UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
E.A.P. DE INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOSAnálisis energético y exergético de la implementación del
ciclo combinado en la central térmica de Santa Rosa
MONOGRAFÍA
Para optar el Título de Ingeniero Mecánico de Fluidos
AUTOR
Luis Martin Chiok Valle
AGRADECIMIENTOS
A mi alma mater, la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, por darme la oportunidad de alcanzar esta meta, gracias a los profesores e investigadores quienes durante mi estadía en las aulas se esmeraron por dar lo mejor para mi formación profesional, por los conocimientos teóricos y las experiencias vividas.
A mi familia, por todo el apoyo y porque me ayudaron a superar las adversidades impuestas por la vida.
Al Dr. Ing. César Quispe Gonzáles, por su dedicación para atender las consultas, por sus aportaciones teóricas, sugerencias, consejos y su experiencia profesional que hicieron posible un mejor desarrollo de este trabajo.
A la Jefatura y compañeros de trabajo de las centrales térmicas de Santa Rosa y Ventanilla y a todos aquellos que con su apoyo y asesoramiento hicieron posible este trabajo.
A los miembros del Jurado Calificador de este Informe Profesional, Ing. Jorge Gastelo; Ing. José Juárez, Ing. Carlos Pedrosa y al Dr. Miguel Ormeño, quienes mediante sus observaciones hicieron posible el desarrollo de esta versión del informe.
In memorian, al Dr. Andrés Valderrama Romero†, gran amigo y profesor, compañero
de muchas caminadas y experiencias que marcaron mi rumbo estudiantil en la universidad.
Las especies que sobreviven no son las más fuertes, ni las más rápidas, ni las más inteligentes; sino aquellas que se adaptan mejor al cambio.
Índice
INTRODUCCIÓN ... 7
1. OBJETIVOS ... 9
a. Objetivo General ... 9
b. Objetivos Específicos ... 9
2. MOTIVACIÓN ... 9
3. ANTECEDENTES ... 12
4. IMPORTANCIA DEL TRABAJO ... 14
5. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL INFORME ... 16
6. FUNDAMENTACIÓN DE LA HIPÓTESIS ... 17
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS ENERGÉTICO ... 18
1.1. LA ECUACIÓN DE ESTADO ... 18
1.2. ENERGÍA INTERNA ... 18
1.3. ENTALPIA ... 19
1.4. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA ... 20
1.5. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA ... 22
1.6. ENTROPIA ... 25
1.7. PROCESO ISOENTRÓPICO ... 26
1.8. TIPOS DE ENERGÍA ... 27
1.9. EXERGÍA ... 29
1.9.1.EL MEDIO AMBIENTE ... 30
1.9.2.ESTADO MUERTO ... 31
1.9.3.EXERGÍA DE LA MATERIA ESTABLE ... 32
CAPITULO II: EL CICLO COMBINADO COMO ALTERNATIVA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA ... 35
2.1. EL GAS NATURAL EN LA GENERACIÓN ELÉCTRICA ... 35
2.2. CICLO DE POTENCIA A GAS. CICLO BRAYTON ... 37
2.3. CICLO DE POTENCIA A VAPOR. CICLO RANKINE ... 40
2.4. CICLO COMBINADO DE POTENCIA ... 42
2.5. CALDERA DE RECUPERACIÓN ... 46
2.5.1.TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CALDERA DE RECUPERACIÓN ... 48
2.5.2.VARIABLES DEL PERFIL DE TEMPERATURA ... 49
2.5.3.ELECCIÓN DEL PINCH, APPROACH Y OVER HEATING POINTS ... 51
2.6. ACTUALIDAD DE LA TECNOLOGÍA DEL CICLO COMBINADO. ... 55
CAPITULO III: DESCRIPCIÓN DE LA CENTRAL TÉRMICA “SANTA ROSA” ... 58
3.1. SITUACIÓN ACTUAL DE LA CENTRAL TÉRMICA SANTA ROSA ... 58
3.3. PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA ... 65
3.4. SISTEMA DE SUMINISTRO INTERNO DE GAS NATURAL ... 66
3.5. CICLO COMBINADO A IMPLEMENTAR ... 67
3.5.1.DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA TURBINA A GAS TG8 ... 67
3.5.2.TURBINA A VAPOR A IMPLEMENTAR EN EL CICLO COMBINADO ... 75
3.5.3.CALDERA DE RECUPERACIÓN DE CALOR (HRSG)... 78
3.5.4.SISTEMA DE GAS NATURAL ADICIONAL ... 80
