1.- COMO CONTRIBUYE LA COMBINACIÓN DE LOS CICLOS DE GAS Y VAPOR AL AUMENTO DE RENDIMIENTO DE LOS SISTEMAS TÉRMICOS Una central de ciclo combinado está compuesta por dos o más ciclos termodinámicos en una misma planta teniendo el objetivo de alcanzar rendimientos más elevados de los que se conseguiría integrando ambas plantas en ciclos simples. Los ciclos combinados más frecuentes son los que integran un ciclo Brayton y un ciclo Rankine. En estos casos se dispone, por tanto, principalmente de tres elementos: turbina de gas, generador de vapor de recuperación de calor de gases de escape y una turbina de vapor. Esta combinación es la más frecuente dado el gran caudal de gases calientes saliente de las turbinas de gas y la capacidad, cada vez más eficiente, de recuperarlo en un generador de vapor. Dado, además, el alto nivel de oxígeno con lo que los gases abandonan la turbina de gas es frecuente encontrar quemadores de postcombustión antes de la entrada de éstos en el generador de vapor, de este modo la flexibilidad de la planta frente a variaciones de condiciones ambientales, muy importantes en las turbinas de gas, aumenta. Los generadores de vapor de las plantas de ciclo combinado son de múltiple presión, de manera que existen circuitos de agua-vapor independientes a distintas presiones aumentando la capacidad global de recuperación de calor de la planta. Los grupos del ciclo de cola, ciclo de vapor, tienen varias etapas de presión encontrándose por tanto, turbinas de alta, baja y presión intermedia. Rendimiento de la instalación En un ciclo combinado sin quemador de postcombustión el rendimiento de la instalación se calcula de la siguiente manera:
Donde: NTG es la potencia entregada por la turbina de gas NTV es la potencia medida entregada por la turbina de vapor QTG Es la potencia térmica suministrada al ciclo de la turbina de gas, calculado sobre el PCI. El rendimiento de cada uno de los componentes, turbina de vapor, generador de
vapor de recuperación de calor de gases de escape y turbina de gas se calcula de la siguiente manera:
Siendo en este caso QGTG la potencia térmica contenida en los gases de escape de la turbina de gas. De este modo:
Se observa como el segundo término de la ecuación:
Y que:
Por lo que:
El calor recuperable de los gases de escape de la turbina de gas se puede aproximar como:
De este modo:
Si se observa esta última ecuación se obtiene en el primer término el rendimiento del ciclo de gas y en el segundo el rendimiento del ciclo de vapor. Si se analiza esta expresión se observa como al incrementar el rendimiento del ciclo de la turbina de gas se produce una caída del rendimiento del ciclo de vapor. Por ello no necesariamente con una combinación de ciclos de máximo rendimiento se obtendrá un máximo rendimiento del ciclo combinado. Esto es debido a que el rendimiento máximo obtenido tendrá que ver con la capacidad de los gases de escape de ceder calor en el generador de vapor, sin embargo, una turbina de gas de máximo rendimiento tendrá, entre otras muchas cuestiones, su temperatura de gases de escape lo más baja posible.
2.- INVESTIGAR COMBINADOS
UN
PLANO
TERMODINÁMICO
DE
LOS
CICLOS
Es una central en la que la energía térmica del combustible es transformada en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de gas (ciclo Brayton) y el convencional de agua/turbina vapor (ciclo Rankine).
La turbina de gas consta de un compresor de aire,una cámara de combustión y la cámara de expansión. El compresor comprime el aire a alta presión para mezclarlo
posteriormente en la cámara de combustión con el gas. En esta cámara se produce la combustión del combustible en unas condiciones de temperatura y presión que permiten mejorar el rendimiento del proceso, con el menor impacto ambiental posible. A continuación, los gases de combustión se conducen hasta la turbina de gas (2) para su expansión. La energía se transforma, a través de los álabes, en energía mecánica de rotación que se transmite a su eje. Parte de esta potencia es consumida en arrastrar el compresor (aproximadamente los dos tercios) y el resto mueve el generador eléctrico (4), que está acoplado a la turbina de gas para la producción de electricidad. El rendimiento de la turbina aumenta con la temperatura de entrada de los gases, que alcanzan unos 1.300 ºC, y que salen de la última etapa de expansión en la turbina a unos 600 ºC. Por tanto, para aprovechar la energía que todavía tienen, se conducen a la caldera de recuperación (7) para su utilización. La caldera de recuperación tiene los mismos componentes que una caldera convencional (precalentador, economizador, etc.), y, en ella, los gases de escape de la turbina de gas transfieren su energía a un fluido, que en este caso es el agua, que circula por el interior de los tubos para su transformación en vapor de agua. A partir de este momento se pasa a un ciclo convencional de vapor/agua. Por consiguiente, este vapor se expande en una turbina de vapor (8) que acciona, a través de su eje, el rotor de un generador eléctrico (9) que, a su vez, transforma la energía mecánica rotatoria en electricidad de media tensión y alta intensidad.A fin de disminuir las pérdidas de transporte, al igual que ocurre con la electricidad producida en el generador de la turbina de gas, se eleva su tensión en los transformadores (5), para ser llevada a la red general mediante las líneas de transporte (6). El vapor saliente de la turbina pasa al condensador (10) para su licuación mediante agua fría que proviene de un río o del mar. El agua de refrigeración se devuelve posteriormente a su origen, río o mar (ciclo abierto), o se hace pasar a través de torres de refrigeración (11) para su enfriamiento, en el caso de ser un sistema de ciclo cerrado. Conviene señalar que el desarrollo actual de esta tecnología tiende a acoplar las turbinas de gas y de vapor al mismo eje, accionando así conjuntamente el mismo generador eléctrico.
