I.
PROCESO DEL CICLO COMBINADO
El proceso de generación de energía mediante el ciclo combinado se basa en la utilización de una turbina de gas, una turbina de vapor y una caldera de recuperación. El ciclo térmico del circuito agua-vapor comienza con la aspiración del aire desde el exterior, el cual es conducido al compresor de la turbina de gas a través de unos filtros. Posteriormente el aire se comprime y se combina con el combustible en una cámara donde se realiza la combustión, produciendo un flujo de gases calientes que al expandirse hacen girar la turbina de gas. Mediante el generador acoplado al eje común se convierte este trabajo en energía eléctrica. Los gases que salen de la turbina de gas pasan a la caldera de recuperación de calor. En esta se extrae el calor de los gases produciendo vapor de agua a presión para la turbina de vapor. Para finalmente devolver los gases a la atmósfera. El vapor que sale de la turbina de vapor, pasa por un condensador donde se transforma en agua. Posteriormente el agua producida por el condensador es bombeada a alta presión hasta la caldera de recuperación para iniciar nuevamente el ciclo. En la siguiente imagen se muestra el diagrama básico del ciclo combinado;
Turbina de Vapor En esta turbina se transforma la energía del vapor en energía cinética del rotor. La turbina está formada por una serie de válvulas fijas y móviles a través de los cuales se expande el vapor y hace girar el rotor de la turbina.
1.)Generador 2.)Entrada a turbina de Alta Presión (AP) 3.)Entrada a caldera de recuperación 4.)Entrada a turbina de Media y Baja Presión (MP,BP) 5.)Salida a caldera de recuperación 6.)Salida del condensador
La turbina de vapor es más robusta que la turbina de gas, ya que la presión del vapor a la entrada de la turbina es más alta que la presión de entrada del gas. No obstante la refrigeración de la turbina no es necesaria porque la temperatura del vapor es menor que la temperatura del gas. El vapor producido en el generador de vapor de alta presión pasa a la turbina de alta donde se expande, a continuación vuelve a la caldera de recuperación y pasa a la turbina de media donde también se expande. A la salida de la turbina de media presión, el vapor pasa a la turbina de baja presión donde se realiza la última expansión hasta una presión inferior a la atmosférica. A la salida de la turbina de baja, el vapor pasa directamente al condensador donde se enfría. En este punto el agua vuelve a empezar el ciclo a través de la caldera de recuperación. La turbina de gas y la turbina de vapor están acopladas a un mismo generador mediante un embrague hidráulico, esta disposición permite el funcionamiento independiente de la turbina de gas.
Turbina de gas La turbina de gas constituye el núcleo de la central de ciclo combinado. Se trata de una turbina de combustión interna que utiliza el gas natural como combustible principal. 1.)Generador 2.)Compresor 3.)Turbina AP 4.)Turbina BP 5.)Entrada aire 6.)Quemadores 7.)Salida de gases de combustión La turbina de gas constituye el núcleo de la central de ciclo combinado. Se trata de una turbina de combustión interna que utiliza el gas natural como combustible principal. La combustión se realiza en dos anillos quemadores, de forma que los productos de combustión del primero constituyen el aire de combustión del segundo. Esta técnica,
conocida como combustión secuencial, permite minimizar la emisión de productos contaminantes. El modo de funcionamiento de la turbina de gas se basa en el principio del ciclo Brayton. En el cual el aire comprimido se mezcla con el combustible y se produce la combustión en condiciones de presión constante. Los gases calientes, producidos por la combustión, se expanden a través de una turbina, provocando el movimiento de la misma y la consecuente generación de energía. De la energía generada, aproximadamente 2/3 se utiliza para comprimir el aire y 1/3 queda disponible para producir energía eléctrica. Una turbina de gas simple consta de tres secciones principales; Compresor: El compresor consta de 22 etapas y es de tipo axial. Está formado por una serie de válvulas fijas y móviles a través de las cuales se comprime el aire des de la presión atmosférica (0.98 bar) hasta la presión óptima para la combustión (2 bar). El aire comprimido se utiliza principalmente como comburente en la combustión y una parte muy pequeña se utiliza para refrigerar algunas partes de la turbina de alta presión de la turbina de gas. Cámara de combustión: En esta zona se mezcla el combustible con el aire comprimido y se produce la combustión. En el interior de la cámara de combustión encontramos los quemadores, dispuestos en dos anillos de 24 quemadores cada uno. El diseño y disposición de los quemadores