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CENTRALES TÉRMICAS DECICLO COMBINADO
CICLO COMBINADO
Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la
coexistencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno
cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es
un gas producto de una combustión o quema.
CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Una central de ciclo combinado es una central eléctrica en la que la
energía térmica del combustible es transformada en electricidadmediante dos ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de
gas, generalmente gas natural, mediante combustión ciclo Brayton! y el
convencional de agua"turbina de vapor ciclo Rankine!.
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#squema del funcionamiento de una central de ciclo combinado
1.$%eneradores eléctricos2.$&urbina de vapor 3.$'ondensador.4.$(omba impulsora5.$)ntercambiador de calor 6.$&urbina de gas
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#squema del funcionamiento de una central de ciclo combinado
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CICLO COMBINADO A CONDENSACIÓN
Una variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, es el
ciclo combinado a condensación que se reali1a en procesos
estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran capacidad de
regulación ante demandas de vapor muy variables.
#l proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración
consiste en evacuar gases a través del 2bypass3 cuando la demanda
de vapor es menor a la producción y utili1ar la post$combustióncuando sucede lo contrario.
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(ajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptación a
la demanda de vapor, debido a una importante disminución en el
rendimiento de recuperación, ya que los gases de escape mantienen
prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura.
4or ello, las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constan$
tes, y la planta deja de cumplir los requisitos de rendimiento.
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COGENERACIÓN
-os sistemas de intercambio de cogeneración son sistemas de
producción en los que se obtiene simultáneamente energía
eléctrica y energía térmica útil partiendo de un único combustible .
l generar electricidad con una turbina, el aprovec5amiento de la
energía primaria del combustible es del 678 al 978, lo demás se pierde
en forma de calor . Al cogenerar se puede llegar a aprovechar del
7! al "#! de la energía que entrega el combustible. -a mejora dela eficiencia térmica de la cogeneración se basa en el aprovec5amiento
del calor residual de los sistemas de refrigeración de las turbinas de gas
para la generación de electricidad.
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#l gas natural es la energía primaria más utili1ada para el
funcionamiento de las centrales de cogeneración de electricidad y
calor, las cuales funcionan con turbinas de gas. *o obstante, también
se pueden utili1ar $uentes de energía renovables y residuos
como biomasa o residuos que se incineran.
demás, esta tecnología reduce el impacto ambiental debido al mejor
aprovec5amiento de la energía primaria que implica. Si se tiene en
cuenta que para producir una unidad eléctrica por medios conven$
cionales se necesitan 9 unidades térmicas, mientras que en cogene$ración se necesitan ,7 unidades, la cantidad total de agentes
contaminantes emitidos se verá disminuida en un #!.
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Una 'entral &érmica de 'iclo 'ombinado es un planta de producción
de energía eléctrica basada en dos máquinas térmicas, con dos ciclos
térmicos diferentes: turbina de gas y turbina de vapor .
#l calor no utili1ado por uno de los ciclos la turbina de gas! se empleacomo fuente de calor del otro el ciclo agua$vapor que alimenta la
turbina de vapor!. e esta forma los gases calientes de escape del
ciclo de turbina de gas entregan la energía necesaria para el
funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. #sta configuración
permite un muy eficiente empleo de combustible, con rendimientos
que superan el 778 es decir, más del 55% de la energía contenida
en el combustible se convierte en energía eléctrica!.
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-a energía obtenida en estas instalaciones puede ser utili1ada, además de la
generación eléctrica, para calefacción a distancia y para la obtención de vapor de
proceso.
#n la figura siguiente se muestra un esquema simplificado de un circuito típico de
un ciclo combinado para generación de energía eléctrica, de un sólo nivel de
presión.
#l aire aspirado desde el ambiente ingresa a la turbina de gas, es comprimido por
un compresor, a continuación se me1cla con el combustible en la cámara de
combustión para su quemado. #n esta cámara el combustible ingresa atomi1ado.
-os gases de combustión calientes se e;panden luego en la turbina de e;pansión
proporcionando el trabajo para la operación del compresor y del generador eléctrico
asociado al ciclo de gas.
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Esquema de fun!"nam!en#" de una en#$a% de C!%" C"m&!nad"
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CENTRAL TÉRMICA DECICLO COMBINADO
#n la caldera de recuperación el agua pasa por tres tipos de sectores:
! 'conomi(adores, que elevan la temperatura del agua 5asta
casi la temperatura de ebullición
6! -os sectores de evaporación, situados en la 1ona central de la
caldera, donde se produce el cambio de fase líquido$vapor apenas
se eleva la temperatura, sólo se vapori1a el agua!.
