UNIVERSIDAD CATÓLICA DE
SANTA MARÍA
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍAS FÍSICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERÍA Mecánica, mecánicaeléctrica y meca trónica
Ing. M.Sc. CARLOS GORDILLO ANDIA INTEGRANTES: -FLORES ARANA, JESUS -AZCUE MOLLINEDO, ALFREDO AREQUIPA-PERÚ
2012
Ciclos combinados (gas-vapor)
CICLO COMBINADO Un Ciclo Combinado es la infraestructura de generación de energía que mejor combina la eficiencia y el respeto medioambiental gracias al uso del gas natural como combustible. Consiste en un grupo Turbina de Gas Generador, una caldera de recuperación de calor y un grupo Turbina a Vapor Generador, formando un sistema que permite producir electricidad.
¿Cómo funciona? El proceso de generación de energía eléctrica en una planta de Ciclo Combinado comienza con la aspiración de aire desde el exterior siendo conducido al compresor de la Turbina de Gas a través de un filtro. El aire es comprimido y combinado con el combustible (gas natural) en una cámara donde se realiza la combustión. El resultado es un flujo de gases calientes que al expandirse hacen girar la Turbina de Gas proporcionando trabajo. Un Generador acoplado a la Turbina de Gas transforma este trabajo en energía eléctrica. Los gases de escape que salen de la Turbina de Gas pasan a la caldera de recuperación de Calor (HRSG). En esta caldera se extrae la mayor parte del calor aún disponible en los gases de escape produciendo vapor de agua a presión para la turbina de vapor. Finalmente los gases se devuelven a la atmósfera después de haber pasado por la chimenea. El vapor que sale de la Turbina de Vapor, pasa a un condensador donde se transforma en agua. Este condensador es refrigerado mediante aire o agua, el aire circula por la superficie del condensador, lo que ocasiona la disipación del calor latente contenido en el vapor a la atmósfera. Posteriormente el agua es bombeada a alta presión hasta la Caldera de Recuperación para iniciar nuevamente el ciclo. Componentes El equipamiento principal que incluyen las plantas de ciclo combinado es el siguiente:
Una o más Turbinas de Gas, que proporcionan 2/3 de la potencia total de la planta.
Una o más Turbinas de Vapor, que proporcionan 1/3 de la potencia total de la planta.
Una o más Calderas de Recuperación de calor. Este equipo genera vapor de agua aprovechando la energía disponible en los gases de escape de la Turbina de Gas, el cual se expansiona en la Turbina de Vapor. En este tipo de instalaciones se dispone de una caldera de Recuperación por cada Turbina de Gas.
Estación medidora y reductora de la presión del gas natural.
Sistema de control basado en microprocesadores para la central.
Sistema de refrigeración cuyo fin último es condensar el vapor expansionado en la Turbina de Vapor de forma que el agua condensada pueda ser alimentada de nuevo en la Caldera de Recuperación.
Ventajas medioambientales
Gas natural como combustible. El gas natural es el combustible fósil más limpio de la Naturaleza.
Son las generadoras de energía más adecuadas para cumplir con los objetivos del Protocolo de Kioto, que obliga a sus firmantes a reducir sus emisiones en dióxido de carbono.
Emisiones de dióxido de azufre son inapreciables debido a la utilización del gas natural como combustible.
35 % menos de consumo de combustible que una central convencional
Consumo de agua reducido frente a las centrales convencionales (1/3 de lo que consume una central de ciclo simple de fuel o carbón) debido a que la turbina de gas no precisa de refrigeración alguna y únicamente se requiere agua para el ciclo de vapor.
¿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 U n 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.
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 Compara aquí una Central Térmica de Ciclo Combinado con una Térmica Convencional y descubre tú mismo sus ventajas.
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: Compresor, cuya función es inyectar el aire a presión para la combustión del gas y la refrigeración de las zonas calientes. 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.
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 Besos 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.
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. CICLO COMBINADO GAS –VAPOREL CICLO DE LA TURBINA DE GAS La turbina de gas de un ciclo combinado gas –vapor es una turbina de gas de ciclo abierto y termodinámicamente es una aplicación del ciclo Brayton. La evolución que sigue el fluido se muestra en el diagrama T-S de la siguiente figura y consta básicamente de las siguientesetapas: Una etapa de compresión, efectuada por una máquina térmica denominada compresor, lo más isentrópica posible. Una etapa de aportación de calor a presión constante. Una etapa de expansión, realizada en una máquina térmica denominada turbina, lomás isentrópica posible. Una etapa de cesión de calor a presión constante.