es de vital importancia para tener una buena combustión y minimizar las emisiones. Turbina: La turbina consta de diferentes etapas de válvulas fijas y móviles a través de las cuales se expanden los gases generados en la combustión y provocan la rotación del eje del motor. Caldera de recuperación Los gases generados en la combustión salen de la turbina de gas a temperaturas superiores a 600ºC, Este hecho se aprovecha para recuperar esta energía en la caldera de recuperación para producir vapor que se utilizará como alimentación en la turbina de vapor. La caldera de recuperación está formada por una serie de tubos dispuestos en posición horizontal. Por el interior de estos circula la mezcla agua-vapor y por la parte exterior circulan los gases de combustión que provienen de la turbina de gas. El ciclo agua-vapor que alimenta a la caldera de recuperación es cerrado y empieza en el pozo del condensador. El agua es aspirada mediante unas bombas las cuales la conducen al desgasificador/calentador, en este se calienta el agua y se elimina el aire y los gases que
pueda contener. Finalmente el agua caliente se almacena en un tanque, desde este las bombas de alimentación la impulsarán hasta la caldera de recuperación.
Centrales de gas de ciclo combinado
Frente a la necesidad de reducir las emisiones de gases causantes del efecto invernadero en las tradicionales centrales térmicas que emplean carbón como materia prima y, dentro del ámbito de planes de renovación y ampliación energética, están proliferando las Centrales de Gas de Ciclo Combinado (CGCC), las cuales se basan en la combinación de un ciclo de combustión de gas enlazado con una turbina más un ciclo de recuperación del calor resultante conectado a otra turbina y, en ambos casos, conectadas a sendos generadores. En los procesos convencionales de combustión de carbón en las centrales térmicas se producen dos problemas principales; la emisión de contaminantes y el bajo rendimiento.
La famosa lluvia ácida está provocada principalmente por los óxidos de azufre que, emitidos a la atmósfera, se convierten en ácido sulfúrico. Por otro lado, los óxidos de carbono y nitrógeno son los causantes del efecto invernadero. De forma general, para producir un kilowatio por hora a partir de carbón, se genera un kilogramo de CO2, en el caso del fuel se origina 750 gramos y si el combustible es gas, resultan 350 gramos. El calor producido en la combustión se emplea para producir vapor que mueve una turbina y ésta, a su vez, un alternador, produciéndose así la electricidad. Una buena parte del calor generado en este proceso se pierde.
Para mejorar los rendimientos, en su día se experimentó con el llamado «ciclo combinado», donde los gases resultantes de la combustión se introducen en una turbina y la energía calorífica desprendida se transforma en vapor de agua en una caldera de recuperación para ser introducido en una segunda turbina, aunque también existe como alternativa el ciclo combinado con gasificación integrada, donde se gasifica el carbón y, tras un tratamiento de los gases obtenidos, se quema en un proceso como el citado anteriormente. Las Centrales de Gas de Ciclo Combinado (CGCC) presentan principalmente como ventaja ambiental la reducción de la emisión de contaminantes a la atmósfera, por lo que se considera una fuente de energía segura, altamente fiable, eficiente y de bajo coste. Como la mayoría de las instalaciones son de nueva creación, se utilizan tecnologías de última generación, caracterizadas por rendimientos globales del proceso cercanos al 50%, minimizando las emisiones contaminantes a la atmósfera y los riesgos durante la explotación de la misma. La política de Planificación Energética española para el periodo 2.002-2.006 fomenta la generación de electricidad a partir de las denominadas “energías limpias” con el objeto de reducir las emisiones de gases contaminantes contempladas en la directiva comunitaria que entra en vigor en 2.005 y que fija los objetivos de reducción de dichos gases en un 8%. Para ello se contemplaba en su día una inversión de 9.000 millones de euros en este tipo de energías, o sea, cogeneración, ciclos combinados y energías renovables. Sumando a esto la mayor retribución de los kilovatios considerados “verdes”, se ha llegado a una situación en el panorama energético español donde las grandes compañías eléctricas (Endesa e Iberdrola) han apostado por el mercado de estas energías limpias y, de forma especial, por los ciclos combinados. Según las previsiones del gobierno, aproximadamente a finales del año 2.010 la generación de energía renovable supondrá el 29% del total y la de gas natural se triplicará hasta alcanzar el 33%, mientras que la del carbón se reducirá a la mitad, hasta un 15%.
