes de gas natural.
  • Posibilidad de uso de otros combustibles (carburante diesel, carbón gasificado), con rendimientos elevados  pero con limitaciones en el funcionamiento de los quemadores. El diseño se optimiza para gas natural.
  • Elevados rendimientos con buen factor de carga.
  • Bajo impacto ambiental en relación con las emisiones de NOx  y menor eliminación de calor al medio ambiente.
  • Menores requerimientos de refrigeración respecto a una central convencional de igual potencia.
  • Bajos costos de capital y cortos plazos de entrega de las plantas, para los niveles de eficiencia obtenidos.

Ventajas asociadas a la estandarización de sus componentes, con la consiguiente 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 1080oC. Esto originó un retraso en el avance de la utilización de estos ciclos. Esta situación mejoró en los últimos diez años y en la actualidad en el mercado se encuentran turbinas que admiten temperaturas de entrada del orden de los 1400oC. 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. No obstante, muchos expertos consideran que los fuertes avances en la tecnología de turbinas a gas pueden estar llegando a un límite, en razón de que los materiales actuales no permiten temperaturas superiores y deberían estudiarse nuevas soluciones al respecto. Algunas de estas soluciones podrían pasar por los materiales cerámicos y los de tipo monocristalino. Estos últimos ya están implementados en las turbinas de aviones, no obstante para su empleo en turbinas de potencia se requieren aún mayores desarrollos en razones de su mayor peso, tamaño y menor pureza del combustible utilizado.
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).
En lo que respecta a 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 confiabilidad operativa de la turbina de gas.

Componentes Principales de un Ciclo Combinado

Los principales componentes de un ciclo combinado son:

  • Turbina de gas.
  • Caldera de recuperación.
  • Turbina de vapor.
  • Condensador.
  • Tanque de agua de alimentación/desgasificador.
  • Ciclo de agua de refrigeración.
  • Alternadores.

Los equipos clave de estos ciclos son: la turbina de gas y la caldera de recuperación.
La turbina de gas está integrada por los siguientes componentes básicos:

 

  • Compresor axial.
  • Cámara de combustión.
  • Turbina propiamente dicha.

El trabajo obtenido en la etapa de alta presión de la turbina acciona el compresor, y el de la etapa de baja presión o "de potencia" acciona el correspondiente alternador. Estas máquinas tienen muy bajo tiempo de arranque y pueden alcanzar plena carga en diez a veinte minutos; y poseen además buena confiabilidad y disponibilidad. Sus principales limitaciones ya fueron enunciadas en los párrafos anteriores. 
Los principales componentes de la caldera de recuperación son:

  • Economizador.
  • Evaporador.
  • Recalentador.
  • Chimenea de escape.

Estas calderas son equipos modulares que constan de una envoltura externa, construida generalmente con chapas de acero, y de bancos de tubos de acero aptos para alta presión por donde circula el agua. En la chimenea se puede incorporar un sistema de catalizadores que permite la reducción simultánea de la emisión de los óxidos de nitrógeno y del monóxido de carbono. En la Figura, se muestra un esquema de una instalación típica.

Consideraciones para la Elección del Ciclo

En la elección del ciclo y sus componentes las primeras definiciones que se deben establecer son: la potencia útil a generar, el tipo de servicio requerido, generación o cogeneración, y las características de explotación, central de base o de punta. Todo esto influye en las características de la futura instalación, fundamentalmente en la relación inversión de capital/eficiencia la cual se debe optimizar de acuerdo al tipo de servicio y de explotación.
En un segundo término se deben tener en cuenta las características y requerimientos impuestos por la zona de emplazamiento, tales como:

  • Frecuencia eléctrica: 50 ó 60 Hz.
  • Condiciones ambientales: temperatura, altitud.
  • Límites de emisiones gaseosas.
  • Límite permitido para la temperatura de descarga del agua del circuito de refrigeración al ambiente.
  • Espacio disponible.
  • Disponibilidad de recursos: combustibles, agua de refrigeración.

El tipo y la composición del combustible disponible afectan la potencia de la turbina de gas, sus emisiones y las condiciones de operación del ciclo. Por ejemplo el contenido de azufre del combustible está relacionado con el límite de temperatura del agua que ingresa a la caldera de recuperación, ya que se forma ácido sulfúrico en el gas y puede condensar sobre los tubos si su temperatura es inferior a la temperatura de rocío del ácido. Por esta razón el agua debe ingresar a la caldera de recuperación a una temperatura superior a la de rocío del ácido sulfúrico, no pudiendo para los combustibles con alto contenido de azufre  implementarse el economizador de baja presión. Por otra parte el precio del combustible está relacionado con las inversiones adicionales que se requieran para incrementar la eficiencia del ciclo. Tales inversiones son las necesarias para implementar ciclos de más de una presión que para bajos costos de combustibles pueden no justificarse.
La disponibilidad de agua de refrigeración determina el tipo de circuito de refrigeración. Este circuito puede ser cerrado, con torre de enfriamiento, o abierto. En situaciones de alta escasez de agua se pueden instalar aerocondensadores.

