LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN CENTRALES … · generadoras que producen energía...
166
1 1 LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN CENTRALES TÉRMICAS
Transcript of LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN CENTRALES … · generadoras que producen energía...
11
LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICAEN CENTRALES TÉRMICAS
22
INTRODUCCIÓN A LOS CICLOS COMBINADOS
UNA REVISIÓN A LOS ORÍGENES Y CARACTERÍSTICASDE ESTA TECNOLOGÍA APLICADA A LA GENERACIÓN
DE ENERGÍA ELÉCTRICA
33
Presentación (I)
• Se denominan CENTRALES TÉRMICAS las plantas generadoras que producen energía eléctrica a partir de la energía térmica.
• Las instalaciones que utilizan este proceso de conversión energético son las que producen el mayor porcentaje de la electricidad consumida en el mundo.
44
Presentación (II)
Pertenecen al grupo de las CENTRALES TÉRMICAS:
• Las llamadas CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES, que queman combustibles fósiles como gas natural, combustibles líquidos (fuel oil, diesel, derivados del petróleo en general) y carbón.
• Las CENTRALES NUCLEARES.• Las CENTRALES GEOTÉRMICAS.• Las CENTRALES TÉRMICAS DEL MAR, DE BIOMASA,
TERMOSOLARES, entre las DE NUEVAS TECNOLOGÍAS.
Todas estas centrales utilizan tecnología y equipamientossimilares.
55
El Proceso en las Centrales Térmicas (I)La energía eléctrica, producto final de una planta de generación,es la resultante de un proceso de cuatro conversiones de energía:• En la primera, la energía de entrada, que es la energía química
del combustible fósil o de la biomasa, o la energía nuclear del isótopo, o la radiación solar, es convertida en energía térmica, en la forma de calor radiante y calor sensible.
• La segunda conversión es la que se produce por intercambio de calor, de la energía térmica en energía termodinámica de algún fluido de trabajo (los más comunes agua, gases de la combustión y agua pesada) en el ciclo termodinámico de la instalación.
• La tercera es de la energía termodinámica en energía mecánica de rotación, en una turbina.
• La cuarta conversión es de la energía mecánica entregada por la turbina en energía eléctrica en el generador.
66
El Proceso en las Centrales Térmicas (II)
• Cada uno de los procesos de conversión acarrea pérdidas de energía, la mayor de las cuales se produce en el ciclo termodinámico.
• La energía de salida de la central (ENERGÍA NETA) es la resultante de restar a la generada por sus máquinas (ENERGÍA BRUTA) los consumos requeridos por la planta para su operación (CONSUMOS PROPIOS).
• La energía disponible para el consumo (ENERGÍA DEMANDADA) será la diferencia entre la entregada por la central y las pérdidas para hacerla llegar a los consumidores (PÉRDIDAS DE TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN).
77
La Eficiencia de las Centrales Térmicas (I)
• El concepto de EFICIENCIA está directamente relacionado con el RENDIMIENTO del proceso de conversión energética 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 central.
88
La Eficiencia de las Centrales Térmicas (II)
• El rendimiento de un equipo o sistema es el cociente entre la ENERGÍA ÚTIL DE SALIDA y la ENERGÍA DE ENTRADA.
• A modo de ejemplo, el rendimiento de un generador será la relación entre la energía mecánica en el eje que lo impulsa y la energía eléctrica en sus bornes.
99
El Rendimiento de una CentralTérmica Convencional (I)
• La naturaleza irreversible característica a los procesos de transferencia de calor es la causa fundamental de la ineficiencia de una planta energética de tecnología térmica.
• Las máquinas térmicas son capaces de utilizar solamente una porción de la energía generada por los combustibles que utilizan. El calor restante de la combustión es generalmente desaprovechado.
1010
El Rendimiento de una CentralTérmica Convencional (II)
• El rendimiento global de este tipo de centrales es habitualmente algo inferior al 50%.
• Cualquier recurso que conlleve a mejorar ese rendimiento global contribuirá a disminuir los costos del proceso, con dos ventajas coincidentes:• Un mayor spread para un mismo precio sancionado de la
energía del mercado.• Un mayor despacho de la energía de la central, por el
mejor posicionamiento de sus máquinas, resultante de un menor precio declarado.
1111
Ciclo Combinado
• Se denomina CICLO COMBINADO cuando una máquina de generación o central emplean en su diseño más de un ciclo termodinámico.
• Tambien suele identificarse como planta CCPP (CombinedCycle Power Plant), o planta CCGT (Combined Cycle Gas Turbine).
1212
Como Opera un Ciclo Combinado (I)
• 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 generación adicional de electricidad con un generador impulsado por una turbina a vapor (TV).
• Esta última etapa del proceso aumenta la eficiencia de generación de energía de la planta.
1313
Como Opera un Ciclo Combinado (II)
• En una central térmica, el calor de alta temperatura, usualmente producto de la combustión de un combustible fósil, es la energía entrante a la planta.
• Esta energía entrante es convertida a electricidad como una de las salidas de la planta.
• La otra salida es calor de baja temperatura y no es aprovechado en el proceso de conversión energética que ejecuta la central.
1414
El Rendimiento de un Ciclo Combinado
• El rendimiento de un ciclo térmico será 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.
• En una planta real, el valor máximo de temperatura admisible de operación del ciclo estará relacionado a las propiedades de los materiales empleados en la construcción de las máquinas que participan del ciclo térmico.
• El Ciclo Combinado (CC) verifica la condición de una importante diferencia de temperaturas entrada / salida, al combinar los ciclos termodinámicos de Brayton (gas) y Rankine (vapor).
• El rendimiento de un CC alcanza en la actualidad valores cercanos al 60 %
1515
LOS CICLOS DE POTENCIA CONVENCIONALES
1616
¿Cuáles son losCiclos de Potencia Convencionales?
• Son los ciclos empleados en las centrales termoeléctricas en operación.
• Sería posible utilizar ciclos de potencia diferentes a los de uso en centrales térmicas actuales, con mejores rendimientos de conversión energética.
• Sin embargo, en la práctica los desarrollos tecnológicos actuales solo contemplan la utilización de ciclos de potencia convencionales.
1717
¿Cómo Mejorar los Ciclosde Potencia Convencionales? (I)
• Una manera sencilla de mejorar su rendimiento es mediante el agregado de intercambiadores de calor en los ciclos.
• No obstante, hasta no hace mucho en la mayoría de los ciclos convencionales no se han concretado reformas debido a:• El desarrollo tecnológico que ha tenido la evolución de
las máquinas térmicas, que ha satisfecho en general las expectativas de las partes involucradas.
• No se han dado beneficios atractivos en las empresas dedicadas al desarrollo de estas mejoras en las centrales térmicas.
1818
¿Cómo Mejorar los Ciclosde Potencia Convencionales? (II)
El ejemplo típico de evolución de equipos se da con las turbinasa gas (TG), para las que:
• Su desarrollo tecnológico para equipos empleados en centrales ha sido el resultado de los avances obtenidos en las turbinas de los aviones (máquinas aeroderivadas).
• El ciclo de potencia de estas TG es el ciclo Brayton, el más sencillo de los ciclos que pueden aplicarse a estas máquinas.
