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Ciclo combinado gas – vapor

Ciclo combinado gas-vapor

Introducción En la generación de energía eléctrica se denomina ciclo combinado a la coexistencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión. En la propulsión de buques se denomina ciclo combinado al sistema de propulsión COGAG. En una central eléctrica el ciclo de gas genera energía eléctrica mediante una turbina de gas y el ciclo de vapor de agua lo hace mediante una o varias turbinas de vapor. El principio sobre el cual se basa es utilizar los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de la turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtiene un rendimiento 50% superior al rendimiento de una central de ciclo único. Consiguiendo aumentar la temperatura de entrada de los gases en la turbina de gas, se obtienen rendimientos de la turbina de gas cercanos al 60%, exactamente 57.3% en las más modernas turbinas Siemens. Este rendimiento implica una temperatura de unos 1350º C a la salida de los gases de la cámara de combustión. El límite actualmente es la resistencia a soportar esas temperaturas por parte de los materiales cerámicos empleados en el recubrimiento interno de las cámaras de combustión de esas turbinas. Las centrales de ciclo combinado son, como todas ellas, contaminantes para el medio ambiente y para los seres vivos, incluidas las personas, por los gases tóxicos que expulsan al ambiente. No obstante es la que menos contamina de todas las industrias de producción de electricidad por quema de combustible fósil. Básicamente las emisiones son de CO2. Las emisiones de NOX y SO2 son insignificantes, no contribuyendo por tanto a la formación de lluvia ácida.

Ciclo combinado gas – vapor ¿Cómo funciona? El proceso de generación de energía eléctrica en una planta de Ciclo Combinado comienza con la aspiración de aire desde el exterior siendo conducido al compresor de la Turbina de Gas a través de un filtro. El aire es comprimido y combinado con el combustible (gas natural) en una cámara donde se realiza la combustión. El resultado es un flujo de gases calientes que al expandirse hacen girar la Turbina de Gas proporcionando trabajo. Un Generador acoplado a la Turbina de Gas transforma este trabajo en energía eléctrica. Los gases de escape que salen de la Turbina de Gas pasan a la caldera de recuperación de Calor. En esta caldera se extrae la mayor parte del calor aún disponible en los gases de escape produciendo vapor de agua a presión para la turbina de vapor. Finalmente los gases se devuelven a la atmósfera después de haber pasado por la chimenea.

El vapor que sale de la Turbina de Vapor, pasa a un condensador donde se transforma en agua. Este condensador es refrigerado mediante aire o agua, el aire circula por la superficie del condensador, lo que ocasiona la disipación del calor latente contenido en el vapor a la atmósfera. Posteriormente el agua es bombeada a alta presión hasta la Caldera de Recuperación para iniciar nuevamente el ciclo.

Ventajas del ciclo combinado El ciclo combinado es un conjunto de máquinas para generar electricidad a bajo costo porque aprovecha el calor previamente generado por un combustible, permitiendo obtener un 50% adicional de potencia de generación eléctrica, a un rendimiento de conversión de 60%. En ese sentido, se puede afirmar que las centrales de ciclos combinados resultan más eficientes y de mayor rendimiento en el uso de los recursos (combustibles) que otras centrales, aunque el nivel de inversión de una turbina a vapor es bastante más alto que una turbina a gas. Para el Perú, una vez iniciada la distribución del gas