Iberdrola pretende instalar hasta el año 2.006, centrales de gas con una potencia total de 3.600 MW y otros 2.600 MW en renovables, lo que supone un 32% más de capacidad instalada hasta alcanzar los 25.101 MW. Por su parte, Endesa también va a incrementar en más de 5.600 MW la energía procedente de centrales de ciclo combinado y energías renovables a pesar de que el 44,5% de su energía todavía procede del carbón. Por otro lado, frente a esta gran expansión energética, los sectores críticos plantean tres problemas principales;
Al emplear una materia prima que se importa principalmente del Norte de África, ya que en España las existencias son reducidas, se crea una dependencia directa de otros países y del mercado internacional, afectados por cambios sociales, políticos, económicos, etc. que pueden alterar drásticamente el valor del gas y, con ello, el precio de la energía. Se reduce el empleo del carbón nacional como materia prima, fomentando la desaparición de nuestra propia industria minera, con las consecuencias sociales que ello conlleva. La pretendida reducción de las emisiones contaminantes puede no alcanzarse debido al actual ritmo de crecimiento económico que precisa mayor cantidad de energía que debe ser abastecida por más centrales de ciclo combinado que emitirán más cantidad de contaminantes.
Actualmente existen proyectos de inmediata ejecución y/o puesta en marcha en la práctica totalidad de las Comunidades Autónomas; Cataluña, Extremadura, Andalucía, País Vasco, Galicia, etc. Concretamente destacan proyectos como “Bahía de Bizkaia”, donde una CGCC (Bahía de Bizkaia Electricidad) con una potencia de 800 MW está directamente asociada a otra de regasificación (Bahía de Bizkaia Gas), la reciente puesta en marcha de una planta en San Roque con otros 800 MW, los proyectos de Barcelona (Cubelles, 1.600 MW y puerto de Barcelona, 800 MW), etc. Por todo ello, parece que estamos en el periodo inicial de una época que durará como mínimo unos 30 años donde la producción energética a partir de gas natural va a suponer una parte importante del total. A la terminación de este periodo, lo más probable es que esta energía se considere “sucia” y las renovables se encuentren mucho más desarrolladas que en la actualidad y puedan suministrar mayor cantidad de energía a la sociedad.
1. ¿Qué es una central térmica de ciclo combinado? La central térmica de ciclo combinado es aquella donde se genera electricidad mediante la utilización conjunta de dos turbinas:
Un turbogrupo de gas Un turbogrupo de vapor
Es decir, para la transformación de la energía del combustible en electricidad se superponen dos ciclos:
El ciclo de Brayton (turbina de gas): toma el aire directamente de la atmósfera y se somete a un calentamiento y compresión para aprovecharlo como energía mecánica o eléctrica. El ciclo de Rankine (turbina de vapor): donde se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo o creación de energía a partir de vapor de agua.
2. Ventajas del Ciclo Combinado Las características principales de las centrales térmicas de ciclo combinado son:
Flexibilidad. La central puede operar a plena carga o cargas parciales, hasta un mínimo de aproximadamente el 45% de la potencia máxima. Eficiencia elevada. El ciclo combinado proporciona mayor eficiencia por un margen más amplio de potencias. Sus emisiones son más bajas que en las centrales térmicas convencionales. Coste de inversión bajo por MW instalado. Periodos de construcción cortos. Menor superficie por MW instalado si lo comparamos con las centrales termoeléctricas convencionales(lo que reduce el impacto visual). Bajo consumo de agua de refrigeración. Ahorro energético en forma de combustible
3. Partes fundamentales de una central de ciclo combinado Para entender el funcionamiento de una central térmica de ciclo combinado hay que conocer primero las partes que la forman:
Turbina de gas. Que consta de: o Compresor, cuya función es inyectar el aire a presión para la combustión del gas y la refrigeración de las zonas calientes. o Cámara de combustión, donde se mezcla el gas natural (combustible) con el aire a presión, produciendo la combustión.
