Dentro de las Tecnologías para la Generación Eléctrica se encuentran los procesos de termogeneración, es decir la generación eléctrica a partir de la energía liberada por la quema de un combustible, con el fin de aumentar la eficiencia energética y aprovechar el gasto de combustible se combinan dos o más ciclos termodinámicos. Pero ¿Qué es un Ciclo Combinado de Generación de Potencia?
En el video podemos ver una planta de ciclo combinado con la tecnología FLEX de Siemens.
Aspectos Termodinámicos del Ciclo Combinado
En una planta de ciclo combinado la generación se realiza en 2 pasos, es decir, se logra la producción de energía, combinando 2 ciclos termodinámicos diferentes, en primer lugar el ciclo Brayton y en segundo lugar un ciclo Rankine.
Ciclo Brayton de Generación Eléctrica
El ciclo Brayton es un ciclo termodinámico que describe el funcionamiento de una turbina de gas. Este ciclo es utilizado principalmente en la generación de electricidad y en motores de aviones. Se compone de cuatro procesos principales:
Compresión Isentrópica: El aire ambiente es comprimido adiabáticamente (sin transferencia de calor) en un compresor. Este proceso aumenta la presión y la temperatura del aire.
Adición de Calor a Presión Constante: El aire comprimido se mezcla con combustible y se quema en una cámara de combustión. La combustión aumenta significativamente la temperatura del gas, manteniendo la presión constante.
Expansión Isentrópica: Los gases calientes y a alta presión se expanden a través de una turbina, produciendo trabajo útil. Este proceso reduce la temperatura y la presión del gas.
Rechazo de Calor a Presión Constante: Finalmente, los gases de escape se liberan al ambiente, completando el ciclo.
El ciclo Brayton es eficiente y flexible, permitiendo ajustes rápidos en la producción de energía. Además, es la base para ciclos combinados, donde los gases de escape de la turbina de gas se utilizan para generar vapor y accionar una turbina de vapor, aumentando aún más la eficiencia total del sistema.
Ciclo Rankine de Generación Eléctrica
El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que describe el proceso de conversión de energía térmica en trabajo mecánico, el cual finalmente se transforma en energía eléctrica. Este ciclo es fundamental en las centrales térmicas y nucleares. Se compone de cuatro procesos principales:
Compresión Adiabática (en la bomba): El fluido de trabajo, generalmente agua, se bombea desde una baja presión hasta una alta presión. Dado que el fluido está en estado líquido, la cantidad de trabajo necesario para este paso es relativamente pequeña.
Calentamiento Isobárico (en la caldera): El fluido de trabajo, ya presurizado, se calienta a una presión constante en la caldera. Durante este proceso, el fluido se convierte en vapor de alta presión y alta temperatura.
Expansión Adiabática (en la turbina): El vapor de alta presión y temperatura se dirige a la turbina, donde se expande y realiza trabajo sobre las palas de la turbina. Este es el proceso en el que se genera la mayor parte del trabajo útil del ciclo.
Rechazo de Calor Isobárico (en el condensador): El vapor expandido sale de la turbina y entra en el condensador, donde se enfría a presión constante para convertirse nuevamente en líquido. Este proceso cierra el ciclo, y el fluido de trabajo está listo para ser bombeado nuevamente.
Estos procesos se pueden visualizar en un diagrama T-s (Temperatura vs Entropía) y un diagrama P-v (Presión vs Volumen), donde se destacan los cambios de estado y energía del fluido de trabajo.
La eficiencia del ciclo Rankine está determinada por la cantidad de energía que se puede transformar en trabajo útil en comparación con la energía total suministrada al sistema. Para maximizar la eficiencia del ciclo Rankine, se emplean varias estrategias, tales como:
Supercalentamiento: El vapor se calienta a una temperatura más alta de la necesaria antes de entrar en la turbina para maximizar el trabajo extraído.
Recalentamiento: El vapor parcialmente expandido en la turbina se vuelve a calentar en la caldera antes de ser expandido nuevamente.
