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• Luis Cristhian Moreno Castillon

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CENTRAL TERMICA DE CICLO COMBINADO

Una Central Térmica de Ciclo Combinado es una planta de producción energía eléctrica basada en dos máquinas térmicas, con dos ciclos térmicos diferentes: turbina de gas y turbina de vapor. El calor no utilizado por uno de los ciclos (la turbina de gas) se emplea como fuente de calor del otro (el ciclo agua-vapor que alimenta la turbina de vapor). De 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. Esta configuración permite un muy eficiente empleo de combustible, con rendimientos que superan el 55% (es decir, más del 55% de la energía contenida en el combustible se convierte en energía eléctrica). Para la transformación de la energía del combustible en electricidad se superponen dos ciclos: 



El ciclo de Brayton (turbina de gas): toma el aire directamente de la atmósfera y se somete a un calentamiento y compresión para aprovecharlo como energía mecánica o eléctrica. El ciclo de Rankine (turbina de vapor): donde se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo o creación de energía a partir de vapor de agua.

Esquema de una central térmica de ciclo combinado

1

TURBINAS A GAS Las turbinas de gas han sufrido un fuerte desarrollo desde que en 1939 se exhibiera en Suiza el primer modelo de turbina industrial para la generación de energía eléctrica. La aparición de las centrales térmicas de ciclo combinado y la exigencia de mayores potencias, mayores rendimientos, mayor disponibilidad y mayor fiabilidad han hecho de la turbina de gas uno de los equipos en los que se centra una buena parte de la investigación para generación de energía a partir de combustibles fósiles. Además, la posibilidad de hibridación con energías renovables (solar térmica) y nuevos ciclos basados en el Hidrógeno o el Helio hacen pensar que el desarrollo de las turbinas de gas continuará a un ritmo creciente los próximos años.

INTRODUCCIÓN

Las turbinas de gas son turbo máquinas que, de un modo general, pertenecen al grupo de máquinas térmicas generadoras y cuya franja de operación va desde pequeñas potencias (30 KW para las micro turbinas) hasta 500 MW para los últimos desarrollos. Sus principales ventajas son su pequeño peso y volumen en relación a su potencia y la flexibilidad de su operación. Esto hace que sean máquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones, especialmente las referidas a la generación de electricidad y a la propulsión de buques y aviones, esté en claro aumento. Al ser máquinas rotativas presentan una clara ventaja frente a los motores alternativos, por la ausencia de movimientos alternativos y de rozamientos entre superficies sólidas (como las que se dan entre pistón y camisa), lo que se traduce en menores problemas de equilibrado y menores consumos de aceite lubricante, que además no están en contacto con superficies calientes ni con productos de combustión. Normalmente se entiende por turbina de gas el conjunto formado por los siguientes elementos:   

2

Compresor, responsable de la elevación de presión del fluido de trabajo. Sistema de aporte de calor al fluido. Elemento expansor, o turbina propiamente dicha.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El proceso de generación de energía mediante el ciclo combinado se basa en la utilización de una turbina de gas, una turbina de vapor y una caldera de recuperación. El ciclo térmico del circuito agua-vapor comienza con la aspiración del aire desde el exterior, el cual es conducido al compresor de la turbina de gas a través de unos filtros. Posteriormente el aire se comprime y se combina con el combustible en una cámara donde se realiza la combustión, produciendo un flujo de gases calientes que al expandirse hacen girar la turbina de gas. Mediante el generador acoplado al eje común se convierte este trabajo en energía eléctrica. Los gases que salen de la turbina de gas pasan a la caldera de recuperación de calor. En esta se extrae el calor de los gases produciendo vapor de agua a presión para la turbina de vapor. Para finalmente devolver los gases a la atmósfera. El vapor que sale de la turbina de vapor, pasa por un condensador donde se transforma en agua. Posteriormente el agua producida por el condensador es bombeada a alta presión hasta la caldera de recuperación para iniciar nuevamente el ciclo. En la siguiente imagen se muestra el diagrama básico del ciclo combinado

3

BALANCE ENERGETICO EN PLANTA DE CICLO COMBINADO – COGAS  

Ingresamos datos en las celdas de color azul Observamos resultados en las celdas de color verde

LHV Net Heat Rate LHV (Lower Heating Value) Calor específico del aire Potencia en el generador 1 Potencia de la turbina a gas LHV Net Efficiency

------> 6579 (KJ/KW.h) ------> 611982 (KW) ------> 1.0035 (KJ/Kg.K) ------> 227792 (KW) ------> 334873.87 (KW) ------> 54.72 (%) Presión 1 1 Temperatura 1 298 Flujo másico de aire 560.3