Turbina de gas, donde se produce la expansión de gases que provienen de la cámara de combustión. Consta de tres o cuatro etapas de expansión y la temperatura de los gases en la entrada está alrededor de 1.400ºC saliendo de la turbina a temperaturas superiores a los 600ºC. o
Caldera de recuperación. En esta caldera convencional, el calor de los gases que provienen de la turbina de gas se aprovecha en un ciclo de agua-vapor. Turbina de vapor. Esta turbina acostumbra a ser de tres cuerpos y está basada en la tecnología convencional. Es muy habitual que la turbina de gas y la turbina de vapor se encuentren acopladas a un mismo eje de manera que accionan un mismo generador eléctrico.
Turbina de vapor del Bloque V de la Central Térmica de Ciclo Combinado de Besòs
4. Funcionamiento de una central de ciclo combinado En primer lugar el aire es comprimido a alta presión en el compresor, pasando a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible. A continuación, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje. Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional. A la salida de la turbina el vapor se condensa (transformándose nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor. Actualmente la tendencia es acoplar la turbina de gas y la turbina de vapor a un mismo eje, de manera que accionan conjuntamente un mismo generador eléctrico.
5. Impactos medioambientales de les centrales de ciclo combinado La utilización de gas natural para la generación de electricidad mediante la tecnología del ciclo combinado se encuentra dentro de la política medioambiental de un gran número de países, ya que ofrece un gran número de ventajas en comparación con el resto de tecnologías de producción eléctrica. En concreto, las emisiones de CO 2 en relación a los kWh producidos son menos de la mitad de las emisiones de una central convencional de carbón.
http://www.gasnaturalfenosa.es/es/conocenos/compromiso+y+sostenibilidad/cambio+climatico/ energias+responsables/ciclos+combinados/1297105983028/como+funcionan.html
¿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 convencional de igual potencia.
respecto
a
una
central
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.
Funcionamiento del ciclo combinado en centrales térmicas 2011-07-14 Funcionamiento del ciclo combinado en las centrales térmicas
El proceso de generación de energía mediante el ciclo combinado se basa en la utilización de una turbina de gas, una turbina de vapor y una caldera de recuperación. El ciclo térmico del circuito agua-vapor comienza con la aspiración del aire desde el exterior, el cual es conducido al compresor de la turbina de gas a través de unos filtros. Posteriormente el aire se comprime y se combina con el combustible en una cámara donde se realiza la combustión, produciendo un flujo de gases calientes que al expandirse hacen girar la turbina de gas. Mediante el generador acoplado al eje común se convierte este trabajo en energía eléctrica.
Los gases que salen de la turbina de gas pasan a la caldera de recuperación de calor. En esta se extrae el calor de los gases produciendo vapor de agua a presión para la turbina de vapor. Para finalmente devolver los gases a la atmósfera. El vapor que sale de la turbina de vapor, pasa por un condensador donde se transforma en agua. Posteriormente el agua producida por el condensador es bombeada a alta presión hasta la caldera de recuperación para iniciar nuevamente el ciclo. En la siguiente imagen se muestra el diagrama básico del ciclo combinado;
Turbina de Vapor En esta turbina se transforma la energía del vapor en energía cinética del rotor. La turbina está formada por una serie de válvulas fijas y móviles a través de los cuales se expande el vapor y hace girar el rotor de la turbina. 1.)Generador 2.)Entrada a turbina de Alta Presión (AP) 3.)Entrada a caldera de recuperación 4.)Entrada a turbina de Media y Baja Presión (MP,BP) 5.)Salida a caldera de recuperación 6.)Salida del condensador
La turbina de vapor es más robusta que la turbina de gas, ya que la presión del vapor a la entrada de la turbina es más alta que la presión de entrada del gas. No obstante la refrigeración de la turbina no es necesaria porque la temperatura del vapor es menor que la temperatura del gas. El vapor producido en el generador de vapor de alta presión pasa a la turbina de alta donde se expande, a continuación vuelve a la caldera de recuperación y pasa a la turbina de media donde también se expande. A la salida de la turbina de media presión, el vapor pasa a la turbina de baja presión donde se realiza la última expansión hasta una presión inferior a la atmosférica. A la salida de la turbina de baja, el vapor pasa directamente al condensador
donde se enfría. En este punto el agua vuelve a empezar el ciclo a través de la caldera de recuperación. La turbina de gas y la turbina de vapor están acopladas a un mismo generador mediante un embrague hidráulico, esta disposición permite el funcionamiento independiente de la turbina de gas.
