CENTRALES TRMICAS SIMPLES Y CICLOS COMBINADOS

CENTRALES TRMICAS SIMPLES Y CICLOS COMBINADOS

Curso: Anlisis de sistemas de potencia

En este documento conoceremos ms sobre las centrales trmicas simples y tambin sobre centrales trmicas de ciclo combinado. Y cuales son algunas de estas centrales.

Qu es una central trmica?

1.-

Se denominan Centrales Trmicas a las plantas generadoras que producen energa elctrica a partir de la energa trmica. Se puede tener como base a combustibles fsiles, como por ejemplo: el carbn, gas natural (fueloil), mediante un ciclo termodinmico de agua-vapor.Las instalaciones que utilizan este proceso de conversin energtico son las que producen el mayor porcentaje de la electricidad consumida en el mundo.La energa elctrica, producto final de una planta de generacin, es la resultante de un proceso de cuatro conversiones de energa: En la primera, la energa de entrada, que es la energa qumica del combustible fsil o de la biomasa, o la energa nuclear del istopo, o la radiacin solar, es convertida en energa trmica, en la forma de calor radiante y calor sensible. La segunda conversin es la que se produce por intercambio de calor, de la energa trmica en energa termodinmica de algn fluido de trabajo(los ms comunes son agua, gases de la combustin y agua pesada) en el ciclo termodinmico de la instalacin. La tercera es de la energa termodinmica en energa mecnica de rotacin, en una turbina. La cuarta conversin es de la energa mecnica entregada por la turbina en energa elctrica en el generador.Cada uno de los procesos de conversin acarrea prdidas de energa, la mayor de las cuales se produce en el ciclo termodinmico.

2.- Definiciones y conceptos importantes:2.1 La Eficiencia de las Centrales TrmicasEl concepto de eficiencia est directamente relacionado con el rendimiento del proceso de conversin energtica de la central, a su vez, el rendimiento de planta se obtiene del producto de los rendimientos de procesos, que son los de los equipos o sistemas que conforman las instalaciones de la centralEl rendimiento de un equipo o sistema es el cociente entre la energa til de salida y la energa de entrada.

3.- Central trmica convencional3.1 Componentes

Caldera: el agua cambia de estado transformndose en vapor. Esta accin se produce graciasa la combustin del gas natural(o cualquier otro combustible fsil que pueda utilizar la central), con la que se generan gases a muy alta temperatura que al entrar en contacto con el agua lquida la convierten en vapor. Turbina de vapor: Mquina que recoge el vapor de agua y que, gracias a un complejosistema de presiones y temperaturas,consigue que se mueva el eje que la atraviesa. Esta turbina normalmente tiene varios cuerpos,de alta, media y baja presin, para aprovechar al mximo el vapor de agua.

Generador: Mquina que recoge la energa mecnica generada en el eje que atraviesa la turbina y la transforma en elctrica medianteinduccin electromagntica. Las centrales elctricas transforman la energa mecnica del eje en unacorriente elctrica trifsica yalterna.

3.2 Funcionamiento de una central trmicaEl funcionamiento de las centrales termoelctricas es el mismo independientemente del combustible que se utilice. Sin embargo, s hay diferencias en eltratamiento previo que se hace al combustible y del diseo de los quemadores de las calderasde las centrales.

Centrales de carbn: Donde el combustible debe sertrituradopreviamente. Centrales de fueloil: Donde el combustible secalientapara una utilizacin ms fcil. Centralesde gas natural: no precisa almacenaje, llegando as directamente porgaseoductos. Centrales mixtas: pueden utilizarse diferentes combustibles, siendo necesarios los tratamientos previos anteriormente citados.

Una vez el combustible est en la caldera, se quema. Esto provoca que se produzcaenerga calorficaque se utilizar paracalentar aguay as transformarla en vapor a una presin muy elevada. A partir de este vaporse hace girar una turbina y unalternadorpara que este produzca electricidad.La electricidad generada pasa por untransformadorpara aumentar sutensiny as transportarla reduciendo las prdidas porEfecto Joule.El vapor que sale de la turbina se enva a un elemento llamadocondensadorpara convertirlo en agua y as retornarlo a la caldera para empezar unnuevo ciclo de produccin de vapor.