1919
¿Cómo Mejorar los Ciclosde Potencia Convencionales? (III)
• Podría mejorarse sensiblemente el rendimiento de un ciclo de turbina con la utilización de intercambiadores de calor. Esto no ha ocurrido, ya que:• Los intercambiadores de calor no pueden emplearse con
las turbinas de los aviones.• Las TG que trabajan en ciclo abierto operan como
máquinas de punta, con un número reducido de horas de funcionamiento anuales.
• Las nuevas TG alcanzan rendimientos mejorados con la utilización de intercambiadores de calor.
2020
TURBINAS A VAPOR
2121
Los ciclos de turbinas a vapor (I)
• Estas turbinas funcionan con agua, que es un elemento adecuado, abundante, de masiva utilización en los ciclos de potencia.
• El ciclo de potencia de las turbinas a vapor (TV) es el ciclo de Rankine o alguna de sus variantes.
2222
Los ciclos de turbinas a vapor (II)
Las etapas del ciclo de Rankine son:• En la caldera el agua se evapora y sobrecalienta por el
aporte de la energía térmica recibida.• El vapor de salida de la caldera ingresa en la TV,
expansionando en ella y convirtiendo su energía térmica en mecánica de rotación en ese equipo. En el generador acoplando a la turbina se producirá la conversión de la energía que lo impulsa en energía eléctrica.
• En la salida de la turbina (cola de máquina) se extrae, mediante el condensador, el calor residual del ciclo. El agua recupera la fase líquida y de esta manera se reingresa a la caldera mediante una bomba que eleva su presión al valor necesario.
2323
Los ciclos de turbinas a vapor (III)Los ciclos de turbinas a vapor (III)EvoluciEvolucióón del ciclo de n del ciclo de RankineRankine::
2424
Los ciclos de turbinas a vapor (IV)Los ciclos de turbinas a vapor (IV)Equipos y componentes de una instalaciEquipos y componentes de una instalacióón con ciclon con ciclode de RankineRankine::
2525
El rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (I)
El rendimiento global del ciclo será tanto más alto cuanto:
• Mayor sea la temperatura del vapor de entrada a la turbina.
• Menor sea la presión de condensación del vapor, a la salida de la turbina.
• Mayor sea la presión del vapor de entrada a la turbina.
• Mayores sean los rendimientos de la turbina de vapor y bombas del ciclo.
2626
El rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (II)
Diferentes escenarios limitan estas variables determinantes dela eficiencia del ciclo:
• La presión del vapor de entrada a la turbina estará limitada por el consecuente contenido de humedad en su vapor de salida.
• La máxima temperatura del vapor de entrada a la turbina dependerá de la calidad de los materiales empleados en los equipos del ciclo que están en contacto con el fluido.
• La presión de condensación del vapor, íntimamente relacionada a la temperatura obtenible del mismo a la salida de la turbina, estará relacionada a la temperatura del medio refrigerante disponible (agua o aire).
2727
El rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (III)
• La temperatura de cola de máquina influye notoriamente en el rendimiento del ciclo.
• Esta temperatura, de condensación del vapor, será del orden de los 60 ºC si el enfriamiento es con aire y del orden de los 30 ºC si se refrigera con agua.
• Para ese rango de temperaturas, el rendimiento se eleva desde valores de alrededor del 32% al 37%.
• Por ello es de fundamental importancia disponer de una adecuada fuente refrigerante en el lugar de instalación de una central de esta tecnología.
2828
El rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (IV)
Los dos recursos tecnológicos más empleados para mejorarloson:
• El recalentamiento de una fracción del vapor antes del término de su evolución en la turbina. Esto permite elevar la presión de entrada de turbina, sin incremento del contenido de humedad en el vapor de salida.
• El precalentamiento regenerativo, que implementa extracciones de vapor de la turbina que precalientan el agua de entrada a la caldera. Esto mejora el rendimiento del ciclo por incremento de la temperatura media de ingreso de la energía térmica al mismo.
2929
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (V)de turbinas a vapor (V)EvoluciEvolucióón del ciclo de n del ciclo de RankineRankine con recalentamiento:con recalentamiento:
3030
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (VI)de turbinas a vapor (VI)Equipos y componentes de una instalaciEquipos y componentes de una instalacióón con ciclon con ciclode de RankineRankine con recalentamiento:con recalentamiento:
3131
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (VII)de turbinas a vapor (VII)EvoluciEvolucióón del ciclo de n del ciclo de RankineRankine regenerativo:regenerativo:
3232
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (VIII)de turbinas a vapor (VIII)Equipos y componentes de una instalaciEquipos y componentes de una instalacióón con ciclon con ciclode de RankineRankine regenerativo:regenerativo:
3333
El rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (IX)
• Las dos gráficos tridimensionales siguientes muestran la variación del rendimiento, en función de:• la temperatura del vapor a la entrada de la turbina• la temperatura del agua al ingreso al generador de
vapor, modificable con la regeneración del ciclo.• El primero es para un ciclo de Rankine sin recalentamiento.• El segundo es para un ciclo de Rankine con recalentamiento.
3434
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (X)de turbinas a vapor (X)Ciclo de Ciclo de RankineRankine sin recalentamiento.sin recalentamiento.46,00% de 46,00% de ηη mmááx. obtenible:x. obtenible:
3535
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (XI)de turbinas a vapor (XI)Ciclo de Ciclo de RankineRankine con recalentamiento.con recalentamiento.47,60% de 47,60% de ηη mmááx. obtenible:x. obtenible:
3636
El rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (XII)
• La gráfica siguiente muestra la variación del rendimiento con la presión de vapor a la entrada de la turbina, para los casos:• ciclo de Rankine simple.• ciclo de Rankine regenerativo.• ciclo de Rankine regenerativo y con recalentamiento.
3737
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a vapor (XIII)de turbinas a vapor (XIII)Efecto de la presiEfecto de la presióón de vapor a la entrada turbina:n de vapor a la entrada turbina:
3838
TURBINAS A GAS
3939
Los ciclos de turbinas a gas (I)
• Las TG son las otras máquinas térmicas ampliamente utilizadas en los ciclos de potencia.
• Funcionan con un gas, que en la casi totalidad de casos actuales es el aire, elemento que, como el agua, es abundante y está disponible en cualquier instalación.
• El ciclo de potencia de las TG es el ciclo Brayton. A corto plazo se implementarán máquinas con ciclos más avanzados.
4040
Los ciclos de turbinas a gas (II)
• La evolución del fluido de trabajo (en este caso aire) es similar a la del agua en el ciclo de Rankine.
• La diferencia fundamental es que el fluido no tiene cambio de fase durante el ciclo.
4141
Los ciclos de turbinas a gas (III)
Las etapas del ciclo Brayton sencillo son:• El aire ingresa en un compresor que incrementa su presión,
debido a la conversión de la energía mecánica aportada.• El aire comprimido ingresa a la cámara de combustión de la
turbina, donde los gases de la combustión alcanzan la máxima temperatura del ciclo.
• A continuación los gases calientes expansionan en la turbina, en un proceso de conversión de su energía térmica en energía mecánica rotante de la misma, hasta una presión próxima a la atmosférica.
• Los gases de escape de la turbina se vuelcan a la atmósfera a una temperatura muy superior a la temperatura de ésta, representativa de la energía residual del ciclo.
