1.4 Generación de energía mediante ciclo combinado. Existen numerosas posibilidades de combinar entre sí dos ciclos que evolucionan a diferentes temperaturas. El principio termodinámico de la combinación está basado en la estrategia de aumentar la temperatura máxima H T (para el ciclo de baja temperatura) y disminuir la temperatura mínima C T (para el ciclo de alta temperatura). Es fácil demostrar que el rendimiento de esas instalaciones combinadas es mejor que el de cada una de las plantas que las componen por separado. Una planta de ciclo combinado implica la existencia casi siempre de una turbina de gas, una caldera y una turbina de vapor. Los ciclos combinados de turbina de gas y vapor como el que se observa en la Figura 3.20, aprovechan parte de la energía térmica de los gases de escape del ciclo Brayton, que de otro modo sería residual, en una caldera de recuperación de calor para obtener vapor destinado a la producción de potencia en un ciclo Rankine.
Básicamente, se trata de generar electricidad a partir de la combustión de un gas o de fuel. Para el circuito aire-gases, los gases provenientes de la combustión se envían a la turbina que gira como consecuencia del paso de los gases por sus álabes. Esta energía mecánica mueve el alternador que va unido a la turbina de gas transformando esa energía en energía eléctrica.
A la salida de la turbina, los gases de escape, a temperaturas superiores a los 500ºC, han perdido temperatura y presión pero aún contienen la suficiente energía como para que valga la pena aprovecharla en la caldera de recuperación de calor. [12] Esta caldera actúa como un intercambiador de calor a contracorriente donde el gas calienta un grupo de tubos por donde circula agua o vapor cuya energía se aprovecha en la turbina de vapor que a su vez acciona un alternador. 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. La unión de los dos ciclos permite producir más energía que un ciclo abierto y, por supuesto, con un rendimiento energético mayor. 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%. [12] Los aumentos de potencia y rendimiento de los ciclos combinados han estado muy ligados a los de la turbina de gas, ya que es el que configura el ciclo inicial y, por ello, la nueva temperatura máxima del ciclo. La complejidad del ciclo crece cuando se pretende mejorar el rendimiento, lo que se justifica tanto más cuanto mayor es el tamaño de la planta. Los más complejos tienen tres niveles de presión en la caldera, con un recalentamiento intermedio y refrigeración de álabes de turbina de gas con agua o vapor procedente de la caldera de recuperación de calor. En potencias menores se emplean alternativas menos complejas como los ciclos dedos niveles de presión sin recalentamiento. La necesidad de bajos niveles de emisión de contaminantes y de alta eficiencia energética, ha traído el desarrollo de las centrales térmicas de vapor y de gas natural. Una central termoeléctrica de tipo vapor es una instalación industrial, donde la energía química del combustible se transforma en calorífica para producir vapor, éste se conduce a la turbina, donde la fuente cinética se convierte en mecánica, transmitiéndose al generador para producir electricidad. Si bien las centrales convencionales de vapor (termoeléctricas) figuran entre las más contaminantes de los tipos de generación de electricidad, su arraigo en la totalidad de los países se debe a que los combustibles fósiles como el combustóleo, el carbón y el coque de petróleo, seguirán siendo durante algunas décadas la principal fuente de energía utilizada para la producción de electricidad. Las centrales de gas natural también representan una opción viable en el campo de las térmicas, siendo su combustible principal el gas natural; la generación de energía eléctrica en las unidades de turbogas se realiza directamente de la energía cinética, resultante de la expansión de aire comprimido y los gases de combustión.
En el ciclo de turbo gas, la turbina está unida al generador de rotor, dando lugar a la producción de energía eléctrica. Los gases de la combustión, se descargan directamente a la atmósfera después de trabajar. En los sistemas de generación de electricidad mediante gas, la emisión de contaminantes se ve reducida considerablemente, mientras que la eficiencia térmica se ve mejorada respecto al ciclo convencional de vapor utilizado en las centrales termoeléctricas. Desde el punto de vista operativo, el breve tiempo de arranque y la variación a la inconsistencia de la demanda, la turbina de gas satisface cargas de suministro y capacidad de un sistema eléctrico demandante.