3.5.5.NUEVA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA ... 81
CAPÍTULO IV: METODOLOGÍA DE CÁLCULO Y RESULTADOS DEL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO DEL CICLO COMBINADO ... 82
4.1. NIVELES DE AGREGACIÓN O DESAGREGACIÓN DEL SISTEMA ... 82
4.2. ESQUEMA DE CÁLCULO DEL CICLO COMBINADO PROPUESTO ... 83
4.3. METODOLOGÍA DEL CÁLCULO ... 84
4.4. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL FLUJO EN SECCIONES CARACTERÍSTICAS... 85
4.4.1.DETERMINACIÓN DEL PCI DEL GN Y FLUJOS MÁSICOS EN LA TURBINA A GAS 85 4.4.2.PARÁMETROS EN LAS SECCIONES CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA ... 87
4.4.3.FLUJOS MÁSICOS EN EL SUBSISTEMA DE TURBINA A VAPOR ... 94
4.5. EFICIENCIA DEL CICLO COMBINADO ... 97
4.6. EL SOFTWARE CHEMCAD COMO HERRAMIENTA DE CÁLCULO ... 99
4.7. COMPARACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ENTRE EL MODELO ANALÍTICO Y EL CHEMCAD ... 101
4.8. ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO DEL SISTEMA... 102
4.8.1.ANÁLISIS ENERGÉTICO DEL CICLO COMBINADO ... 102
4.8.2.ANÁLISIS EXERGÉTICO DEL CICLO COMBINADO ... 107
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 111
BIBLIOGRAFIA ... 114
ANEXO 1 – ESQUEMA TERMODINÁMICO DESAGREGADO UTILIZADO EN EL SOFTWARE CHEMCAD PARA EL CICLO COMBINADO
ANEXO 2 - RESULTADOS DEL ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL CICLO COMBINADO TG8 UTILIZANDO EL SOFTWARE CHEMCAD
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INTRODUCCIÓN
El incesante avance del progreso de la civilización va acompañado de consumos de energía crecientes, en especial de la energía eléctrica. Paralelamente, las consecuencias negativas de las actividades que contribuyen al abastecimiento de las formas utilizables de la energía (reducción o agotamiento de las reservas de recursos no renovables, contaminación, alteraciones de los ecosistemas, etc.) se han incrementado hasta llegar a niveles cada vez más preocupantes, poniendo en peligro un crecimiento sustentable de la sociedad mundial. Este progreso ha llevado a la existencia de una correlación directa entre la calidad de vida de los integrantes de una sociedad, y el uso de energía per cápita de la misma.
La energía en sus diversas formas de uso final (calor, electricidad, trabajo) se obtiene de los recursos energéticos a través de procesos de conversión, sean ellos convencionales o no convencionales. Estos procesos, en especial los convencionales, son poco eficientes, además de producir efectos indeseables al medio ambiente desde el momento de la prospección de los recursos primarios a procesar hasta su utilización final por los usuarios en las instalaciones necesarias, desde el inicio de su construcción hasta la desactivación de las mismas al finalizar su vida útil. Pero por otro lado, se tiene conciencia de limitaciones del ya cercano agotamiento de las fuentes energéticas no renovables y de la problemática aceptada por todas las naciones de continuar sumando contaminación al medio ambiente debido a la naturaleza intrínseca de los procesos de conversión de los mencionados recursos.
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En este escenario, el uso racional o eficiente de los recursos energéticos1, se impone como un primer concepto cuya necesidad de aplicación resulta imperiosa, y que debería evolucionar aún más en la medida en que los factores mencionados lleguen a un punto crítico próximo al límite de lo aceptable, requiriéndose un enorme esfuerzo en el desarrollo de tecnologías de sustitución y otras, si se desean mantener para las futuras generaciones, los estilos de vida que hoy se conocen como modernos.