• La energía mecánica de la turbina es cedida en parte al compresor y la restante al generador eléctrico que impulsa.
4242
Los ciclos de turbinas a gas (IV)Los ciclos de turbinas a gas (IV)La siguiente figura representa la evoluciLa siguiente figura representa la evolucióón del ciclo n del ciclo BraytonBrayton, resultado de las etapas descriptas:, resultado de las etapas descriptas:
4343
Los ciclos de turbinas a gas (V)Los ciclos de turbinas a gas (V)El esquema representa los equipos y componentes deEl esquema representa los equipos y componentes deuna instalaciuna instalacióón que verifica un ciclo de potencia n que verifica un ciclo de potencia BraytonBrayton::
4444
El rendimiento de los ciclosde turbinas a gas (I)
El diseño de un ciclo de TG permite definir dos parámetrosbásicos de funcionamiento del equipamiento que loespecifica:
• La relación de compresión que el compresor le imprime al aire de entrada.
• La temperatura de entrada de la turbina (máxima del ciclo).
El rendimiento del ciclo y la potencia específica sondependientes de estos parámetros.
4545
El rendimiento de los ciclosde turbinas a gas (II)
Cuanto mayor sea la temperatura de entrada de la turbina,mayores serán el rendimiento del ciclo y su potencia específica.
La relación de compresión se definirá de acuerdo a la utilizaciónque se hará de la turbina:• será elevada para obtener los mejores rendimientos del
ciclo, objetivo para el empleo en centrales eléctricas de base o en aviones.
• será baja en usos como los siguientes:• cuando el objetivo sea lograr elevadas potencias
específicas como es el caso de las centrales eléctricas de punta.
• cuando se requiera una elevada temperatura de los gases de escape de la turbina, por ejemplo en un ciclo combinado.
4646
El rendimiento de los ciclosde turbinas a gas (III)
• Por su importancia en el rendimiento, en el diseño de estos ciclos se contempla la máxima temperatura de entrada compatible con los materiales utilizados en la máquina.
• Esta característica es la razón por la cual el desarrollo tecnológico de los últimos 50 años ha evolucionado permitiendo cada vez valores más altos de este parámetro.
• Esto se muestra en las graficas de las siguientes transparencias.
4747
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a gas (IV)de turbinas a gas (IV)EvoluciEvolucióón de la temperatura de entrada a turbina:n de la temperatura de entrada a turbina:
4848
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a gas (V)de turbinas a gas (V)Valores mValores mááximos alcanzables del rendimiento y potencia ximos alcanzables del rendimiento y potencia especespecíífica de acuerdo a la mfica de acuerdo a la mááxima temperatura del ciclo:xima temperatura del ciclo:
4949
El rendimiento de los ciclosde turbinas a gas (VI)
• El rendimiento y el trabajo específico en estos ciclos evolucionan en función de la relación de compresión.
• Los valores máximos para cada uno de estos resultados no son coincidentes. Deberá adoptarse la relación de compresión de acuerdo al objetivo a cumplir.
• En las gráficas de la siguiente transparencia se muestran los ciclos Brayton, con la misma temperatura de entrada de turbina, diseñados para dos aspectos operativos diferentes:• obtener el máximo rendimiento.• obtener la máxima potencia específica.
5050
El rendimiento de los ciclosEl rendimiento de los ciclosde turbinas a gas (VII)de turbinas a gas (VII)EvoluciEvolucióón del rendimiento y potencia especn del rendimiento y potencia especíífica de fica de acuerdo a la relaciacuerdo a la relacióón de compresin de compresióón:n:
5151
El rendimiento de los ciclosde turbinas a gas (VIII)
• Se diseñan con relaciones de compresión grandes en utilizaciones con preponderancia de rendimientos del ciclo altos, típicamente centrales de carga base y turbinas de avión.
• Se diseñan con relaciones de compresión pequeñas en utilizaciones que requieren priorizar estas características:• valores elevados de la potencia específica, para el caso
de centrales de carga punta, que de esta manera reduce costos de inversión.
• alta temperatura de los gases de escape, objetivo adecuado en instalaciones de cogeneración y de ciclos combinados.
5252
Evolución de las turbinas a gas (I)
• Estas máquinas se han desarrollado significativamente en la segunda mitad del siglo XX.
• Suele reconocerse al año 1929 como la fecha inicial para estas máquinas, con el patentamiento en Inglaterra del primer turborreactor para aviación. Sus principales características eran:• relación de compresión igual a 4, lograda con un
compresor del tipo radial.• temperatura de gases de entrada de turbina del orden de
los 770 ºC.• 10 hs. de vida útil.
• En el año 1939 los alemanes volaron el primer avión propulsado por un turborreactor.
5353
Evolución de las turbinas a gas (II)
• La primera TG fabricada por una empresa norteamericana fue la W19A de Westinghouse, producida en 1943. Una de las importantes innovaciones que incluía era la utilización de un compresor axial. No obstante, no superaba una vida útil del orden de las 10 horas.
• A partir del año 1940, impulsados por las posibilidades de obtener un mayor poderío aéreo con aviones con turborreactores, se derivaron importantes cantidades de dinero para el desarrollo de estas máquinas. Esta evolución fue marcada por:• mayor vida útil.• mayor confiabilidad.• rendimientos térmicos mas elevados, resultado de diseños
mejorados de la aerodinámica de los alabes de la turbina y el compresor, por un lado.
• mejores rendimientos resultantes del continuo incremento de la temperatura de gases de entrada de la turbina.
5454
Evolución de las turbinas a gas (III)
En los primeros años de su irrupción en el mercado, las TGempleadas en generación evolucionaron:• a partir de los avances logrados en los turborreactores,
para los que dedicaban importantes capitales en investigación y desarrollo.
• considerando los diseños de las TV, apropiadamente avanzados en ese momento.
5555
Evolución de las turbinas a gas (IV)
• Las primeras plantas generadoras que se reconocen con desempeño técnico y costo operativo aceptables, funcionaron en el año 1954. Estas turbinas se identificaron como TG INDUSTRIALES.
• En los años siguientes, con mejores diseños aerodinámicos permitieron reducir el número de etapas del compresor y de la turbina, además de aumentar su rendimiento.
• La disponibilidad de nuevos materiales constructivos y las técnicas de refrigeración en las primeras etapas de la turbina permitieron el incremento paulatino de la temperatura admisible de los gases de entrada a la TG.
5656
Evolución de las turbinas a gas (V)
• La mejora de la competitividad de una TG se logra no solo con un mejor rendimiento de la turbina, sino también con mejoras en los ciclos termodinámicos, resultantes en potenciales significativos mejoramientos de la eficiencia.
• Estas mejoras no son aplicables a los turborreactores. Esto hace que este desarrollo no pueda usufructuar de las importantes partidas para investigación y desarrollo disponibles en la industria de la aeronavegación.
• Las mejoras de los ciclos termodinámicos se iniciaron en la década de los 50, con TG regenerativas e interrefrigeradas.
5757
Evolución de las turbinas a gas (VI)
• En la segunda mitad del siglo XX se verificó un crecimiento exponencial de la potencia instalada para generación, con máquinas TG. La ventaja de esta tecnología para abastecer los picos de demanda es el reducido tiempo de puesta en marcha, en relación a las TV.