1.4.1 Características generales del ciclo combinado. Técnicamente, un ciclo combinado está constituido por tres elementos: una turbina de gas, una caldera de recuperación de calor y una turbina de vapor. La turbina de gas genera energía eléctrica mediante la combustión de gas natural. Los gases de escape procedentes de la combustión, se introducen en un intercambiador de calor que se conoce como caldera de recuperación. En ella el agua aprovecha el calor residual de los gases de escape de la turbina de gas para generar vapor que se aprovecha en la turbina de vapor, incrementando la producción total de energía eléctrica.
Las plantas de potencia de ciclo combinado pueden ser sin alimentación o con alimentación suplementaria, en este último caso, se alimenta combustible adicional a una caldera de vapor, y la turbina puede ser una parte más bien pequeña de toda la planta. En el sistema sin alimentación, la sección de vapor es auxiliar para la turbina de gas y, por lo común, está controlada automáticamente a aquella. En el sistema sin alimentación, pueden obtenerse tanto como un 40% adicional de potencia, sin quemar combustible adicional. Como consecuencia, la
eficiencia térmica global es muy alta (alrededor de 40% en las turbinas modernas. (Avallone & Baumeister, 1999, p. 9-133).
1.4.1.2 Combustible. El gas natural ha probado ser un combustible ideal para las turbinas de gas y para las centrales de ciclo combinado. El gas natural se encuentra en yacimientos subterráneos por separado o asociado al petróleo. El gas natural licuado (liquefied natural gas o LNG por sus siglas en Inglés) es gas natural que ha sido procesado para ser transportado en forma líquida, por cuestiones de ubicación de las centrales de energía, su composición es una mezcla de hidrocarburos que por lo común contiene propano, butano, isobutano, que generalmente se extraen del gas natural, y en menor grado propileno o butileno. El gas natural es transportado como líquido a presión atmosférica y a -162 °C donde la licuefacción reduce en 600 veces el volumen de gas transportado. (Avallone & Baumiester, 1999, p. 7-20) Durante 2001, la producción mundial de gas seco se incrementó 1.7% respecto al año anterior y 2% anual en los últimos 10 años. En Norteamérica se produjo 30.9% de la producción mundial: 22.5% en Estados Unidos, 7% en Canadá y 1.4% en México. Se estima que la demanda de gas natural presentará la mayor tasa de crecimiento respecto a los demás combustibles con un incremento de 3.2% anual durante el periodo 1999-2015, en tanto que la de petróleo 2.2% anual y el carbón 1.8% anual. El mayor dinamismo en el consumo de gas natural se dará en los países en desarrollo, principalmente en Asia, Centro y Sudamérica con 5.7% anual, en donde la demanda de energía crecerá alrededor de 4% anual, mientras que en los países industrializados el incremento en el consumo de este combustible será de 2.5% anual. En los países industrializados, como en los países en desarrollo, el mayor consumo de gas natural responde a su creciente uso para generar electricidad por sus ventajas ambientales y económicas. Además, en los países en desarrollo su
mayor uso será resultado de su aplicación en el sector industrial y el rápido desarrollo de estos mercados.
Las centrales de ciclo combinado en México. La Comisión Federal de Electricidad (CFE) es la empresa del Estado encargada de la generación, transmisión, distribución y comercialización de energía eléctrica en el país; actualmente atiende a 25.3 millones de personas. Sin embargo, poco se sabe de dónde proviene la energía que, todos los días de forma permanente, mantiene las actividades de personas, empresas y gobierno. La capacidad de generación cuenta con 177 centrales, lo que equivale a 51,571 MW, incluyendo a aquellos productores independientes, que por ley, están autorizados para generar la energía. Ésta tiene varias fuentes, la primera de ellas y la más antigua son las hidroeléctricas, hasta las modernas como la eólica.
En México, el uso de ciclos combinados, los cuales queman gas natural para la generación de energía eléctrica, creció en forma significativa a partir de 1995. Mediante esta energía se produjeron en ese año, un poco menos de 10 mil GWh. Los ciclos combinados en 2007, proporcionaron 12, 231 GWh, cantidad que represento el 46.4% del total de la energía en el país. Para diciembre de 2007, la capacidad instalada en ciclos combinados era de 16,873 MW (33% de la capacidad total – 51,029 MW). En el año 2016, la comisión federal de electricidad (CFE) estima que con esta tecnología crecerá otros 10,599 MW, hasta llegar a 27,472 MW. En el cierre de agosto 2010, la capacidad instalada efectiva y la generación instalada en ciclos combinados fue de 18,022.28 MW y 77,563 GWh respectivamente.