En la actualidad, desde el punto de vista termodinámico, existen dos tipos de medidas para satisfacer el crecimiento de la demanda de energía: el aumento de la potencia instalada y el aumento de la eficiencia de los sistemas de generación eléctrica instalados. En este contexto, se han realizado una variedad de estudios para mejorar la eficiencia de los sistemas energéticos en la búsqueda de diversos métodos para perfeccionar estos sistemas y tecnologías que muestren bajos niveles de inversión.
Pero, la viabilidad técnica de los sistemas energéticos propuestos está asociada a las preguntas sobre los índices energéticos y los costos de producción de electricidad y del vapor de proceso.
1 Se entiende como uso racional de los recursos energéticos, el uso que conduce a la producción del efecto
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1. OBJETIVOS
a. Objetivo General
El objetivo general del presente trabajo es efectuar una evaluación energética y exergética de la implementación de un ciclo combinado en la central térmica de Santa Rosa, ubicada en la ciudad de Lima, con el objetivo de estimar la viabilidad técnica del proyecto.
b. Objetivos Específicos
Entre los objetivos específicos, se pueden enumerar:
• Evaluación energética y exergética de la instalación actual, compuesta por un ciclo
térmico simple con turbina a gas.
• Proponer un esquema termodinámico para pasar de un ciclo simple de turbina a gas a un ciclo combinado.
• Determinación de las propiedades del fluido en cada punto característico del ciclo combinado.
• Establecer las consideraciones básicas y evaluación de la caldera de recuperación (Heat Recovery Steam Generator, HRSG) para un régimen de trabajo con sistema de quema suplementaria de combustible.
• Determinación de la potencia producida por la turbina a vapor, así como la potencia necesaria para mover la bomba de alimentación y otros equipos necesarios, que conforman el sistema de ciclo combinado.
• Determinación de los flujos de combustible, tanto para la turbina a gas como para la caldera de recuperación de calor.
2. MOTIVACIÓN
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Camisea y con combustible Diesel 2. Este control consistía en la medición de la potencia y eficiencia de las TG’s corregidos a condiciones efectivas e ISO. Asimismo tenía a cargo las pruebas de potencia efectiva y rendimiento que se realizan de acuerdo al procedimiento N° 17 del COES. Estas pruebas se realizan con una empresa Consultora homologada y con un Veedor del COES.
En el año 2005, se inicia la construcción del proyecto conversión de ciclo simple a ciclo combinado de la Central Térmica de Ventanilla, es decir adicionar a las dos unidades TG’s existente el equipamiento necesario para operar en modo ciclo combinado. Esta experiencia fue muy enriquecedora, ya que era la primera Central de este tipo en el Perú, fue todo un reto de ingeniería, la cual incrementaba la potencia de la Central de 320 a 492 MW solo reutilizando la merma de energía de los gases de escape de las TG’s. Mi participación en el proyecto fue en la supervisión de revisión de la ingeniería y luego la supervisión de la construcción.
El proyecto se desarrollo bajo la modalidad de EPC (Engineering, Procurement,
Construction) o conocido como Proyecto “Llave en mano” a cargo de la contratista
Siemens, el plazo de la construcción era de 22 meses, sujeto a penalidades o bonificación por tiempo de entrega del proyecto y potencia garantizada de la turbina a vapor.
Una de las primeras dificultades que se presentó en la etapa de construcción del proyecto fue la contratación de grúas especiales tipo Castillo de gran tonelaje y altura para el montaje de la caldera, luego hubo tormentas tropicales en los EEUU lo que ocasionó demoras en el transporte de los equipos como turbina a vapor y generador eléctrico, poniendo en riesgo el cumplimiento del plazo de entrega del proyecto. La cantidad de personal contratado de distintas nacionalidades y diversidad de fabricantes y proveedores, creó un clima propicio para el intercambio de buenas prácticas y experiencias durante la etapa de construcción, lo que ayudó a mejorar el proceso de supervisión y facilidad de la construcción.
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tuvieron que pasar pruebas de ensayos no destructivos como placas radiográficas de los cordones de soldadura.
El proyecto se desarrolló en dos etapas casi en paralelo, el primer entregable era la operación en ciclo combinado de la turbina a gas TG3 en CC 1x1x1 el cual termino en julio de 2006 y la segunda etapa el ciclo combinado de la segunda turbina a gas TG4 en CC 2x2x1, el cierre de toda la Central, que termino en octubre de 2006. El proyecto fue todo un éxito no solo en el cumplimiento de los plazos, sino por la aplicación de la ingeniería y técnicas avanzadas de construcción , la cual no solo se cumplió el objetivo de incrementar la potencia y eficiencia de la Central de 300 a 492 MW y la eficiencia de 37 a 54.7 %, sino ser la primera Central Ciclo Combinado con gas natural en el Perú y sobre todo el reto de mantener la operación continua con alta tasas de disponibilidad y confiabilidad mostrada desde el año 2006 al año 2013.
