En general cuando se hace referencia a las centrales térmicas de ciclo combinado, se hace referencia a centrales de potencia en las cuales se genera energía eléctrica a partir de un combustible, en la mayoría de los casos gas natural. Las plantas de ciclo combinado se basan en la combinación de dos ciclos termodinámicos, donde se procura obtener el mayor aprovechamiento energético disponible en el proceso.
El funcionamiento de una central de ciclo combinado está basado en los ciclos termodinámicos de Brayton y Rankine. El ciclo de Brayton empleado para la producción de potencia de alta temperatura, producido en la turbina de gas, y el ciclo de Rankine, para la producción de potencia de media-baja temperatura, producido en
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Anteproyecto de una central de generación de potencia basada en un ciclo combinado a partir de cuatro unidades de turbinas de gas.
la turbina de vapor.
El funcionamiento de un ciclo combinado es sencillo, comienza con la introducción del aire aspirado, el cual es comprimido, por un compresor, que forma parte de la turbina y es descargado a una cámara de combustión donde entra en contacto con el combustible donde se produce la mezcla y se quema, produciendo una combustión la cual provoca un incremento de temperatura y su volumen específico.
El conjunto de los gases generados en la combustión continúa hasta la turbina de expansión de la turbina de gas, donde con el giro de los álabes se genera energía, mediante el desplazamiento del generador acoplado a la turbina de gas.
Los gases de escape salientes de la turbina de gas son introducidos en la caldera de recuperación, donde se aprovecha el calor residual de los gases para el calentamiento de un fluido, vapor-agua, produciendo un ciclo de vapor, el cual alcanza unas condiciones de presión y temperatura determinados, para entrar en una turbina de vapor, donde sufre un proceso de expansión provocando un desplazamiento de los álabes, que producen un desplazamiento rotacional del generador, el cual produce energía.
El vapor a la salida de la turbina de vapor es recogido y condensado, por un fluido frio, el cual puede ser agua o aire. De esta manera esta agua queda condensada y puede reintroducirse de nuevo en el ciclo, obteniendo un sistema cerrado, por el cual generamos potencia.
Fuente: Libro Centrales térmicas de ciclo combinado, Renovetec.
Los ciclos de termodinámicos de Brayton y Rankine son los empleados en una central de ciclo combinado, el primero se emplea para el sistema de alta temperatura (1200-1500ºC), que se lleva a cabo en la turbina de gas y el segundo en el sistema de media-baja temperatura, en torno a (650-700ºC), que se producen en la turbina de vapor.
El trabajo de forma conjunta de ambos ciclos permite alcanzar rendimientos de producción elevados, que no se podrían obtener de forma independiente, gracias al trabajo combinado de ambos ciclos y trabajo de temperaturas elevadas que el ciclo de Rankine de forma independiente no podría alcanzar, como se ha Figura 7: Representación de una central térmica de ciclo combinado, compuesta de una turbina de gas y una
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mencionado anteriormente, el cual permite trabajar con diferencias de temperatura globales más elevadas, que si estuviesen trabajando de forma independiente.
La relación de trabajo de ambos ciclos se produce en la caldera de recuperación (HRSG), donde se encuentran el fluido caliente saliente de la turbina de gas y el fluido frio de entrada de la turbina de vapor. La caldera de recuperación permite recuperar el calor residual del fluido caliente y aprovecharlo para calentar el agua para poder obtener energía del sistema en la turbina de vapor, permitiendo alcanzar rendimientos superiores de trabajo, por lo cual, el buen diseño de la caldera de recuperación suele garantizar un buen rendimiento del ciclo de manera conjunta.
Como ya es conocido, termodinámicamente, el ciclo de trabajo con mayor rendimiento posible es el ciclo de Carnot, donde el rendimiento es la diferencia de temperatura sobre el foco caliente y el foco frio. El cual nos permite obtener el rendimiento máximo alcanzable para una máquina operando en estas condiciones de trabajo, la cual se puede asemejar a una central ideal.
Así mismo, nos permite observar que al trabajar unificando ambos ciclos de trabajo, Brayton y Rankine, en una planta de ciclo combinado la diferencia de temperatura máxima entra foco caliente y foco frio es mayor, y por tanto el rendimiento del ciclo también será mayor, que ambos sistemas trabajando de forma independiente.
El cálculo del rendimiento del ciclo de Carnot viene definido como:
ɳ = 1 − 𝑇𝑓
𝑇𝑐
Siendo cada uno de los elementos:
• ɳ Rendimiento del ciclo de Carnot • Tf Temperatura del foco frio, [K] • Tc Temperatura del foco caliente, [K]
Aplicando esta ecuación, a los rendimientos individuales de los ciclos de Brayton y Rankine, explicados detalladamente más adelante, se obtienen:
Turbina de gas Turbina de Vapor Ciclo Combinado
Tc [ºC] 650-1600 350-650 650-1600
Tf [ºC] 275-450 30-80 30-80
ɳ Carnot, eq [%] 45-50 45-57 65-78
Tabla 1: Temperaturas de trabajo medias y rendimientos obtenidos en una central de ciclo combinado.
En la tabla 1, se puede visualizar de forma preliminar, en primer lugar, el ciclo de Brayton, para trabajar con elevadas temperaturas, y permitir aprovechar la energía desarrollada en él, como foco caliente para el segundo ciclo, donde se encontraría el ciclo de Rankine, para trabajar como se ha mencionado previamente en un rango de temperaturas medio-bajo, permitiendo obtener rendimientos mayores en torno 80%.
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3.3 Principales Elementos que componen una Central de Ciclo Combinado.