Elementos constitutivos principales de las turbinas de gas. Representación gráfica del trabajo en: a) ciclo ideal isentrópico; b) ciclo real; c) aproximación al ciclo de Carnot a partir de las temperaturas medias de foco caliente y frío de un ciclo real. EL CICLO DE LA TURBINA DE VAPOR El ciclo de las turbinas de vapor corresponde al ciclo Rankine y es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolución se produzcan cambios de fase. De forma simplificada, y para el ciclo básico, la evolución del fluido sigue las siguientes etapas: Una etapa de expansión del fluido en fase vapor, realizada en una máquina térmica denominada turbina de vapor y lo más isentrópica posible.
A la salida de la turbina de vapor, una cesión de calor residual del vapor a presión constante en un dispositivo llamado condensador. En este dispositivo se realiza la condensación total del mismo y su paso a fase líquida. Una o varias etapas de elevación de la presión del fluido. El proceso se realizacon el fluido en fase líquida, con bombas y fuera de la zona de cambio de fase.Ésta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la máxima eficiencia sería necesario realizar la compresión de un fluido bifásico, con la dificultad tecnológica que ello conlleva. Una etapa de aportación de calor a presión constante. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo en fase líquida, un proceso de cambio
Ahorro del gas de Camisea por uso de un ciclo de potencia combinado de gas y vapor en la generación eléctrica RESUMEN Las centrales térmicas instaladas alimentadas a gas natural actualmente son de ciclo simple con una eficiencia que no sobrepasa el 30%. Para sacar el mayor provecho del gas de Camisea para la producción de energía eléctrica, se dispuso a través del Decreto legislativo 1041 que las actuales plantas térmicas a gas deberán mejorar su equipamiento para producir más electricidad usando la misma cantidad de combustible. Este decreto busca impulsar las inversiones en el sector eléctrico y dispone que el valor inicial de la eficiencia térmica reconocido, será de 30% durante los 36 primeros meses de entrada en vigencia de esta norma, y que después deberá incrementarse a 50%. El trabajo consiste en determinar el aumento de la eficiencia térmica por modificación de las centrales actuales, a ciclo combinado gas-vapor, con el consiguiente ahorro de gas natural. INTRODUCCIÓN Para mejorar la productividad del gas de Camisea en la producción de energía eléctrica, se dispuso que las actuales plantas térmicas a gas deberán mejorar su equipamiento para producir más electricidad usando la misma cantidad de combustible. El Decreto legislativo 1041 de junio del 2009, busca impulsar las inversiones en el sector eléctrico y dispone que el valor inicial de la eficiencia térmica reconocido, será de 30% durante los 36 primeros meses de entrada en vigencia de esta norma, y que después deberá incrementarse a 50%. Esto significa que las actuales plantas térmicas a gas natural, que operan con turbinas bajo ciclo simple, deberán mejorar su tecnología para utilizar al máximo el gas y ampliar su potencia, y esto se logra en un ciclo de potencia combinados de gas y vapor. Para el caso de la Empresa de Generación Termoeléctrica Ventanilla S.A. (Etevensa), que contaba con una planta de generación con turbina a gas, la generación utilizando Diesel le reportaba 320 MW a un costo unitario de US$ 100 por MWh. Luego del proceso de conversión de sus unidades de producción en el que pasa de usar diesel a gas natural, cuya inversión fue de aproximadamente US$ 15 millones, se ha estimado que el costo de cada MWh podría situarse en un promedio de US$ 24, reduciéndose en alrededor de 78% su costo de generación. Sin embargo, esta empresa planificó lo que se denomina “cerrar el ciclo”, es decir, instalar una planta de generación con turbina a vapor, logrando de esa manera trabajar con una central de ciclo combinado con una eficiencia mejorada superior al 50%. Finalmente, cabe indicar que los
usuarios se ven beneficiados de estos procesos de modernización que abaratan los costos de generación eléctrica y permiten ampliar la oferta del servicio eléctrico. Igualmente, la empresa Egechilca, de capitales panameños inició la construcción de su planta termoeléctrica en la localidad de Las Salinas (Chilca), al sur de Lima, y que demandará una inversión de 500 millones de dólares. La Central Termoeléctrica de Chilca es un proyecto que, por su envergadura, se constituye en el más importante realizado en términos de generación termoeléctrica en Perú, a partir del aprovechamiento del gas de Camisea. Constituirá entre el 15-20% de la energía generada en el Perú y convertirá a la Empresa de Generación Eléctrica de Chilca S.A.