• Continuaron los desarrollos en los ciclos basados en TG, con interrefrigeración, rerecalentamientos, inyección de vapor, ejes múltiples, etc..
• El único freno a estos perfeccionamientos fue la alternativa de los CICLOS COMBINADOS de TG con TV (CC TG+TV), que ofrecían mejores rendimientos que los alcanzables con un ciclo TG desarrollado.
5858
Evolución de las turbinas a gas (VII)
• Los requerimientos de la tecnología de los CC TG+TV hizo que las TG industriales sean diseñadas con bajas relaciones de compresión, para maximizar su trabajo específico.
• Esta característica las hace aptas, además, para su empleo en cogeneración y plantas de ciclo simple para la cobertura de los picos de demanda.
5959
Evolución de las turbinas a gas (VIII)
• La significativa dependencia, para las mejoras de las TG industriales, de la industria de la aeronavegación, se refleja en:• que los avances en la eficiencia de las TG se obtienen por
aplicación de tecnología de punta, como por ejemplo el empleo de nuevos materiales, mejoramientos aerodinámicos, o refrigeración de alabes.
• no se han aplicado intensivamente modificaciones de baja tecnología, como serían las mejoras del ciclo, que no pueden emplearse en los turborreactores.
• Estas mejoras del ciclo, de bajas inversiones en investigación y desarrollo, son la tarea pendiente para lograr importantes mejoras en las TG industriales.
6060
Los tipos de turbinas a gas industriales (I)
Las TG disponibles para la generación de energía eléctrica son:• Las ya mencionadas TG industriales.• Las denominadas TG AERODERIVADAS, cuya procedencia la
explica su nombre, con creciente potencia instalada en la industria de la generación. Se conforman por el motor de aviación, que es el generador de gases y una turbina de potencia que transforma la energía disponible en estos gases.
• Un tercer grupo es el de las TG industriales fabricadas por las empresas constructoras de turborreactores. El ejemplo más conocido es el de General Electric. Estas máquinas conforman ciclos diseñados para máximo trabajo específico que a su vez implementan todos los mejoramientos de los turborreactores.
6161
Los tipos de turbinas a gas industriales (II)
• En los últimos años, para competir agresivamente en el mercado de las TG de tecnología de punta, de han conformado consorcios de empresas fabricantes de TG industriales y de turborreactores,entre ellos:• Siemens (TG industriales) y Pratt & Whitney (aviación)• Westinghouse (TG industriales) y Rolls Royce (aviación)
• Estas máquinas del tercer grupo permiten alcanzar rendimientos térmicos del orden del 60% en esquemas de ciclos combinados.
6262
Otros ciclos con turbinas a gas (I)
• Estas variantes resultaron de los avances de la industria de losturborreactores y para aplicaciones en cogeneración con TG, de buen desempeño en procesos de demanda variable de vapor. Pueden mencionarse:• el ciclo con turbina de inyección de vapor (STIG: steam-
injected gas turbine).• el ciclo interrefrigerado con turbina de inyección de vapor
(ISTIG: intercooled STIG).
6363
Otros ciclos con turbinas a gas (II)
• Los ciclos STIG / ISTIG pueden pensarse como un CICLO COMBINADO que utiliza una única turbina para la expansión de los gases de la combustión de la TG y para el vapor.
• En ellos con los gases de escape de la TG se genera vapor a la presión de la cámara de combustión, se lo inyecta en la misma elevándose su temperatura a la de la masa de los gases de combustión, y se expansiona en la turbina mezclado con estos gases.
• El resultado de este proceso es el incremento de la potencia y del rendimiento de la TG, efecto del aumento del flujo másico y del calor específico del fluido de trabajo que expansiona en la turbina.
6464
Otros ciclos con turbinas a gas (III)
• En relación al combustible requerido en los ciclos STIG / ISTIG, los diseños posibles son:• aumentar su consumo, de modo de calentar la mezcla
resultante del vapor inyectado a los gases de la combustión a la temperatura nominal de ingreso a la turbina. En este caso el aumento de trabajo de la turbina supera ampliamente el mayor consumo de combustible, resultando mayores el trabajo específico y el rendimiento del ciclo.
• mantener constante la potencia de la máquina. En esta condición, por la inyección del vapor disminuye la temperatura de ingreso a la turbina, que adicionalmente prolonga su vida útil, y disminuye el consumo de combustible.
6565
Otros ciclos con turbinas a gas (IV)
• En los ciclos STIG / ISTIG puede emplearse una TG aeroderivada, ya que:• el vapor no es calentado exclusivamente por los gases de
escape de la turbina, de menor temperatura que en una TG industrial.
• estas turbinas están diseñadas para admitir un gasto másico superior al nominal, caso que se produce con la inyección del vapor.
• Muchos diseñadores opinan que estos ciclos podrían sustituir en un futuro cercano a unidades de ciclo TV y hasta a los CC TG+TV.
• Pueden utilizar gasificación de carbón y de biomasa.
6666
El rendimiento y el trabajo específico enuna turbina a gas (I)
• La potencia de una TG está limitada por el caudal que puede circular por la última rueda de alabes de la turbina. A comienzos de los años 90 las TG industriales han alcanzado este valor límite.
• A partir de los años 70, el desarrollo de las TG se ha ido produciendo, a medida que los materiales de los alabes lo permitieron y del desarrollo de técnicas para su refrigeración, por el aumento de la temperatura admisible de los gases de entrada a la turbina. Los 770 ºC iniciales se han casi duplicado, llegando en la actualidad a valores del orden de los 1450 ºC.
6767
El rendimiento y el trabajo específico enuna turbina a gas (II)
La IMPORTANTE opción pendiente (ya citada) para el incrementode las prestaciones de la TG es su utilización con ciclos máseficientes. Estos ciclos mejorados permitirían alcanzar:• Rendimientos por encima del 60 % en CC TG+TV.• Rendimientos del orden del 55 % en un ciclo desarrollado de
solo TG. Este ciclo, competitivo con los CC TG+TV, no requiere del ciclo vapor, hecho que conlleva las siguientes ventajas:• operación y mantenimiento más sencillos y por ende, más
baratos.• menores emisiones contaminantes que el CC, por la
humidificación.• mejor rendimiento a cargas parciales que el CC.• reducción de hasta un 20 % en los costos de inversión
específicos respecto al CC.• menores tiempos de arranque en frío.
6868
El rendimiento y el trabajo específico enuna turbina a gas (IIIa)
Las posibilidades de mejoras en un ciclo Brayton paraincrementar su eficiencia son:• Recalentado: este proceso divide la expansión de los gases en
varias etapas de la turbina, aportando energía térmica adicional entre ellas.
• Interrefrigerado: es el enfriamiento del aire entre etapas del compresor, reduciendo la demanda de trabajo para su compresión.
• Regeneración: se precalienta el aire de salida del compresor con los gases de escape de la turbina, resultando un ahorro de energía térmica de aporte en la cámara de combustión.