ENTRADA DE AIRE AL COMPRESOR

Potencia que consume el compresor

------>

SALIDA DE AIRE DEL COMPRESOR

ENTRADA A LA CAMARA DE COMBUSTION

SALIDA DE LA CAMARA DE COMBUSTION

SALIDA DE GASES EN LA TURBINA A GAS

4

Presion 2 Temperatura 2 Flujo másico de aire

107081.87

(bar) (K) (Kg/s)

(KW)

5.64 488.45 560.30

(bar) (K) (Kg/s)

12.52

(Kg/s)

Flujo másico de combustible Calor suministrado del aire Presion 2

416286.55 5.64

Flujo másico de gases Presión 3 Temperatura 3

572.82 5.64 1228.83

(Kg/s) (bar) (K)

Flujo másico de gases Presión 4 Temperatura 4

572.82 1.03 880

(Kg/s) (bar) (K)

(KW) (bar)

BALANCE ENERGÉTICO (CICLO RANKINE) ∑ 𝑚̇𝑠𝑎𝑙 ℎ𝑠𝑎𝑙 − ∑ 𝑚̇𝑒𝑛𝑡 ℎ𝑒𝑛𝑡 = 𝑄̇ − 𝑊̇ú𝑡𝑖𝑙  1era Ley de la Termodinámica

TURBINA

1

M 258.8

h 3542 2

M h 30.04 3071 3

4

M h 17.29 2885.1

Punto

𝑚̇ [

1 2 3 4

M h 306.13 2305.5

𝑘𝑔⁄ 𝑠]

258.8 30.04 17.29 306.13

3542 3071 2885.1 2305.5

𝑊̇𝑡 [𝑘𝑊] = 353023.1 BOMBAS 

5

𝑘𝐽 ℎ [ ⁄𝑘𝑔]

Bomba después de la turbina

5

M 306.1

T 47

6

M 306.1

T 48

Punto 5 6

𝑚̇ [

𝑘𝑔⁄ 𝑠]

306.13 306.13

ℎ [𝑘𝐽⁄𝑘𝑔] 196.742 200.928

𝑊̇𝑏 [𝑘𝑊] = 1281.46



Bomba después del colector de agua

Punto 7 8

7

M 288.8

T 131

8

M 288.8

T 132

𝑚̇ [

𝑘𝑔⁄ 𝑠]

288.8 288.8

548.366 552.552

𝑊̇𝑏 [𝑘𝑊] = 1208.92



6

𝑘𝐽 ℎ [ ⁄𝑘𝑔]

Bomba antes de la caldera de alta presión

9

M 258.8

T 215

10

M 258.8

T 212

Punto

𝑚̇ [

9 10

𝑘𝑔⁄ 𝑠]

ℎ [𝑘𝐽⁄𝑘𝑔]

258.8 258.8

899.99 887.432

𝑊̇𝑏 [𝑘𝑊] = 3250.01

AEROCONDENSADOR

11

M T 306.1 47.22

12

M T 306.1 47.22

Punto

𝑚̇ [

11 12

X 0.8822

𝑘𝑔⁄ 𝑠]

𝑘𝐽 ℎ [ ⁄𝑘𝑔]

306.13 306.13

2305.3 197.66292

𝑊̇𝑏 [𝑘𝑊] = 645210.94

CALDERAS 

Caldera de Baja Presión

13

7

M 23.3

T 131

14

M 17.29

h 2885.1

Punto

𝑚̇ [

13 14

𝑘𝑔⁄ 𝑠]

ℎ [𝑘𝐽⁄𝑘𝑔]

23.3 17.29

548.366 2885.1

𝑊̇𝑏 [𝑘𝑊] = 54445.90 

Caldera de Intermedia Presión

15

M h 30.04 2792.52

16

Punto

𝑚̇ [

15 16

M 30.04

h 3071

𝑘𝑔⁄ 𝑠]

ℎ [𝑘𝐽⁄𝑘𝑔]

30.04 30.04

2792.52 3071

𝑊̇𝑏 [𝑘𝑊] = 8365.54



Caldera de Alta Presión

17

M 258.8

T 310

18

Punto 17 18

𝑚̇ [

h 3542

𝑘𝑔⁄ 𝑠]

258.8 258.8 𝑊̇𝑏 [𝑘𝑊] = 580835.19

8

M 258.8

ℎ [𝑘𝐽⁄𝑘𝑔] 1297.66 3542

POTENCIA NETA

𝑊̇𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑊̇𝑡 − ∑ 𝑊̇𝑏

𝑊̇𝑛𝑒𝑡𝑜 = 353023.1 −(1281.46+1208.92+3250.01) 𝑊̇𝑛𝑒𝑡𝑜 = 347282.72𝑘𝑤

RENDIMIENTO 𝞰= 𝞰=

𝑊̇𝑛𝑒𝑡𝑜 ∑ 𝑄̇𝑐𝑎𝑙𝑑

347282.72 54445.9 + 8365.54 + 580835.2 𝞰 = 𝟓𝟑. 𝟗𝟔%

9