Ciclo combinado gas – vapor de Camisea, los ciclos combinados son una alternativa de generación eléctrica que mejora la reserva energética del país. Expliquemos esto en detalle: cuando se reducen los niveles óptimos de reservas de agua, conocido como época de estiaje (sequía), las centrales hidráulicas generan menos cantidad de energía eléctrica y, para abastecer al mercado, las centrales térmicas entran a operar y despachar la energía faltante. Este esquema de entrada de las centrales de térmicas de reserva se dará empezando por la más barata (con uso de carbón), hasta la más cara (diesel), de modo que se logre cubrir la demanda. El ciclo combinado se ubica entre las centrales de generación térmica de más bajo costo. Para el caso de la Empresa de Generación Termoeléctrica Ventanilla S.A. (Etevensa), que cuenta con una planta de generación con turbina a gas, la generación utilizando Diesel le reportaba 320 MW a un costo unitario de US$ 100 por Mwh. Luego del proceso de conversión de sus unidades de producción en el que pasa de usar diesel a gas natural, cuya inversión fue de aproximadamente US$ 15 millones, se ha estimado que el costo de cada Mwh podría situarse en un promedio de US$ 24, reduciéndose en alrededor de 78% su costo de generación. Sin embargo, y como se mencionó al inicio, esta empresa tiene planificado lo que se denomina “cerrar el ciclo”, es decir instalar una planta de generación con turbina a vapor, logrando de esa manera trabajar con una central de ciclo combinado. Finalmente, cabe indicar que los usuarios se ven beneficiados de estos procesos de modernización que abaratan los costos de generación eléctrica y permiten ampliar la oferta del servicio eléctrico. Cogeneración Los gases de escape de la turbina de gas están a temperatura elevada, y permiten su utilización para producir vapor en una caldera de recuperación. Se denomina cogeneración a la utilización combinada del ciclo Brayton para producir energía eléctrica y un ciclo Rankine/Hirn para producir vapor de proceso. La instalación básica de cogeneración sería:

Ciclo combinado gas – vapor

Fig-1: Esquema básico de cogeneración

Los parámetros básicos de esta instalación son: Calor entregado a los gases: Q1 - Ga i3 - i2  (Despreciamos el caudal de combustible). Potencia en el eje de la turbina: Nneta = Ga (i3-i4 ) - (i2 -i1 ) Calor entregado al agua: QP = Ga( i4 - i5) Definimos los rendimientos energéticos

El rendimiento del ciclo Brayton es conocido:

Ciclo combinado gas – vapor

(Puede corregirse para tener en cuenta las pérdidas de presión en la CC tal que las relaciones de compresión y expansión no sean iguales). La expresión QP / Q1 también puede ponerse en función de η t, ηc, σ y λ a más de un parámetro Ω = T5 /T1 tal que

Con esto

Se define también la relación entre Qp y Ńe como

Los rendimientos del ciclo de cogeneración quedan así definidos con los parámetros del ciclo Brayton η t, ηc, σ, λ, ηcc, excepto por la temperatura de los gases de chimenea (T5, Ω). Graficando en función de la disposición física del economizador y el evaporador:

Ciclo combinado gas – vapor

Fig-2: Caldera de recuperación

En el economizador

isat: entalpía del líquido saturado icond: entalpía del líquido de retorno (condensado) En el evaporador

Eliminando los caudales y definiendo el “pinch point” por su temperatura PP=Tpp-Tp

Seleccionando PP se obtiene T 5, ya que los demás parámetros (entalpía del lado vapor/agua, Temperatura del proceso, Temperatura de escape de la TG), son conocidos. A menor PP baja T5, es decir, se extrae más calor del escape, pero a mayor costo de instalación (recuperador de calor más grande). Ciclo combinado gas-vapor Todas las grandes instalaciones de generación de energía eléctrica modernas utilizan el ciclo combinado gas-vapor. En este ciclo el “utilizador” de proceso del ciclo de cogeneración es precisamente una turbina de vapor acoplada a un generador eléctrico:

Ciclo combinado gas – vapor

Fig-3: Flujo de energía en el ciclo combinado

Si 1 es un TG (η ≈ 0.25) y 2 una TV (η ≈ 0.40) η =0.25+0.75x0.40=0.55 El rendimiento del ciclo combinado es mayor que el Brayton y el Hirn. El esquema de la instalación simple y su diagrama i-s se muestran a continuación:

Fig -4: Esquema de la instalación simple de ciclo combinado

Ciclo combinado gas – vapor

Fig.-5: Diagrama i-s del ciclo combinado

La eficiencia del ciclo combinado (y el trabajo útil) se maximizan cuanto más se aproxima el diagrama de ciclo al paralelogramo de Carnot. En lo que a la TG se refiere, una posible mejora consiste en el uso de CC paralelas para aprovechar el ángulo superior izquierdo del diagrama:

Fig-6: Turbina de gas con dos CC

Notar lo siguiente: · La bomba de inyección de alta toma líquido de alta entropía y lo comprime antes de enviarlo al evaporador de alta. · Ahora hay dos posibles “pinch point”. · La campana correspondiente a la segunda etapa está desplazada hacia la derecha (el líquido en ebullición tiene mayor entropía que el vapor que queda en el primer tramo). Existen otras variantes (3 o mas presiones, en serie o en paralelo), con lo que se logran rendimientos de ciclo combinado del orden del 60%.

Ciclo combinado gas – vapor 4) Exergía, rendimiento del ciclo combinado. Definimos la exergía de un ciclo abierto por la función exergía

La temperatura de referencia T 0 es objeto de discusión, pero para los presentes estudios adoptamos la temperatura ambiente. El trabajo de un circuito abierto resulta entonces

Es decir, la entalpía Cp T consiste en dos partes, una utilizable y otra noutilizable.

Fig-10: Entalpía utilizable y no utilizable

El factor exergético se define como

Definimos entonces la eficiencia del ciclo de cogeneración (ciclo combinado) por el cociente de exergías:

Donde

Ciclo combinado gas – vapor

Luego

Luego:

Con la definición anterior de la eficiencia según el primer principio

Resulta

La exergía asociada al combustible es alta (ecomb ≈ 1) ya que la transformación de energía potencial química en calor involucra un mínimo aumento de entropía. Luego,

Como εp 1, ηII < ηI y el rendimiento exergético es mayor cuanto mayor sea = Ne /QP , por lo que convendría no utilizar cogeneración. Sin embrago, al aumentar la energía eléctrica producida por la T g se reduce ηI mas que lo que aumenta (εp ) / ( +1), y resulta haber un valor de  que optimiza el rendimiento energético ηII . Notar que en el condensador (suponiendo el agua

Ciclo combinado gas – vapor de refrigeración y la condensación a temperatura ambiente T0), resulta i=T 0S, con lo que el cambio de exergía en el condensador es nulo. El rechazo de calor al ambiente no es la causa del bajo rendimiento del ciclo Hirn; es la transmisión de calor al agua en la caldera la que reduce la exergía causando la pérdida de energía utilizable y bajo rendimiento:

Fig-11: Diagrama i-s y exergías del ciclo Hirn

Lo ineficiente de la instalación radica en los procesos de combustión y transmisión de calor en la caldera, y no en los rechazos de calor. Es conveniente siempre calcular los rendimientos exergéticos de la instalación y sus componentes para identificar los procesos de bajo rendimiento. Finalmente se debe mencionar la existencia de ciclos combinados con adición de combustión en la caldera de recuperación. Esto se hace para controlar la potencia variando la producción de energía eléctrica en la TV y no en la TG, pese a que la adición de combustible a la caldera de recuperación no es un proceso eficiente, pero es mas ventajoso que variar la potencia de la TG.

Ciclo combinado gas – vapor Se tiene una planta de ciclo combinado la turbina de gas trabaja con una relación de presión de 12:1 y las temperaturas de entrada al compresor y la turbina es de 300 °k y 1400 °k, respectivamente, los rendimientos adiabáticos del compresor y la turbina son de 84 y el 88% respectivamente. Loa gases de escape para el ciclo de vapor salen del intercambiador de calor a 480 °k. las condiciones de entrada de la turbina de vapor, cuyo rendimiento es del 90% y con una presión de 8.0MPA con temperatura de 400°C. La presión del condensador es 8KPa y el rendimiento de la bomba es del 80%. Para una potencia neta de salida del ciclo, igual a 20MW.