6969
El rendimiento y el trabajo especEl rendimiento y el trabajo especíífico enfico enuna turbina a gas (una turbina a gas (IIIbIIIb):):ComparaciComparacióón entre ciclos:n entre ciclos:
7070
El rendimiento y el trabajo especEl rendimiento y el trabajo especíífico enfico enuna turbina a gas (una turbina a gas (IIIcIIIc):):Rendimiento ciclos con temperatura entrada turbina:Rendimiento ciclos con temperatura entrada turbina:
7171
El rendimiento y el trabajo específico enuna turbina a gas (IVa)
• La disipación del calor residual del ciclo en una TG no perturba en ningún caso el rendimiento del ciclo, ya que se descargan en la atmósfera, cualquiera sean sus condiciones.
• La temperatura ambiente en cambio modifica las condiciones del aire, que a su vez varía el trabajo requerido para comprimirlo y por tanto el rendimiento. Un aumento de la temperatura ambiente incrementa el trabajo de compresión del aire resultando, a trabajo entregado por la turbina constante, una disminución del rendimiento de la TG.
• La disminución de la presión atmosférica, por ejemplo con la altura de trabajo, no afecta demasiado el rendimiento de la TG. En realidad esto ocurre por el efecto significativo sobre lapotencia de la turbina de gas que produce la reducción de la densidad del aire.
7272
El rendimiento y el trabajo especEl rendimiento y el trabajo especíífico enfico enuna turbina a gas (una turbina a gas (IVbIVb):):La dependencia del rendimiento de una TG con la La dependencia del rendimiento de una TG con la temperatura ambiente (temperatura ambiente (TambTamb):):
7373
El rendimiento y el trabajo especEl rendimiento y el trabajo especíífico enfico enuna turbina a gas (una turbina a gas (IVcIVc):):La variaciLa variacióón de la potencia eln de la potencia elééctrica de una TG con ctrica de una TG con msnmmsnm y y TambTamb::
7474
LOS CICLOS COMBINADOS
7575
Una primera noción (I)
• Se llama CICLO COMBINADO a una planta de potencia con las siguientes características:• en ellas funcionan al mismo tiempo diferentes motores
térmicos.• se vinculan entre ellos por medio de diversas ligaduras
másicas o energéticas.
7676
Una primera noción (II)
• La ventaja de los CICLOS COMBINADOS es el aprovechamiento del calor residual de uno de los motores como energía aportada a otro de los motores.
• Con este recurso se recobra una porción de la exergíacontenida en el calor residual, con trabajo ejecutado a partir de ella.
• La conjunción de estos aprovechamientos energéticos + exergéticos resultan en una mejor utilización de la energía.
• La aplicación tecnológica más empleada son los ciclos combinados TG+TV, con los que a la fecha se han logrado los menores costos variables en centrales térmicas.
7777
Una primera noción (III)
• Las primeras propuestas y construcción de CICLOS COMBINADOS se produjeron hace casi 100 años atrás.
• Con las tecnologías disponibles en ese momento, los ciclos empleados eran del tipo Rankine de diferentes fluidos, como por ejemplo mercurio y agua.
• Con la aparición en el mercado de las TG surgió la posibilidad del CC TG+TV. Sin mayores beneficios sobre los ciclos TV convencionales, recién a partir de los años 60, con las mejoras producidas en los turborreactores, el rendimiento mejorado obtenible los convirtió en la mejor elección para la producción de grandes volúmenes de energía.
7878
La razones de la elección de unciclo combinado• Esta tecnología brinda el mejor rendimiento, y por tanto el
menor costo, para una planta térmica de generación. La masiva elección de esta tecnología para el servicio de abastecimiento de energía térmica han básicamente contribuido dos razones:• los incrementos admitidos en la temperatura de entrada
de la TG, que acarrea un mayor rendimiento de la turbina y temperaturas más altas de los gases de escape. Y estos gases más calientes aportan una mayor energía térmica al ciclo de potencia que la admite como entrada.
• la utilización del gas natural como combustible, por la reducción de emisiones de CO2 producto de su combustión, en comparación a otros hidrocarburos. Su empleo en una TG brinda notables ventajas comparativas. Además, admite una mayor reducción de la temperatura de salida del equipo recuperador de calor, por su bajo tenor de azufre, que significa haber recuperado mayor energía para el ciclo de potencia vinculado.
7979
Las instalaciones de los ciclos combinados
• En un CICLO COMBINADO dos o más plantas de potencia se acoplan compartiendo fluidos de trabajo y/o flujos de calor. Se integra con los ciclos que se desarrollan en las plantas de potencia vinculadas, más los acoplamientos necesarios.
• Estos acoplamientos pueden ser de dos tipos:• externos• internos
8080
Los ciclos combinados deacoplamiento interno
• Son dos las posibilidades que se presentan para estos CC:• en los de acoplamiento másico, los ciclos elementales
comparten el mismo fluido de trabajo. Es el caso del ciclo Field, compuesto por un Brayton regenerativo y un Rankine regenerativo, con vapor de agua.
• en los de acoplamiento térmico, los ciclos elementales reciben energía térmica en un mismo punto. Se los suele mencionar como ciclos combinados en paralelo. Un ejemplo de este tipo de planta es el ciclo STIG.
8181
Los ciclos combinados deacoplamiento externo
• Este acoplamiento es siempre térmico, y en el mismo el ciclo de menor nivel térmico (de cola) aprovecha la energía térmica residual del ciclo de mayor nivel térmico (de cabecera).
• Estas configuraciones son las más utilizadas en la actualidad, en un elevado número de configuraciones. Una de ellas en es el ampliamente construido CC TG+TV.
• Suelen denominarse ciclos combinados en serie.
8282
Los ciclos combinados en serie
• Pueden ser de diferentes tipos:• el ciclo de cola funciona solamente con el calor residual
del ciclo de cabecera.• el ciclo de cola funciona con el calor residual del ciclo de
cabecera al que se agrega el suministro directo de energía térmica (ej.: calderas de recuperación con quemadores: postcombustión).
8383
La conveniencia termodinámica de losciclos combinados en serie
• El ciclo de cola aprovecha parte de la exergía de la energía residual del ciclo de cabecera.
• La idea de los ciclos combinados surge de la expresión del rendimiento termodinámico de un ciclo de potencia:
η = 1 – ( Tentr / Tsal )donde Tentr es la temperatura media de entrada y Tsal la de salida del ciclo.
• De la expresión puede deducirse que cuanto mayor sea Tentr y menor sea Tsal, tanto mayor será el rendimiento del ciclo.
8484
La temperatura de entrada de losciclos combinados construidos (I)
• Los ciclos termodinámicos de aire (Brayton) permiten alcanzar Tentr notablemente superiores a, por ejemplo, los ciclos de agua (Rankine).
• El ciclo Rankine requiere presiones de trabajo elevadas, que son soportadas por una cantidad importante de equipos (circuito de agua de alimentación, caldera, turbina a vapor). Esto hace que se defina una temperatura máxima de trabajo, limitada a la permitida por los materiales de todos esos equipos.
8585
La temperatura de entrada de losciclos combinados construidos (II)
• Estas temperaturas de entrada de los ciclos Rankine son significativamente menores a las de un ciclo Brayton, que opera con menores presiones y en el que los materiales expuestos a las altas temperaturas del ciclo son muy inferiores.
• Para el mismo ciclo, la Tentr dependerá del fluído de trabajo. Así por ejemplo un ciclo Rankine con mercurio o potasio podrá operar a mayores temperaturas sin requerir presiones tan elevadas.