Sumando a estas cifras, la creación de nuevas centrales, como la Central de Ciclo combinado ubicada en el Complejo Termoeléctrico “Presidente Juárez” en el
estado de Baja California con una capacidad de generación de 272 MW, y la reconfiguración de centrales termoeléctricas, además de diversos proyectos conjuntamente con la inversión privada, pretendiendo con ello aumentar la generación mediante los ciclos combinados.
Caldera de Recuperación (HRSG) La caldera de recuperación o HRSG en un ciclo combinado es el elemento encargado de aprovechar la energía de los gases de escape de la turbina de gas transformándola en vapor. Con posterioridad, ese vapor puede transformarse en electricidad por una turbina de gas, ser utilizado en procesos industriales o en sistemas de calefacción centralizados. Las calderas de recuperación de calor pueden clasificarse en calderas con o sin postcombustión y en calderas horizontales o verticales, y también por el número de veces que el agua pasa a través de la caldera. Las partes principales de una caldera de recuperación de calor son: Desgasificador. Es el encargado de eliminar los gases disueltos en el agua de
alimentación, oxígeno principalmente y otros gases que podrían provocar corrosiones. Tanque de agua de alimentación. Depósito donde se acumula el agua que
alimenta el sistema, esta agua debe ser muy pura para evitar impurezas que podrían obstruir los conductos, erosionarlos o corroerlos por las sustancias que llevasen con ellos. Calderín. Lugar de donde se alimenta el evaporador de agua y el
sobrecalentador de vapor. Puede haber diferentes tipos de calderines según la turbina de vapor que alimenten ya sean de baja, media o alta presión.
Bombas de alimentación. Son las encargadas de enviar el agua desde el tanque
de agua de alimentación a su calderín correspondiente. Economizadores. Intercambiadores encargados de precalentar el agua de
alimentación con el calor residual de los gases de escape, aprovechando su energía con lo que aumentamos el rendimiento de nuestra instalación y evitamos saltos bruscos de temperatura en la entrada de agua. Evaporadores. Intercambiadores que aprovechan el calor de los gases de
escape de temperatura intermedia para evaporar el agua a la presión del circuito correspondientes, la circulación del agua a través de ellos puede ser forzada o natural, en la forzada se utilizan bombas y en la natural el efecto termosifón, aunque también se usan bombas en los momentos de arranque o cuando sea necesario, devolviendo el vapor al calderín.
CALDERAS DE RECUPERACIÓN DE CALOR CON O SIN POSTCOMBUSTIÓN. La caldera sin postcombustión es el tipo más común de caldera utilizada en los ciclos combinados. Esencialmente es un intercambiador de calor en el que se transfiere el calor de los gases al circuito agua-vapor por convección. En lo que se refiere a las calderas con postcombustión, aunque pueden construirse calderas de recuperación con quemadores y aporte de aire adicional, las modificaciones constructivas normalmente se limitan a la instalación de quemadores en el conducto de gases a la entrada de la caldera. Ello permite que se pueda utilizar el exceso de oxígeno de los gases de escape de la turbina, sin sobrepasar temperaturas admisibles para la placa de protección interna del aislamiento, temperaturas superiores a 800ºC y sin modificar, de forma importante, la distribución de superficies de intercambio de la caldera sin postcombustión. [18] Estas calderas normalmente llevan atemperadores de agua pulverizada para regular la temperatura del vapor.
CALDERAS DE RECUPERACIÓN DE CALOR HORIZONTALES Y VERTICALES La caldera horizontal es aquélla en la que el gas, a la salida de la turbina, sigue una trayectoria horizontal a través de los distintos módulos de sobrecalentamiento, recalentamiento, vaporización y calentamiento de agua, hasta su conducción a la chimenea de evacuación, puede verse en la Figura 3.25. No necesitan estructura de soporte, siendo en conjunto una caldera más compacta y barata.
Debido a la construcción compacta, gran parte de los tubos en el interior de los haces no son accesibles, por lo que en caso de rotura se debe abandonar el uso de dicho tubo.