-EGECHILCA en el tercer más importante productor de electricidad, a través de una energía sostenida y asegurada a lo largo del año, a diferencia de las generadas por centrales hidroeléctricas que dependen de la estacionalidad del agua. La planta de generación termoeléctrica será de ciclo combinado y tendrá una potencia de 520 MW, produciendo energía mediante dos turbinas de combustión de gas y una turbina de vapor de alta eficiencia y de bajo costo. Se estima que consumirá alrededor de 78 millones de pies cúbicos del gas natural de Camisea. En general, el proceso de generación es limpio y el proyecto califica para créditos ambientales del protocolo de Kyoto. El área del proyecto está ubicada en la localidad de Las Salinas, distrito de Chilca, provincia de Cañete, departamento de Lima, a 63 Kilómetros al sur de Lima. Para el sistema de enfriamiento del condensador de la turbina a vapor, se utilizará agua de mar, el que captará el agua de mar a unos 75 metros de la playa mediante un sistema de bombeo (tuberías, válvulas y electro bombas) de 8,20 m 3/s de capacidad y, luego de pasar por el condensador será retornada al mar a través de tuberías de 1,5 metros de diámetro. Se espera que la eficacia total de la planta de ciclo combinado de EGECHILCA, sea del orden del 54%. Las turbinas a gas en la planta de ciclo combinado utilizarán aproximadamente 37% de la energía del gas natural para producir electricidad. La energía restante irá al RCGV donde ocurre el traspaso térmico en el vapor. El vapor del RCGV accionará una turbina para convertir el 17% adicional de la entrada de energía total en electricidad. Concluido el proyecto, la potencia total generada en la planta será proporcionada a la empresa distribuidora Luz del Sur en la estaciones de la subestación de San Juan y en las nuevas instalaciones de la subestación Chilca a ser construida e implementada por Luz del Sur.
CONFIGURACIONES HABITUALES EN CENTRALES DE CICLO COMBINADO En la configuración de un ciclo combinado gas-vapor es relativamente frecuente que varias turbinas de gas alimenten con el vapor que producen sus calderas de recuperación de calor a una única turbina de vapor. Este hecho obliga a presentar una clasificación atendiendo al número de equipos principales existentes en la central. La disposición relativa de los ejes de la turbina de gas y de la turbina de vapor, según se encuentren alineados o no, hace que se pueda establecer otra clasificación atendiendo al número de ejes principales de que consta el tren de potencia:
Centrales monoeje
Centrales multieje
Además, en los monoeje, el generador puede estar en el extremo del eje - mayor facilidad de mantenimiento- o entre la turbina de gas y la de vapor. En este último caso
hay un embrague que acopla la turbina de vapor con el eje de la turbina de gas y el generador, permitiendo producir energía funcionando solo la turbina de gas Las configuraciones más comúnmente empleadas en las centrales de ciclo combinado gas-vapor en operación comercial hoy día son las siguientes:
Configuraciones 1x1 (una turbina de gas que alimenta a una caldera de recuperación de calor y produce vapor para un único ciclo de Rankine),
Configuraciones 2x1 (dos turbinas de gas que alimentan cada una de ellas a su correspondiente caldera de recuperación de calor y producen vapor para un único ciclo de Rankine)
También son posibles las configuraciones 3x1, 4x1, etc.
Es importante destacar que, para las configuraciones 2x1 y 3x1, cuando por una situación operativa de la central al menos una de las calderas está fuera de servicio y la otra funcionando, existe la posibilidad de que puedan producirse retornos de vapor desde el colector común de vapor a las calderas que están fuera de servicio. Si esto ocurre, pueden producirse daños en los tubos y materiales no aleados de la caldera. Para evitarlo, y desde el proceso de especificación, se debe poner especial énfasis en una alta calidad de las válvulas de retención y cierre.
Configuración multieje 1x1 Las ventajas de esta configuración son las siguientes:
Posibilidad de funcionamiento con sólo la turbina de gas, derivando los gases a la atmósfera si fuese necesario.
Mayor disponibilidad de la turbina de gas, al poder operar ésta en caso de avería de la turbina de vapor.
Admite el condensador con disposiciones axial e inferior.
Al disponer de dos alternadores puede suministrar energía eléctrica con dos tensiones.
Fácil mantenimiento de generadores y turbinas. Inconvenientes:
Requiere dos alternadores y dos transformadores con el consiguiente incremento de inversión.
Mayor necesidad de espacio.
Puente grúa más grande.
Configuración monoeje 1x1 con embrague
Ventajas:
Requiere un alternador menos que la configuración multieje.
El generador, al estar ubicado entre la turbina de gas y la de vapor, proporciona un mayor equilibrio a todo el conjunto.
Menor coste de inversión que la configuración multieje.
Menor coste de obra civil. Esto es debido a la menor altura necesaria del pedestal del turbogenerador, al poder disponer el condensador de forma axial.
Puente grúa de menor luz que la configuración multieje.
Menor espacio requerido que la configuración multieje.