3.- INVESTIGAR FORMA DE COMBINACIÓN DE LOS CICLOS DE GAS Y VAPOR EN LOS PROCESOS DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA I. Ciclo combinado gas-vapor de un solo nivel de presión
Figura 4.10. Ciclo combinado con un nivel de presión. [Santiago Sabugal García, Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto] II. Ciclo combinado gas-vapor con dos niveles de presión En el balance térmico del ciclo combinado gas-vapor con un nivel de presión la temperatura de salida de gases se encuentra en el entorno de 120ºC. Con el fin de reducir esta temperatura, las pérdidas por calor sensible y mejorar el rendimiento del ciclo termodinámico, se puede aumentar a dos los niveles de presión de vapor en la caldera.
Figura 4.11. Ciclo combinado con dos niveles de presión. [Santiago Sabugal García, Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]. III. Ciclo combinado gas-vapor con tres niveles de presión Añadiendo un tercer nivel de presión al ciclo se puede mejorar un poco más el rendimiento al recuperar más energía de los gases de escape de la turbina de gas.
Figura 4.12. Ciclo combinado con tres niveles de presión. [Santiago Sabugal García, Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]. IV. Ciclo combinado gas-vapor con recalentamiento En los ciclos combinados gas-vapor con uno, dos y tres niveles de presión, el contenido en humedad del vapor en la última rueda limita la posibilidad de incrementar la presión del vapor, y por tanto de aumentar la potencia obtenida en la turbina de vapor. Asimismo, en el ciclo con tres niveles de presión, se observa un cierto recalentamiento al mezclarse los flujos de vapor de alta presión y presión intermedia, si bien el efecto de recalentamiento es suave debido al poco flujo de vapor de presión intermedia. El concepto de recalentamiento introduce un cambio significativo en la turbina de vapor con dos cuerpos diferenciados: alta presión y presión intermedia en un cuerpo y otro cuerpo de baja presión, o un cuerpo de alta presión y otro cuerpo para la presión intermedia y baja presión. El vapor en este ciclo, después de expandirse en el cuerpo de alta presión hasta la presión intermedia vuelve a la caldera y se mezcla con el vapor procedente del sobrecalentador de presión intermedia, para recalentarse conjuntamente a una temperatura próxima de la del vapor de alta presión y expandirse en el cuerpo de presión intermedia-baja presión. En un ciclo combinado gas-vapor con tres niveles de presión y recalentamiento no hay mezcla de vapores en la turbina de vapor, evitando así zonas de fatiga térmica por diferencias de temperaturas. En el balance térmico se comprueba que, al incrementar la presión del vapor de alta, se reduce un poco su masa y aumenta ligeramente la del vapor de presión intermedia. El rendimiento del ciclo mejora debido al recalentamiento y la humedad en la última rueda de la turbina se reduce al 10%, valor significativamente más bajo que el 16-18% del ciclo con triple nivel de presión debido a que la zona de trabajo del vapor recalentado, hasta el nivel de presión en el condensador, proporciona una humead final más baja.
Figura 4.13. Ciclo combinado con recalentamiento. [Santiago Sabugal García, Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto] V) Ciclo combinado gas-vapor con recalentamiento y alta presión de un solo paso VI) Ciclo combinado gas-vapor con dos niveles de presión y recalentamiento
Figura 4.14. Ciclo combinado con dos niveles de presión y recalentamiento. [Santiago Sabugal García, Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]