8686
La temperatura de salida de losciclos combinados construidos
• En el ciclo Brayton la Tsal es siempre muy superior a la temperatura ambiente.
• En el ciclo Rankine la Tsal es la de condensación, valor muy cercano a la temperatura ambiente.
• Comparando fluidos de trabajo, un ciclo Rankine con agua alcanza Tsal inferiores que uno operando con mercurio. Si, en cambio, el fluido utilizado es amoníaco, la Tsal podrá ser menor que si se emplea agua.
8787
Los ciclos combinados construidos
• En estos ciclos, se combinan ciclos y fluidos de trabajo para lograr altas temperaturas de entrada y bajas temperaturas de salida, resultando elevados rendimientos termodinámicos.
• Algunos de los ciclos combinados construídos son:• Rankine mercurio + Rankine agua• Rankine potasio + Rankine agua• Rankine agua + Rankine amoníaco• Brayton aire (TG) + Rankine agua (TV), con varias
alternativas.• Acoplamiento serie paralelo de los ciclos Brayton y
Rankine (STIG)• Ciclos Brayton y Rankine operando a 2 o 3 presiones,
con acoplamiento másico interno y calentamiento en paralelo.
8888
Plantas de ciclo combinado TG + TV
• Estos ciclos son los más desarrollados al presente, siendo la mejor alternativa técnico- económica para la elección de una central térmica convencional.
• Si bien las configuraciones propuestas han sido múltiples, es posible diferenciar dos conceptos de diseño distintos:• ciclos Brayton y Rankine dispuestos en serie, en los que
los gases de escape de la TG suministran energía térmica al ciclo Rankine.
• ciclos con acoplamiento térmico interno, en los que en la caldera principal se aporta energía térmica a los ciclos Brayton y Rankine, de esta manera dispuestos en paralelo.
8989
LOS CICLOS COMBINADOS EN SERIE
9090
Ciclos combinados TG + TV en serie (I)
• Una clasificación posible es de acuerdo a la ponderación de la energía térmica suministrada por los gases de escape de la TG en el total de la energía aportada al ciclo Rankine.
• Con este criterio, se reconocen tres tipos diferentes de estos ciclos.
9191
Ciclos combinados TG + TV en serie (II)
Caso 1:• Los gases de escape de la TG proveen la totalidad de la
energía térmica del ciclo Rankine.• El equipo de acoplamiento es un intercambiador de calor
convectivo.• Es la llamada caldera de recuperación de calor o HRSG, que
son las siglas de la denominación en inglés (Heat RecoverySteam Generator).
• Esta configuración es la más aplicada en los ciclos combinados en operación.
• La TG tiene una potencia del orden del doble de la TV.
9292
Ciclos combinados TG + TV en serie (III)
Caso 2:• Antes de su ingreso en la HRSG, los gases de escape de la TG
reciben un aporte de calor adicional.• El calor agregado resulta de la combustión de combustible
fósil, aprovechando como comburente el exceso de aire en los gases de escape.
• El aporte térmico de los gases de escape sigue siendo el más importante, aunque el aporte de calor adicional permite la utilización de una TV de mayor potencia.
• También permite mayores grados de libertad en el diseño del ciclo de cola.
9393
Ciclos combinados TG + TV en serie (IV)
Caso 3:• Los gases de escape son el comburente en la caldera del ciclo
de Rankine, en la que se quema el combustible para obtener la producción necesaria de vapor.
• El aporte principal de la energía térmica al ciclo de cola es la del combustible fósil quemado.
• En estas configuraciones la potencia de la TV es mayor que la de la TG.
• Estos esquemas son los habitualmente definidos para el reciclado de centrales de ciclo Rankine.
9494
LOS CICLOS COMBINADOS EN PARALELO
9595
Ciclos combinados TG + TV en paralelo
• En estos ciclos se concreta un acoplamiento térmico interno.• Este acoplamiento es para el aporte de energía térmica en la
caldera principal a los ciclos Brayton y Rankine.• Estos esquemas tienen los ciclos en paralelo. Uno típico es el
de las plantas de combustión de carbón en lecho fluido a presión (PFB).
9696
Los aportes de potencia en losciclos combinados TG + TV (I)
• En los diferentes esquemas, los porcentajes de potencia aportados por la TG y por la TV pueden ser significativamente diferentes:• en un ciclo con HRSG sin postcombustión, la TG aporta el
66% de la potencia total del ciclo.• en otro escenario, en un reciclado serie la TG aporta en
el orden del 10 al 30% de la potencia total del ciclo.
9797
Los aportes de potencia en losciclos combinados TG + TV (II)
• De acuerdo al caso, las medidas a adoptar para aumentar el rendimiento térmico de la instalación deberán ir dirigidas al ciclo TG o al ciclo TV.
• En un ciclo combinado que emplea una HRSG sin postcombustión las acciones más adecuadas serán las tendientes a mejorar el rendimiento de la TG.
• En un reciclado serie se deberá hacer hincapié en incrementar el rendimiento del ciclo Rankine. Como este ciclo preexiste a la repotenciación, en general no se obtienen mejoras importantes en el mismo.
9898
El ciclo combinado TG + TV conHRSG sin postcombustión (I)
• La principal limitación de este esquema está en el proceso de intercambio de calor en la HRSG, entre los gases de escape y el agua – vapor.
• Si el ciclo de Rankine de la planta es de una única presión, el resultado es un elevado punto de estricción (Pinch Point). Esto resulta en una gran irreversibilidad y por tanto una pérdida de exergía.
• La presión de trabajo es un valor de compromiso que resulta de:• un valor suficientemente elevado, que reduce la
irreversibilidad del proceso de intercambio de calor.• un valor suficientemente bajo para disminuir la energía de
los gases de escape en chimenea.
9999
El ciclo combinado TG + TV conHRSG sin postcombustión (II)
• Los ciclos actuales implementan ciclos de Rankine con 2 o 3 presiones de trabajo. Con estos diseños se logra:• reducir los problemas y limitaciones del punto de
estricción.• aprovechar mejor la exergía de los gases de escape.
100100
El ciclo combinado TG + TV conHRSG sin postcombustión (III)
• Expongamos algunos valores, que han sido tan importantes para decidir las evoluciones técnicas de los ciclos:• adoptemos como valor de referencia al rendimiento de
una planta con ciclo de cola de 2 presiones sin recalentamiento.
• un ciclo Rankine de 3 presiones o de 2 presiones con recalentamiento, mejora un 0,6% el valor de referencia.
• un ciclo Rankine de 3 presiones con recalentamiento, mejora un 1,2% el valor de referencia.
101101
El ciclo combinado TG + TV conHRSG sin postcombustión (IV)• En relación al rendimiento, es importante señalar:
• las irreversibilidades resultado del intercambio de calor en una HRSG son muy inferiores a las que se producen en una caldera de ciclo Rankine convencional, por ser mucho menores las diferencias de temperatura entre los gases calientes y el vapor, aún a una única presión de trabajo del circuito agua / vapor.
• el resultado es mejor aún cuando el diseño contempla varias presiones de evaporación, ya que los precalentadores y sobrecalentadotes / recalentadores se van distribuyendo en paralelo en el flujo de gases de la HRSG para reducir las irreversiblidades.