Turbina de gas La turbina de gas constituye el núcleo de la central de ciclo combinado. Se trata de una turbina de combustión interna que utiliza el gas natural como combustible principal. 1.)Generador 2.)Compresor 3.)Turbina AP 4.)Turbina BP 5.)Entrada aire 6.)Quemadores 7.)Salida de gases de combustión
La turbina de gas constituye el núcleo de la central de ciclo combinado. Se trata de una turbina de combustión interna que utiliza el gas natural como combustible principal. La combustión se realiza en dos anillos quemadores, de forma que los productos de combustión del primero constituyen el aire de combustión del segundo. Esta técnica, conocida como combustión secuencial, permite minimizar la emisión de productos contaminantes. El modo de funcionamiento de la turbina de gas se basa en el principio del ciclo Brayton. En el cual el aire comprimido se mezcla con el combustible y se produce la combustión en condiciones de presión constante. Los gases calientes, producidos por la combustión, se expanden a través de una turbina, provocando el movimiento de la misma y la consecuente generación de energía. De la energía generada, aproximadamente 2/3 se utiliza para comprimir el aire y 1/3 queda disponible para producir energía eléctrica.
Una turbina de gas simple consta de tres secciones principales; Compresor: El compresor consta de 22 etapas y es de tipo axial. Está formado por una serie de válvulas fijas y móviles a través de las cuales se comprime el aire des de la presión atmosférica (0.98 bar) hasta la presión óptima para la combustión (2 bar). El aire comprimido se utiliza principalmente como comburente en la combustión y una parte muy pequeña se utiliza para refrigerar algunas partes de la turbina de alta presión de la turbina de gas. Cámara de combustión: En esta zona se mezcla el combustible con el aire comprimido y se produce la combustión. En el interior de la cámara de combustión encontramos los quemadores, dispuestos en dos anillos de 24 quemadores cada uno. El diseño y disposición de los quemadores es de vital importancia para tener una buena combustión y minimizar las emisiones. Turbina: La turbina consta de diferentes etapas de válvulas fijas y móviles a través de las cuales se expanden los gases generados en la combustión y provocan la rotación del eje del motor. Caldera de recuperación Los gases generados en la combustión salen de la turbina de gas a temperaturas superiores a 600ºC, Este hecho se aprovecha para recuperar esta energía en la caldera de recuperación para producir vapor que se utilizará como alimentación en la turbina de vapor. La caldera de recuperación está formada por una serie de tubos dispuestos en posición horizontal. Por el interior de estos circula la mezcla agua-vapor y por la parte exterior circulan los gases de combustión que provienen de la turbina de gas. El ciclo agua-vapor que alimenta a la caldera de recuperación es cerrado y empieza en el pozo del condensador. El agua es aspirada mediante unas bombas las cuales la conducen al desgasificador/calentador, en este se calienta el agua y se elimina el aire y los gases que pueda contener. Finalmente el agua caliente se almacena en un tanque, desde este las bombas de alimentación la impulsarán hasta la caldera de recuperación.
1. ¿Qué es una central térmica convencional? En las centrales térmicas convencionales (o termoeléctricas convencionales) se produce electricidad a partir de combustibles fósiles como carbón, fueloil o gas natural, mediante un ciclo termodinámico de agua-vapor. El término ‘convencionales’ sirve para diferenciarlas de otras centrales térmicas, como las nucleares o las de ciclo combinado.
2. Componentes principales de una central térmica convencional Caldera. En este espacio el agua se transforma en vapor, cambiando su estado. Esta acción se produce gracias a la combustión del gas natural (o cualquier otro combustible fósil que pueda utilizar la central), con la que se generan gases a muy alta temperatura que al entrar en contacto con el agua líquida la convierten en vapor. El agua que se transforma en vapor circula por unas cañerías llamadas serpentines, donde se produce el intercambio de calor entre los gases de la combustión y el agua. Turbina de vapor. Máquina que recoge el vapor de agua y que, gracias a un complejo sistema de presiones y temperaturas, consigue que se mueva el eje que la atraviesa. Esta turbina normalmente tiene varios cuerpos, de alta, media y baja presión, para aprovechar al máximo el vapor de agua. El eje que atraviesa los diferentes cuerpos está conectado con el generador.