3.3 El Rendimiento de una Central Trmica Convencional

La naturaleza irreversible caracterstica a los procesos de transferencia de calor es la causa fundamental de la ineficiencia de una planta energtica de tecnologa trmica.Las mquinas trmicas son capaces de utilizar solamente una porcin de la energa generada por los combustibles que utilizan. El calor restante de la combustin generalmente es desaprovechado.

El rendimiento global de este tipo de centrales es habitualmente algo inferior al 50%.Cualquier recurso que conlleve a mejorar ese rendimiento global contribuir a disminuir los costos del proceso, con dos ventajas coincidentes:Un mayor spread para un mismo precio sancionado de la energa del mercado.Un mayor despacho de la energa de la central, por el mejor posicionamiento de sus mquinas, resultante de un menor precio declarado.3.4 Ciclos en Centrales Trmicas3.4.1 Los ciclos de turbinas a vapor

El ciclo de potencia de las turbinas a vapor es el ciclo de Rankine o alguna de sus variantes.Las etapas del ciclo de Rankine son: En la caldera el agua se evapora y sobrecalienta por el aporte de la energa trmica recibida. El vapor de salida de la caldera ingresa en la TV, expansionado en ella y convirtiendo su energa trmica en mecnica de rotacin en ese equipo. En el generador acoplando a la turbina se producir la conversin de la energa que lo impulsa en energa elctrica. En la salida de la turbina (cola de mquina) se extrae, mediante el condensador, el calor residual del ciclo. El agua recupera la fase lquida y de esta manera se reingresa a la caldera mediante una bomba que eleva su presin al valor necesario.

Figura 1

Figura 2Se tiene como variantes de este ciclo: Ciclo de Rankine simple.

Figura 3 Ciclo de Rankine regenerativo.

Figura 4

Ciclo de Rankine regenerativo y con recalientamiento.

3.4.2 Los ciclos de turbinas a gas

Funcionan con un gas, que en la casi totalidad de casos actuales es el aire, elemento que, como el agua, es abundante y est disponible en cualquier instalacin. El ciclo de potencia de las TG es el ciclo Brayton. A corto plazo se implementarn mquinas con ciclos ms avanzados.

La evolucin del fluido de trabajo (en este caso aire) es similar a la del agua en el ciclo Rankine. La diferencia fundamental es que el fluido no tiene cambio de fase durante el ciclo.

Las etapas del ciclo Brayton sencillo son: El aire ingresa en un compresor que incrementa su presin, debido a la conversin de la energa mecnica aportada. El aire comprimido ingresa a la cmara de combustin de la turbina, donde los gases de la combustin alcanzan la mxima temperatura del ciclo, A continuacin los gases calientes expansionan en la turbina, en un proceso de conversin de su energa trmica en energa mecnica rotante de la misma, hasta una presin prxima a la atmosfrica. Los gases de escape de la turbina se vuelcan a la atmsfera a una temperatura muy superior a la temperatura de sta, representativa de la energa residual del ciclo. La energa mecnica de la turbina es cedida en parte al compresor y la restante al generador elctrico que impulsa.

Figura 5

Figura 6

Otros ciclos con turbina a gas:

El ciclo con turbina de inyeccin de vapor (STIG: steam-injected gas turbine). El ciclo interrefrigerado con turbina de inyeccin de vapor (ISTIG: intercooled STIG).

Figura 7

Qu es una central trmica de ciclo combinado?

4.-

Se denomina CICLO COMBINADO cuando una mquina de generacin o central emplean en su diseo ms de un ciclo termodinmico. Tambin suele identificarse como planta CCPP (Combined Cycle Power Plant), o planta CCGT (Combines Cycle Gas Turbine).En estas plantas, una turbina a gas (TG) mueve un generador. El calor de escape de la TG es utilizado para producir vapor que se emplea en la generacin adicional de electricidad con un generador impulsado por una turbina a vapor (TV).Esta ltima etapa del proceso aumenta la eficiencia de generacin de energa de la planta.4.1 Nociones inicialesEn ella funcionan al mismo tiempo diferentes motores trmicos, se vinculan entre ellos por medio de diversas ligaduras msicas o energticas.La ventaja de los ciclos combinados es el aprovechamiento del calor residual de uno de los motores como energa aportada a otro de los motores. Con este recurso se recobra una porcin de la exerga contenida en el calor residual, con trabajo ejecutado a partir de ella.La conjuncin de estos aprovechamientos energticos ms exergticos resultan en una mejor utilizacin de la energa. La aplicacin tecnolgica ms empleada son los ciclos combinados TG+TV, con los que a la fecha se han lograd los menores costos variables en centrales trmicas.Entonces tenemos unturbo grupo de gas y un turbo grupo de vapor, es decir, para la transformacin de la energa del combustible en electricidadse superponen dos ciclos:

El ciclo de Brayton(turbina de gas): toma el aire directamente de la atmsfera y se somete a un calentamiento y compresin para aprovecharlo como energa mecnica o elctrica. El ciclo de Rankine(turbina de vapor): donde se relaciona el consumo de calor con la produccin de trabajo o creacin de energa a partir devapor de agua.

4.2 Componentes de una central trmica de ciclo combinadoPara entender el funcionamiento de una central trmica de ciclo combinado hay que conocer primero las partes que la forman: Turbina de gas:

Compresor.- inyecta el aire a presinpara la combustin del gas y la refrigeracin de las zonas calientes. Cmara de combustin.-donde se mezcla el gas natural (combustible) con el aire a presin, produciendo la combustin. Turbina de gas.- donde se produce la expansin de gases que provienen de la cmara de combustin.

Consta de tres o cuatro etapas de expansin y la temperatura de los gases en la entrada est alrededor de 1.400C saliendo de la turbina a temperaturas superiores a los 600C. Caldera de recuperacin:En esta caldera convencional, el calor de los gases que provienen de la turbina de gas se aprovecha en un ciclo de agua-vapor.Figura 8

Turbina de vapor:Esta turbina acostumbra a ser de tres cuerpos y est basada en latecnologa 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 mismogenerador elctrico.Turbina de vapor de una Central Trmica de Ciclo Combinado4.2 El Rendimiento de un Ciclo CombinadoEl rendimiento de un ciclo trmico ser tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el calor de entrada y el de salida. Este enunciado se conoce como eficiencia de Carnot. El ciclo combinado verifica la condicin de una importante diferencia de temperaturas entrada/salida, al combinar los ciclos termodinmicos de Brayton (gas) y Rankine (vapor).En una planta real, el valor de temperatura admisible de operacin del ciclo estar relacionado a las propiedades de los materiales empleados en la construccin de las mquinas que participan del ciclo termodinmico.

4.3 Razones de la eleccin de un ciclo combinadoEsta tecnologa brinda el mejor rendimiento, y por tanto el menor costo, para una planta trmica de generacin. La masiva eleccin de esra tecnologa para el servicio de abastecimienro de energa trmica han bsicamente contribuido dos razones: Los incrementos admitidos en la temperatura de entrada de la TG, que acarrea un mayor rendimiento de la turbina y temperaturas ms altas de los gases de escape. Y estos gases ms calientes aportan una mayor energa trmica al ciclo de potencia que la admite como entrada. La utilizacin del gas natural como combustible, por la reduccin de emisiones de CO2 producto de su combustin, en comparacin a otros hidrocarburos. Su empleo en una TG brinda notables ventajas comparativas. Adems, admite una mayor reduccin de la temperatura de salida del equipo recuperador de calor, por su bajo tenor de azufre, que significa haber recuperado mayor energa para el cilco de potencia vinculado.

4.4 Funcionamiento de un ciclo combinado TG + TV:Estos ciclos son los ms desarrollados al presente, siendo la mejor alternativa tcnico- econmica para la eleccin de una central trmica convencional.Si bien las configuraciones propuestas han sido mltiples, es posible diferenciar dos conceptos de diseo distintos: Ciclos Brayton y Rankine dispuestos en serie, en los que los gases de escape de la TG suministran energa trmica al ciclo Rankine. Ciclos con acoplamiento trmico interno, en los que en la caldera principal se aporta energa trmica a los ciclos Brayton y Rakine, de esta manera estos dispuestos en paralelo.

Figura 9

Figura 10

Figura 11

Figura 12

5.- Centrales Trmicas en el Per

6.- Bibliografahttp://www.osinerg.gob.pe/newweb/uploads/GFE/eventos/EVENTO%203/TEXTO%203C.pdfhttps://www.google.com.pe/#q=central+termicas+simples+y+ciclo+combinadohttp://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-electricidad/viii.-las-centrales-termicas-convencionaleshttp://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-electricidad/ix.-las-centrales-termicas-de-ciclo-combinado