• como el único aporte de calor al ciclo es el de entrada de la TG, el mayor rendimiento se obtendrá para la mayor potencia del ciclo de Rankine. Para obtener mas trabajo disponible en la TV los diseños no contemplan regeneración en el ciclo de cola.
102102
El ciclo combinado TG + TV conHRSG sin postcombustión (V)
Volvamos sobre los parámetros de diseño de una TG:• Uno de ellos es la temperatura fin de combustión. Cuanto
mayor sea esta temperatura, mayores resultan tanto el rendimiento de la TG como del CC.
• Relacionado a la relación de compresión (RC), recordemos que el máximo rendimiento en una TG se obtenía para RC en el orden de 25, mientras que para la TG participando de un CC TG+TV una RC del orden de 16 resulta en el mejor rendimiento del ciclo combinado.
103103
El ciclo combinado TG + TV conHRSG sin postcombustión (VI)
Volvamos sobre los parámetros de diseño de una TG (cont.):• En cuanto a la influencia relativa de estos dos parámetros
resulta:• en la TG, el aumento de la RC hacia el valor óptimo
produce un incremento del rendimiento de su ciclo más significativo que el aumento de la temperatura fin de combustión.
• en cambio, en el CC un aumento de la temperatura fin de combustión tiene mayor influencia en el rendimiento del ciclo combinado que el aumento de la RC de la TG hacia el valor óptimo.
104104
El ciclo combinado TG + TV conHRSG sin postcombustión (VII)
Cómo influye la temperatura ambiente Tamb en losrendimientos de la TG y del CC?• Al aumentar Tamb, disminuye la densidad del aire y por tanto
aumenta considerablemente el trabajo de compresión necesario en el compresor de la TG. Este incremento es muy superior a la reducción resultante del aporte de calor en la cámara de combustión.
• En cambio, la evolución de la turbina de la TG no sufre cambios. El resultado para la TG es una importante reducción del rendimiento de su ciclo.
105105
El ciclo combinado TG + TV conHRSG sin postcombustión (VIII)
Cómo influye la temperatura ambiente Tamb en losrendimientos de la TG y del CC? (cont.)• En el CC TG+TV el efecto del aumento de Tamb se atenúa por
el aporte de la potencia de la TG a la total del CC.• En la TV, el aumento de Tamb afecta sensiblemente a la
presión de condensación de su ciclo, resultando una notable reducción del rendimiento del ciclo de Rankine al aumentar ésta. Esta relación entre Tamb y la presión en el condensador dependerá del sistema de enfriamiento disponible en la planta.
• El resultado para la TV tiene un efecto mayor en el CC que la reducción de la potencia de la TG
106106
El ciclo combinado TG + TV conHRSG sin postcombustión (IX)
• A carga parcial, el rendimiento del CC empeora más significativamente que en una central térmica convencional, debido a la reducción que tiene el rendimiento de la TG.
• Por ello, cuando es posible, en aquellas plantas que deban operar a cargas parciales se disponen varias TG en paralelo que alimentan una TV.
107107
El ciclo combinado TG + TV conEl ciclo combinado TG + TV conHRSG sin HRSG sin postcombustipostcombustióónn (X)(X)Esquema de los equipos y sus circuitos deEsquema de los equipos y sus circuitos deacoplamiento y vinculaciacoplamiento y vinculacióón:n:
108108
El ciclo combinado TG + TV conEl ciclo combinado TG + TV conHRSG sin HRSG sin postcombustipostcombustióónn (XI)(XI)El proceso termodinEl proceso termodináámico para este tipo de ciclos es:mico para este tipo de ciclos es:
109109
El ciclo combinado TG + TV conEl ciclo combinado TG + TV conHRSG sin HRSG sin postcombustipostcombustióónn (XII)(XII)EvoluciEvolucióón del rendimiento de estos ciclos con lan del rendimiento de estos ciclos con latemperatura fin de combustitemperatura fin de combustióón de la TG:n de la TG:
110110
¿QUÉ ES UNA REPOTENCIACIÓN?
111111
LA REPOTENCIACIÓN EN SERIE
112112
La repotenciación en serie (I)
• Es el proceso convencional de repotenciación de una planta térmica del tipo TV, con el objeto de aumentar su rendimiento y potencia.
• Se agrega una TG en cabecera de un ciclo Rankine.• La potencia de la TG resulta del orden del 10 al 30% de la
potencia total del nuevo CC obtenido.
113113
La repotenciación en serie (II)
• Los ciclos Rankine preexistentes son muy regenerativos.• En este tipo de repotenciación, este recurso de mantiene ya
que contribuye a aumentar el rendimiento de su ciclo, dado que en este caso la mayor parte de la energía térmica se aporta a la caldera del ciclo Rankine con la combustión del combustible utilizado en la planta antes de la repotenciación.
• En estos esquemas, se sustituye parcialmente el aire para la combustión en la caldera del ciclo de la TV por los gases calientes de salida de la TG.
114114
La repotenciación en serie (III)
• La temperatura de los gases calientes de salida de la TG eleva la temperatura del comburente de la caldera convencional.
• Por ello, no tiene sentido la utilización de un precalentador de aire, habitualmente presente en las calderas de ciclos TV.
• Esta energía no empleada en el precalentador de aire se utiliza para mejorar el rendimiento del CC.
• Es así que el caudal de agua que en los ciclos convencionales es precalentada en forma regenerativa en los precalentadores del ciclo Rankine, se divide en dos circuitos: uno que continúa por los precalentadores y otro que precalienta el agua con los gases de escape de la caldera.
115115
La repotenciación en serie (IV)
• Estas mejoras han sido masivamente empleadas para el aumento de las prestaciones de las centrales que preferentemente quemaban carbón.
• Con el transcurrir del tiempo algunos hechos han incidido desfavorablemente para la concreción de estos esquemas de repotenciación. Estos han sido:• la evolución de las condiciones operativas de las TG.• la legislación referente a emisiones contaminantes en
centrales termoeléctricas.
116116
La repotenciación en serie (V)
• Las nuevas TG de gran rendimiento aceptan elevadas temperaturas de fin de combustión y en consecuencia a elevadas temperaturas de los gases de escape (del orden de los 600 ºC).
• Estos valores de temperatura conducen a la necesidad de emplear aleaciones especiales (de Cr-Mo) en los canales de conducción de los gases calientes y en la caldera.
• Esta situación puede impedir la utilización de la caldera del ciclo TV original, con el consecuente encarecimiento del proceso de repotenciación.
117117
La repotenciación en serie (VI)
• La combustión del carbón requiere que el comburente contenga al menos un 15% V/V de oxígeno y que tenga una temperatura de 450 ºC.
• Estas condiciones permiten asegurar el encendido y la estabilidad de la llama con este combustible.
118118
La repotenciación en serie (VII)
• Las TG de los años 80 quemaban con grandes excesos de aire para resolver las limitaciones de los materiales entonces utilizados. Con estas máquinas era posible alcanzar las condiciones del comburente para quemar carbón, sin el agregado o con mínimo adicionado de aire.