Generador. Máquina que recoge la energía mecánica generada en el eje que atraviesa la turbina y la transforma en eléctrica mediante inducción electromagnética. Las centrales eléctricas transforman la energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y alterna.
3. Funcionamiento de una central térmica convencional El funcionamiento de las centrales termoeléctricas convencionales es el mismo independientemente del combustible que se utilice. Sin embargo, sí hay diferencias en el tratamiento previo que se hace al combustible y del diseño de los quemadores de las calderas de las centrales.
Centrales de carbón. Donde el combustible debe ser triturado previamente. Centrales de fueloil. Donde el combustible se calienta para una utilización más fácil. Centrales de gas natural. Que no precisa almacenaje, llegando así directamente por gaseoductos. Centrales mixtas. Que pueden utilizar diferentes combustibles, siendo necesarios los tratamientos previos anteriormente citados.
Una vez el combustible está en la caldera, se quema. Esto provoca que se produzca energía calorífica que se utilizará para calentar agua y así transformarla en vapor a una presión muy elevada. A partir de este vapor se hace girar una turbina y un alternador para que este produzca electricidad. La electricidad generada pasa por un transformador para aumentar su tensión y así transportarla reduciendo las pérdidas por Efecto Joule. El vapor que sale de la turbina se envía a un elemento llamado condensador para convertirlo en agua y así retornarlo a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor. En el siguiente juego interactivo puedes conocer de una manera más gráfica el funcionamiento de una central térmica convencional.
4. Impactos medioambientales de las centrales térmicas convencionales La incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce de dos maneras básicas:
Emisión de residuos a la atmósfera Este tipo de residuos provienen de la combustión de los combustibles fósiles que utilizan las centrales térmicas convencionales para funcionar y producir electricidad. Esta combustión genera partículas que van a parar a la atmósfera, pudiendo perjudicar el entorno del planeta. Por eso, las centrales térmicas convencionales disponen de chimeneas de gran altura que dispersan estas partículas y reducen, localmente, su influencia negativa en el aire. Además, las centrales termoeléctricas disponen de filtros de partículas que retienen una gran parte de estas, evitando que salgan al exterior.
Transferencia térmica Algunas centrales térmicas (las denominadas de ciclo abierto) pueden provocar el calentamiento de las aguas del río o del mar.
Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la utilización de sistemas de refrigeración, cuya tarea principal es enfriar el agua a temperaturas parecidas a las normales para el medio ambiente y así evitar su calentamiento.
Introducción
Principios físicos Estructura de la central térmica Impacto medioambiental y económico
-IntroducciónUna central térmica convencional de carbón es una instalación industrial cuya finalidad es utilizar la energía liberada por el carbón para producir energía. Fueron el primer tipo de central eléctrica en construirse y expandirse desde finales del siglo XIX. En la actualidad, a pesar del enorme impacto medioambiental, representa aproximadamente el 25% de la producción energética mundial. En España, representa aproximadamente el 10% de la producción energética nacional, con unos 30000 gigavatios por hora.
-Principios físicos-
El combustible de estas centrales es el carbón. El carbón es una sustancia sólida ligera, negra y combustible, que resulta de la destilación o de la combustión incompleta de los tejidos vegetales o de otros cuerpos orgánicos, como resultado de haber permanecido bajo la superficie terrestre durante larguísimos períodos. En particular, la mayor parte del carbón se formó durante el período Carbonífero (hace 190 a 345 millones de años). Está formado principalmente por carbono, nitrógeno, azufre, oxígeno e hidrógeno. Dependiendo de la cantidad de carbono, de distinguen tres tipos:
1. Turba: Su composición aproximada es de 45 - 60% de carbono, 30 - 40 % de oxígeno, 5 - 10% de hidrógeno. Es la menos energética debido a su bajo contenido de carbono y no se usa como combustible. 2. Lignito: Contiene de 55 a 75% de carbono, de 19 a 26% de oxígeno y de 6 a 3% de hidrógeno. Es más energética que la turba pero no lo suficiente para las centrales térmicas; por eso apenas se usa como combustible en las mismas. 3. Hulla: Contiene entre un 45 y un 85 por ciento de carbono. Es muy usada en las centrales térmicas. 4. Antracita: Es el más rico en carbono y el más antiguo por su edad geológica. La proporción de carbono llega al 90% y es poco contaminante comparado con los otros tipos de carbón debido a su bajo contenido en azufre y nitrógeno. Es el combustible ideal de las centrales térmicas.