Con estos datos se puede determinar los flujos másicos de aire y agua, el flujo de calor suministrado, el rendimiento total

Solución:

Estado 1

Ciclo combinado gas – vapor

Ciclo combinado gas – vapor

h4  858.02KJ/KG

Estado 5

T5= 480°k De tablas:

Ciclo combinado gas – vapor H5 = 482.49kj/kg Ciclo de vapor: Estado 3 T3 = 400°c P3 = 8MPa De tablas:

h3 = 3138.3KJ/KG

Estado 4 P4 = 8KPa,

S4i = S3 = 6.3634

se encuentra en mescla x 4i 

S 4i  Sf 6.3634  0.5926   0.7557 Sfg 8.2287  0.5926

H4i = 173.88 + 0.7557(2403.1) H4i = 1989.9 KJ/KG Turbina de vapor tiene un rendimiento de 90% t 

h3  h 4  h4  h3 - t ( h3  h 4) h 3  h 4i

h 4  3138.3  0.90(3138.3  1989.9) h 4  2104.74 KJ / KG

Estado 1 P1 = 0.08bar Por tabla: H1 = 173.88KJ/KG Estado 6

v3 = 1.0084X10-3 M3kg

Ciclo combinado gas – vapor h 2i  h1  v1( P 2  P1) h 2i  173.88  1.008 x10  3 (8000  8) KN / m 2 h 2i  181.94 KJ / KG h 2i  h1 h 2i  h1  h2   h1 h 2  h1 b 181.94  173.88 h2   173.88 0.80 h 2  183.96 KJ / KG

b 

Calculo para hallar el flujo másico del agua y aire: Balance: m  ( h 4  h5)  m  v ( h3  h 2) mv ( h 4  h5)  ma ( h 3  h 2)

mv 858.02  482.49   0.1271 ma 3138.3  183.96

Donde: mv = ma.0.1271 ……….(1) Para el ciclo de gas: WN = mv . wN WN = ma [(h3 - h4) – (h2 – h1)] WN = ma [(1515.42 – 2104.74) – (183.96 – 173.88)] WN = ma (287.83 KJ/KG) Para el ciclo de vapor WN = mv . wN WN = mv [(h3-h4) – (h2 –h1)] WN = mv [(3138.3 – 2104.74) - (183.96 – 173.88)] WN = mv (1023.5 KJ/KG)

Ciclo combinado gas – vapor La potencia de salida del generador: Wneto = 20 MW Wneto = ma (287.83) + mv (1023.5) De la ecuación (1)

mv = ma.0.1271

20000 Kw = ma (187.83) + ma.0.1271 (1023.5) 20000 KJ / Seg 287.83  0.1271(1023.5) ma  47.856 KJ / Seg ma 

Donde : mv  0.1271(47. 856) mv  6.08Kg/Seg

Flujo de calor suministrado: q  h 3  h 2 q  (1515.42  669.78) q  845.64 KJ / Kg Q  ma  qa Q  47.856 KG / Seg  845.64 KJ / Kg Q  40468.95KJ / Seg

Trabajo neto del ciclo KJ/Kg Wneto = Wneto turbina gas +Wneto turbina vapor Wntg = Wt –Wc Wntg = (h3 – h4) – (h2 – h1) Wntg = (1515.42 – 858.02) – (669.78 – 300.19) Wntg = 287.81KJ/Kg Wntv = Wt – Wb Wntv = (h3-h4) - (h2-h1) Wntv = (3138.3 – 2104.74) – (183.96 – 173.88) Wntv = 1023.48 KJ/Kg Wneto = 1023.48 +287.81

Ciclo combinado gas – vapor Wneto= 1311.29 KJ/KG Wneto = ma . Wn Wn  ma  Wn 20000KJ / Seg Wn  47.856 Kg / Seg Wn  417.92 KJ / KGG

Wn Q 20000 KJ / Seg t  40468.95KJ / Seg t  0.4942

t 