• En cambio, las TG de los años 90, por la mejora de los materiales ya no se agregaba tanto aire en exceso. Esto resultaba en la necesidad de agregar en el orden del 25% de aire al comburente. En casos de potencias grandes de la TG frente a la TV ya no era posible emplear la totalidad de los gases de escape en la caldera convencional.
• El resultado de este menor aprovechamiento de la energía térmica de los gases de escape de la TG, es la reducción del rendimiento del CC.
119119
La repotenciación en serie (VIII)
Otro problema en estos esquemas de repotenciación estárelacionado a los equipos de eliminación de NOx:• Si previamente no se ha eliminado el azufre, en los reactores
catalíticos selectivos (SCR) empleados se forma bisulfito de amonio, sustancia que condensa en los intercambiadores de calor ubicados aguas abajo, ensuciando su superficie.
• El proceso de limpieza es dificultoso y en consecuencia se deteriora la transferencia de calor recuperado de los gases de escape. Para que esto no ocurra el SCR debe ubicarse aguas abajo del sistema de desulfuración.
• Como el SCR requiere operar a temperaturas de entre 250 ºCy 350 ºC, se hace necesario calentar los gases de escape antes de entrar a este equipo, proceso que reduce en rendimiento total de la planta.
120120
La La repotenciacirepotenciacióónn en serie (IX)en serie (IX)Esquema tEsquema tíípico de esta pico de esta repotenciacirepotenciacióónn convencional:convencional:
121121
LA REPOTENCIACIÓN EN PARALELO
122122
La repotenciación en paralelo (I)
• Esta propuesta tecnológica se originó a comienzo de los años 90, para resolver los problemas que la evolución de las TG y las mayores exigencias medioambientales produjeron en los esquemas de repotenciación en serie.
• En este tipo de repotenciación la potencia de la TG es del orden del 10 al 40% de la potencia total del CC.
• Se combinan las características del CC TG+TV con HRSG y las de la repotenciación en serie, permitiendo la utilización de cualquier combustible en la caldera convencional.
123123
La repotenciación en paralelo (II)
• En este esquema, el agua condensada del ciclo Rankine se precalienta, evapora y sobrecalienta en paralelo, por medio de los gases de escape de la TG en la HRSG y por la caldera convencional del ciclo Rankine.
• Se obtienen rendimientos comparables a los de la repotenciación en serie y la prolongación de la vida útil de la caldera convencional.
• Con la energía térmica de salida de la caldera del ciclo de Rankine se precalienta el aire de combustión.
• Esta configuración no precalienta el agua del ciclo de Rankinecon los gases de salida de la caldera convencional (lo hace la HRSG). Por esto, es posible utilizar los SCR en la vena de gases calientes de la combustión, antes del sistema de desulfuración.
124124
La repotenciación en paralelo (III)
Las ventajas de este diseño son:• Total grado de libertad para utilizar cualquier combustible,
por no existir limitaciones de concentraciones de oxígeno en el comburente.
• Aumento de la vida útil de la caldera del ciclo Rankine por reducción de su presión de operación. Es posible reducir el caudal másico de vapor en el cuerpo de alta presión de la TV si el vapor generado en la HRSG se ingresa en el cuerpo de media presión de la misma.
• Mejor rendimiento global con carbón que con la repotenciación en serie al no requerirse un nuevo calentamiento de los gases de escape antes de los SCR.
125125
La repotenciación en paralelo (IV)
Las ventajas de este diseño son: (cont.)• Operando sin la TG, la planta de ciclo Rankine tiene mejor
rendimiento que la de del esquema de repotenciaciónconvencional, al mantener operativo un sistema precalentador de aire.
• El calor perdido en los gases de escape es inferior que con la repotenciación en serie, aún sin el equipamiento de reducción de NOx. Ello ocurre fundamentalmente por la óptima utilización de la energía térmica de los gases de escape de la HRSG, que abandonan el equipo a temperaturas en el orden de los 90 ºC. Estas bajas temperaturas son posibles por el bajo contenido de azufre del gas natural, que es el combustible habitualmente quemado en las TG.
126126
La La repotenciacirepotenciacióónn en paralelo (V)en paralelo (V)Esquema tEsquema tíípico de esta pico de esta repotenciacirepotenciacióónn::
127127
LAS COMPUERTAS DERIVADORAS
128128
La función de la compuerta derivadora
• Esta compuerta también se conoce como damper o diverterdamper.
• Se ubica en el conducto de gases calientes de salida de la TG, entre ésta y la HRSG.
• Es el componente primordial para lograr la independencia de los ciclos térmicos TG y TV.
• Con ella es posible concretar o desvincular el acoplamiento térmico entre el ciclo de cabecera y el de cola.
129129
La Independencia de los Ciclos (I)
La compuerta derivadora conduce los gases calientes de escapede la TG:• o a la HRSG, que es el equipo en el se concreta el
acoplamiento térmico de los ciclos, con la transferencia de calor de los gases calientes al agua del ciclo agua / vapor; esta modalidad de trabajo se llama operación en ciclo cerrado o, propiamente, ciclo combinado.
• o a la atmósfera; esta modalidad de trabajo se llama operación en ciclo abierto.
130130
La Independencia de los Ciclos (II)
• Estas modalidades de trabajo brindan una mayor flexibilidad de opciones operativas.
• Si la instalación se conformara con más de una TG, estas compuertas permiten la operación en ciclo abierto de una o más TG, y el funcionamiento en ciclo combinado de las restantes TG.
• Una condición operativa particular, y a su vez la más conveniente, es con todas las TG trabajando en ciclo cerrado.
131131
La Independencia de los Ciclos (III)La Independencia de los Ciclos (III)Esquema de una compuerta Esquema de una compuerta derivadoraderivadora. En ciclo combinado: . En ciclo combinado: posiciposicióón horizontal. En ciclo abierto: posicin horizontal. En ciclo abierto: posicióón vertical.n vertical.
132132
El accionamiento de unacompuerta derivadora (I)
• Estos equipos críticos para los ciclos combinados deben funcionar con elevada confiabilidad en su servicio.
• Este requerimiento se obtiene con un sistema hidráulico de comando, con todos los elementos para la obtención de la potencia necesaria para mover la compuerta, incluida una reserva por indisponibilidad de energía de accionamiento de bombas.
• En general, su operación reconoce dos modalidades de trabajo:• una habitual en situación de arranque y movimiento de
carga normal del ciclo combinado.• la otra en el contexto de emergencia.
133133
El accionamiento de unacompuerta derivadora (II)
• Un caso particular de intervención de las compuertas derivadoras es el de la ocurrencia de una falla en cualquiera de los equipos del ciclo vapor.
• En tal escenario de falla operan en el modo de cierre rápido.• De esta manera concretan un rol fundamental en la operativa
de un ciclo combinado, que es independizar el funcionamiento de las TG del ciclo TV, permitiendo la continuidad de su marcha.
• De acuerdo a criterios operativos predefinidos, las TG podrían mantener su carga o, si dispusieran de la reserva necesaria, tomar la carga llevada por la TV.
134134
CICLOS COMBINADOS EN OPERACIÓN
135135
136136
137137
138138
139139
140140
141141
142142
143143
144144
145145
146146
147147
148148
149149
150150
151151
152152
153153
154154
155155
156156
157157
158158
159159
160160
161161
162162
163163
164164
165165
166166
FIN