9! -os sectores de sobrecalentamiento, que 5acen que el vapor
adquiera un mayor nivel energético, aumente su entalpía,
aumentando su temperatura. #stá situado en la 1ona más
pró;ima al escape de la turbina, donde la temperatura es más alta,
7>> ?' o más.
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#l vapor producido se e;pande a5ora en una turbina de vapor. #l vapor pierde
su energía y se vuelve a condensar en el condensador, a presión inferior a la
atmosférica.
-a unión de los dos ciclos, la turbina de gas y la de vapor, permite producir más
energía que un ciclo abierto, y por supuesto, con un rendimiento energéticomayor, pues aprovec5a el calor contenido en los gases de escape de la turbina
de gas, que se tirarían a la atmósfera a través de la c5imenea. e esta forma,
el rendimiento supera el 77 8, cuando una turbina de gas rara ve1 supera el @>
8, los valores normales están al 97 8, com=nmente.
demás de la fle;ibilidad de utili1ación, ya sea para generación de energíaeléctrica como para obtención de vapor, este tipo de configuración permite la
conversión o repotenciación repoAering! de instalaciones térmicas con turbinas
de vapor con el consiguiente aumento de la eficiencia integral de las mismas.
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CENTRAL TÉRMICA DE CICLO COMBINADO
-os fabricantes de turbinas de gas y plantas de ciclo combinado indican las siguientes
ra1ones para justificar el mayor uso de las mismos:
! isponibilidad de grandes vol=menes de gas natural.
6! 4osibilidad de uso de otros combustibles, diesel, carbón gasificado, etc.,
con rendimientos elevados pero con limitaciones en el funcionamiento de los
quemadores. #l diseBo se optimi1a para gas natural.
9! #levados rendimientos con buen factor de carga.
@! (ajo impacto ambiental en relación con las emisiones de ó;idos de
nitrógeno y menor eliminación de calor al medio ambiente.
7! 0enores requerimientos de refrigeración respecto a una centralconvencional de igual potencia.
C! Dentajas asociadas a la estandari1ación de componentes, con la
simplificación de su montaje y mantenimiento.
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#l rendimiento de los ciclos combinados nuevos que operan en la actualidad es
del orden del 7E 8. #ste valor supera a los rendimientos de los ciclos abiertos
de turbinas de gas y de los de vapor que trabajan en forma independiente.
#l desarrollo práctico de los ciclos combinados estuvo fuertemente vinculado al
desarrollo tecnológico de los materiales para construir turbinas de gas capacesde operar a relaciones de presión relativamente altas, de >: 5asta 9:, pero
con temperaturas de entrada del orden de >F> ?' como má;imo. #sto
originó un retaso en el avance de la utili1ación de estos ciclos. #sta situación
mejoró en la década de los G>s y en la actualidad en el mercado se encuentran
turbinas que admiten temperaturas de entrada del orden de los @>> ?'. -as
mejoras en el diseBo de componentes y materiales 5an permitido elevar lapotencia y la eficiencia térmica de las turbinas de gas y por lo tanto del ciclo
combinado. La utilización de materiales cerámicos y monocristalinos en los
álabes de la turbina a contribuido enormemente a este avance.
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/tra limitación de estos ciclos es la respuesta de la turbina de gas de acuerdo con las
condiciones ambientales. sí, en días calurosos la turbina trabaja con menor
eficiencia que en los días fríos. Una turbina de gas que se opera con una temperatura
ambiente de > ?' produce alrededor del 7 8 más de energía eléctrica que la misma
máquina a 9> ?'. simismo los climas secos favorecen la eficiencia de estos
equipos. 4or estas ra1ones, las eficiencias nominales e;presan los resultados de los
cálculos de potencia basados en condiciones ambientales normali1adas )S/ 7?',,>9 bar. y C>8 de 5umedad relativa!.
#n lo que respecta a la contaminación ambiental, la inclusión de combustores de baja
emisión de ó;idos de nitrógeno fue uno de los logros más importantes en la tecnología
de las turbinas de gas. *o obstante implican la limitación de tener mayor inestabilidad
de flama que los de difusión convencionales por la necesidad de usar me1clas aire$combustible más pobres. -a oscilación de la flama puede producir ruido y
vibraciones inaceptables y además de afectar la vida =til y la fiabilidad operativa de la
turbina de gas.
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Dista de una 'entral de 'iclo 'ombinado
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#jemplo típico de un 'iclo 'ombinado
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'aldera de +ecuperación