El carbón se extrae de las minas y se trata para ser quemado en presencia de oxígeno. Como resultado se obtiene agua, dióxido de carbono y los óxidos correspondientes a las moléculas que tiene el carbón (normalmente, óxidos de azufre y nitrógeno). El carbón está formado por largas cadenas de hidrocarburos aromáticos policíclicos. La energía química que se almacena en los enlaces entre las moléculas se libera al romperse los enlaces para formar otros menos energéticos. La diferencia de energía se emite en forma de calor. De la energía liberada, la mayor parte procede de los dobles enlaces que existen entre las moléculas cíclicas que forman prácticamente todo el carbón.
-Estructura de la central térmica-
Localización: Las centrales térmicas necesitan de enormes depósitos de agua para realizar el ciclo de la central y sobretodo porque el agua es necesaria para refrigerar los condensadores que reciben el vapor de las turbinas. Por ello se emplazan donde existan embalses, ríos, lagos o mares. Además, se emplazan en sitios alejados de los núcleos de población debido a que los productos de desecho que libera la central a la atmosfera contaminándola. Estructura de la central térmica convencional de carbón: En estas centrales, el calor producido por la combustión del carbón calienta unas tuberías que llevan agua. Este se convierte en vapor que mueve una turbina conectada a un generador (alternador) que produce corriente eléctrica. El carbón almacenado en el parque (1) cerca de la central es conducido hacia una tolva (2) que alimenta al molino (3). Aquí el carbón es pulverizado y posteriormente inyectado en la caldera (4), mezclado con aire caliente para su combustión. La caldera está formada por numerosos tubos por donde circula agua, que es convertida en vapor a alta temperatura. Los residuos sólidos de esta combustión caen al cenicero (5). Las partículas finas y los humos se hacen pasar por los precipitadores (6) y los equipos de desulfuración (7), con el objeto de retener un elevado porcentaje de los contaminantes que en caso contrario llegarían a la atmósfera a través de la chimenea (8). El vapor de agua generado en la caldera acciona los álabes de las turbinas de vapor (9), haciendo girar el eje de estas turbinas que se mueve solidariamente con el rotor del generador eléctrico (12). En el generador, la energía mecánica rotatoria es convertida en electricidad de media tensión y alta intensidad. Con el objetivo de disminuir las pérdidas del transporte a los puntos de consumo, la tensión de la electricidad generada es elevada en un transformador (13), antes de ser enviada a la red general mediante las líneas de transporte de alta tensión (14). Después de accionar las turbinas, el vapor de agua se convierte en líquido en el condensador (10). El agua que refrigera el condensador proviene de un río o del mar y puede operar en circuito cerrado, es decir, transfiriendo el calor extraído del condensador a la atmósfera mediante torres de refrigeración (11) o en circuito abierto, descargando dicho calor directamente a su origen.
-Impacto medioambiental y económicoLa contaminación de las centrales térmicas se debe a que los residuos de la quema (en este caso, del carbón) son el dióxido de carbono que fomenta el efecto invernadero y los óxidos de nitrógeno y azufre que son causantes directos de la lluvia ácida. Aunque actualmente existe una estricta legislación para la emisión de estos gases, siguen siendo nocivos para el medio ambiente. Según datos estadísticos, las centrales que usan carbón y suponiendo un rendimiento del 40% sobre la energía liberada por el carbón, se emite 1.45 kg por kilovatio producido. La emisión del vapor de agua o su canalización en los ríos modifica el ecosistema de la zona. Respecto al punto de vista económico, su estructura interna es de la más sencilla del grupo de centrales térmicas. Su supervivencia dependen del las reservas útiles de carbón y de su precio para explotarlas. Además, debido a la gran demanda de petróleo y gas natural, el precio del carbón es relativamente bajo, siendo más rentable usar este combustible frente a los anteriormente nombrados.