El embrague permite un sistema de arranque más sencillo al poder independizar el rodaje de la turbina de gas de la de vapor. A diferencia del monoeje sin embrague, en esta configuración no es necesaria una caldera auxiliar para el calentamiento previo del vapor en el arranque de la turbina.
Inconvenientes:
Menor flexibilidad de operación que la configuración multieje, ya que en general esta configuración no suele llevar chimenea de by-pass.
Evacuación de energía a través de un solo generador y por tanto, menor fiabilidad del conjunto. En la configuración multieje cada alternador a través de su transformador puede alimentar sistemas de transporte con diferentes tensiones.
Mayor dificultad en la revisión del generador, al tener que desplazarlo lateralmente para poder extraer su rotor.
No es posible el montaje y la puesta en marcha por fases, a diferencia de la configuración multieje.
Configuración monoeje 1x1 sin embrague Las ventajas e inconvenientes con respecto a la configuración multieje son similares a las descritas en la configuración monoeje con embrague con los siguientes elementos diferenciadores:
El hecho de disponer el generador en un extremo facilita su revisión e inspección.
Al no poder situar el condensador axialmente, esta configuración requiere un pedestal de mayor altura y mayor inversión en obra civil que en la configuración monoeje con embrague.
Frente al resto de configuraciones, el arrancador estático de la turbina de gas es de mayor potencia, al tener que arrastrar la turbina de vapor en el inicio del rodaje.
Requiere una caldera auxiliar en los arranques para proporcionar vapor de cierres, vapor de vacío -si éste se hace con eyectores- y refrigeración inicial de la turbina de vapor durante el rodaje.
Configuración 2x1
Ventajas:
Menor coste de inversión que dos monoejes de la misma potencia (aproximadamente un 10%).
Mayor flexibilidad de operación, al posibilitar el funcionamiento con una turbina de gas y una turbina de vapor y arrancar de forma rápida la segunda turbina de gas.
Mejor rendimiento a cargas parciales, y especialmente al 50% de carga, al poderse reducir la potencia en solo una de las turbinas de gas.
Fácil acceso para el mantenimiento de los generadores.
Equipos de arranque estáticos de turbina de gas pequeños.
No es necesaria caldera auxiliar.
Posibilidad de emplear alternadores refrigerados por aire, al ser estos de menor potencia
Inconvenientes:
La avería de la turbina de vapor deja fuera de servicio todo el ciclo combinado si no se dispone de by-pass de gases en las turbinas de gas.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La continua búsqueda de eficiencias térmicas más altas ha originado modificaciones innovadoras en las centrales eléctricas convencionales
La modificación más extendida incluye un ciclo de potencia de gas (ciclo Brayton) que remata con un ciclo de potencia de vapor (ciclo Rankine), esto se denomina ciclo combinado.
El gas natural es el combustible más económico para la generación de electricidad y el que produce menor impacto ambiental.
Los recientes desarrollos tecnológicos para las turbinas de gas han logrado que el ciclo combinado de gas y vapor resulte muy atractivo desde el punto de vista económico, ya que el ciclo combinado aumenta la eficiencia sin incrementar mucho el costo inicial.
Las nuevas centrales eléctricas deberán operar con ciclos combinados, y las centrales de vapor o de turbina de gas existente deberán convertirse en centrales de ciclo combinado, de acuerdo a lo establecido en la tercera disposición transitoria del Decreto Legislativo 1041, que establece que el valor inicial del rendimiento térmico neto reconocido será de treinta por ciento (30%) durante los primeros treinta y seis (36) meses de vigencia del presente Decreto Legislativo, después se incrementará a cincuenta por ciento (50%) para los siguientes cuatro (4) años. El Ministerio de Energía y Minas podrá incrementar los rendimientos térmicos netos para los siguientes periodos de acuerdo al desarrollo tecnológico de las centrales térmicas.
Una mayor eficiencia en las centrales térmica, implica menor consumo de gas natural, para producir la misma cantidad de energía eléctrica, por lo que las reservas de gas durarán mucho más tiempo.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Y. Gengel and M. A. Boles, (2006). Termodinámica, México: Mac Graw Hill. [2] R.L y G.B. Silvestre (1989). “The Evolution of Central Station Steam Turbines”. Mechanical Engineering, pp. 70-78, febrero. [3] M.M. El-Wakil (1984). Power Plant Technology, Nueva York: Mac Graw Hill. [4] K.W. Li y A.P. Pridy (1985). Power Plant System Desig, Nueva York: Jhon Wiley & Sons. [5] H. Sorensen (1983). Energy Conversion Systems. Nueva York: Jhon Wiley & Sons. [6] Steams Its Generation and Use (1978). 39 edison. New York: Babcock and Wilcox Co. [7] J. Weisman y R. Eckart (1985). Modern Power Plant Engineering, Ennglewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall.