Regeneración: Uso de intercambiadores de calor para pre-calentar el agua de alimentación utilizando el vapor extraído de la turbina con el fin de reducir el consumo de energía en la caldera.
El ciclo Rankine se emplea ampliamente en diferentes industrias debido a su efectividad y eficiencia para convertir energía térmica en energía eléctrica. Algunas de las aplicaciones más comunes incluyen:
Centrales térmicas: Utilizando carbón, gas natural o petróleo como combustible.
Centrales nucleares: Donde el calor generado por la fisión nuclear es usado para generar el vapor necesario para el ciclo.
Plantas de energía geotérmica: Utilizando energía térmica proveniente de fuentes geotérmicas.
Plantas termosolares: Usando concentradores solares para generar el calor necesario en la caldera.
¿Qué es un ciclo combinado de Generación de Potencia?
Una central eléctrica de ciclo combinado combina una configuración de turbina de gas de ciclo simple con una turbina de vapor para proporcionar una salida de energía adicional de la planta al tiempo que aumenta la eficiencia de la planta.
Heat Recovery Steam Generator (HRSG)
Para fusionar los ciclos Brayton y Rankine, se utiliza un Generador de Vapor de Recuperación de Calor, o HRSG (Heat Recovery Steam Generator), situado en el escape de la turbina de gas con el fin de recuperar la energía útil en la trayectoria de escape de gases calientes de la combustión con el fin de generar vapor para el funcionamiento de la turbina de vapor.
Secciones de la Turbina a Gas
La turbina de gas en sí contiene 3 secciones:
La sección del compresor
La sección de la cámara de combustión
La sección de la turbina
Funcionamiento de la Turbina a Gas
El aire de entrada se introduce y atraviesa la sección del compresor, donde se comprime y se suministra a las cámaras de combustión.
En las cámaras de combustión, el aire se mezcla con una fuente de combustible, generalmente gas natural o fueloil, y luego se enciende.
Los gases de escape calientes de las cámaras de combustión se dirigen a la sección de la turbina, donde gran parte de la energía se convierte para hacer girar la turbina y todos los equipos conectados, incluido el generador de la turbina de gas, donde la energía mecánica de rotación se convierte en electricidad.
Los gases de escape de la turbina a gas todavía contienen una cantidad significativa de energía. Esta energía se utiliza para generar vapor en el HRSG ubicado en la trayectoria de descarga.
El Vapor generado en el HRSG es conducido luego a una turbina de vapor donde tambien se produce electricidad.
Aprovechamiento Energético en la Turbina de Vapor
El vapor generado en el HRSG se dirige a la turbina de vapor que también está conectada a un generador, asi es posible producir aún más electricidad; La turbina de vapor se alimenta completamente del calor sobrante del escape de la turbina de gas. Lo que hace que el ciclo combinado sea altamente eficiente energéticamente utilizando menos combustible para obtener más potencia.
Calidad del Agua Necesaria para las Turbinas a Vapor
Un aspecto clave en una planta de ciclo combinado es el tratamiento del agua que será utilizada para generar vapor, según la presión de trabajo y las características de la turbina, el tratamiento del agua debe ser cuidadosamente diseñado y monitoreado para garantizar la vida util del HRSG y la Turbina de Vapor.
La Condensación del Vapor en una Planta de Ciclo Combinado
Los vapores a la salida de la turbina se condensan, empleando equipos de intercambio de calor como los condensadores de superficie y las torres de refrigeración (enfriamiento).
Debido a los grandes costos que representa el tratamiento del agua, todo el condensado posible se reutiliza en la planta y junto con una pequeña cantidad de agua de alimentación (o reposición) se garantiza el balance del ciclo de vapor.
Sistemas Auxiliares en el Ciclo Combinado
Las plantas de ciclo combinado requieren sistemas de soporte necesarios para facilitar su funcionamiento, algunos de estos son:
Sistemas de Suministro de Combustible
Sistemas de Tratamiento de Agua
Sistemas de Lubricación
Sistemas de Enfriamiento
Sistemas de control y más.
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Tratamiento de Agua para Calderas y Torres de Enfriamiento
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