Por otra parte el tipo de circuito de refrigeración está relacionado con el tipo de condensador, el cual de acuerdo al grado de vacío y temperatura asociada influye en la potencia de la turbina de vapor y por consiguiente en el rendimiento del ciclo. Igual influencia ejerce, en relación con el condensador y la eficiencia del ciclo, el límite de la temperatura de descarga al ambiente del agua del circuito de refrigeración.   
El espacio disponible está relacionado con el tamaño de la caldera de recuperación y la configuración de la instalación respecto al montaje de las turbinas de vapor, turbinas de gas y alternadores con un eje común o en varias líneas de ejes.

Foto tomada: Sala de control en Central Termoeléctrica Pluspetrol El Bracho - SAN MIGUEL DE TUCUMÁN - ARGENTINA.

Condiciones y Parámetros Típicos de Operación

A continuación se reseñan algunas condiciones y parámetros típicos de operación de los ciclos vigentes:

  • Presión de compresión en la turbina de gas: .30bar.
  • Temperatura máxima en la turbina de gas: .1430oC.
  • Temperatura de salida de gases de la turbina de gas: .620oC.
    Propiedades del vapor a la salida de cada etapa de la caldera de recuperación en un ciclo de tres presiones:
    • Etapa de baja presión: .4bar y 253oC.
    • Etapa de presión intermedia: .22bar y máx.540oC.
    • Etapa de alta presión: .105bar y máx. 540oC.
  • Temperatura de salida de los gases en la chimenea: .100oC.
  • Emisiones de NOx: <25ppm.
  • Relación de potencias entregadas:
    Turbina de gas: .2/3.
    Turbina de vapor: .1/3.

Los Ciclos Combinados en la República Argentina

A continuación se indican los ciclos combinados de mayor potencia en operación en la Argentina.
Está previsto el ingreso, en fecha próxima, de la central de ciclo combinado perteneciente a AES Paraná S.A. con una potencia de 845 MW y una eficiencia estimada de 57%.

 

Algunas de las principales razones que justifican la incorporación de las centrales de tipo combinado en la Argentina son:

  • Los mejores rendimientos obtenidos en los ciclos combinados actuales, fundamentalmente por los desarrollos tecnológicos asociados a las turbinas de gas y sus materiales.
  • La abundancia del gas natural y su bajo precio.
  • Los bajos costos de capital y los plazos de entrega que favorecen la rápida recuperación del capital.

En la Argentina las centrales de ciclo combinado están ubicadas fundamentalmente en las regiones: Buenos Aires/Gran Buenos Aires, Comahue, Cuyo y Noroeste.

Informe Anual de CAMMESA:

2012INFORME ANUAL 08/04/2013 09:45

Referencias:

  • Joseph G. Singer. "Combustion Fossil Power". Combustion Engineering, Inc., 1991.
  • Kenneth Wark. "Termodinámica". 5a Edición. Mc. Graw-Hill, 1995.
  • Robert H. Perry, Don W. Green. "Perry's Chemical Engineers' Handbook. Seventh Edition. Mc. Graw-Hill, 1999.
  • Judy Warner, Henrik Nielsen. "Un procedimiento de selección global permite la concepción óptima de centrales de ciclo combinado". Revista ABB, 8/93, pág. 13  22. 
  • "Hanjung Steam Generator". Folleto técnico. Hanjung Korea Heavy Industries & Construction Co., Ltd.H 9407.
  • Akihiro Kawauchi, Fumiyki Hirose, Mitsugu Musashi. "High-Efficiency Advanced Combined-Cycle Power Plants". Hitachi Review, vol. 46, 1997, No.3, pp. 121-128.
  • Lothar Balling, John S. Joyce, Bert Rukes. "The New Generation of Advanced GUD Combined-Cycle Power Plants". Siemens Power Journal, 2/95, pp 18-22.
  • CAMMESA. Programación estacional definitiva mayo-octubre 2001.
  • Rey Francisco C., Anbinder Gustavo. "Alternativas de Expansión del Sistema Eléctrico Argentino". CNEA.C.RCN.ITE.107.
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