En el año 2007, la empresa ETEVENSA fue comprada por la empresa EDEGEL bajo la modalidad de fusión por absorción, esta última adquiere las acciones de ETEVENSA y todo el personal de la Central Ventanilla pasamos a formar parte de esta empresa.
En el año 2008, se inicia el proyecto de ampliación de la Central Santa Rosa, el proyecto consistió en la implementación de una turbina a gas denominada TG8 en operación en ciclo simple con gas natural. En setiembre de 2009 esta nueva unidad ingresa en Operación Comercial sincronizada con el Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) con una potencia efectiva de 199 MW.
Debido a la experiencia vivida en el proyecto de conversión a ciclo combinado de la Central Térmica de Ventanilla, es que me motivo a presentar este informe profesional para optar el título de Ingeniero Mecánico de Fluidos, con el fin de aplicar todo el conocimiento obtenido en el proyecto anterior para la evaluación energética de convertir la unidad TG8 de ciclo simple a ciclo combinado en modo de configuración CC 1x1x1 eso quiere decir una turbina a gas, una caldera de recuperación de calor (HRSG) y una turbina a vapor.
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Nacional Mayor de San Marcos, los cuales son base, para el análisis de evaluación energética y exergética.
3. ANTECEDENTES
La política energética en el Perú se desarrolla según los siguientes lineamientos:
• Diversificar la matriz energética para asegurar el abastecimiento confiable y
oportuno a la demanda de energía, fortaleciendo la competitividad de la economía en un mundo globalizado, a fin de garantizar el desarrollo sostenible del país.
• Promover la inversión privada en el sector energético con reglas claras y estables.
• Fomentar y ejecutar las obras de electrificación en las zonas rurales y aisladas del
país para ampliar la cobertura de la demanda, crear oportunidades y mejorar la calidad de vida de la población.
• Fomentar el uso eficiente de la energía. • Promover la integración energética regional.
• Adaptación al cambio climático y cuidado del medio ambiente.
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Figura 1 – Cambio de la matriz energética del Perú. Fuente: MINEM (2008)
Al licitar el proyecto Camisea en 2002, el gobierno peruano provocó un relativo estancamiento en el desarrollo de las centrales hidroeléctricas frente a un explosivo crecimiento de las centrales térmicas. Esto se vio favorecido por las leyes que fueron promovidas por el gobierno para crear un mercado al gas natural. En el año 2010, el gas natural (GN) destinado a la generación de electricidad tenía un precio casi 40% menor que el correspondiente a otros usuarios; asimismo, el precio internacional del gas natural podía llegar a ser más del quíntuple. Estos bajos precios favorecieron la instalación de un mayor número de centrales térmicas a gas en ciclo simple. El gas natural se ha constituido en el combustible más económico para la generación de electricidad, ofrece las mejores oportunidades en términos de economía2, aumento de rendimiento y reducción del impacto ambiental3.
2 Debido a su menor costo dado la prioridad para su utilización en centrales de generación de electricidad
fijada en el contrato de explotación del yacimiento de Camisea.
3 La combustión del GN es más eficiente y ofrece menor emisión de contaminantes frente a otros
combustibles fósiles
33%
33% 34%
Antes de Camisea
Situación 2008
Objetivo
69% 7%
24%
Petróleo + carbón
Gas natural + LGN Energías Renovables
Porcentaje en energía comercial
56% 27%
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Estas ventajas pueden conseguirse tanto en las grandes centrales termoeléctricas así como en las pequeñas. Así, algunas centrales térmicas efectuaron su conversión, pasando del diesel al gas natural, como el caso de la Central Térmica de Ventanilla (320 MW). También las facilidades de la financiación permitieron la entrada en funcionamiento de nuevas centrales térmicas de ciclo combinado, como la Central Kallpa (750 MW), Chilca (700 MW), Las Flores (192 MW), Termochilca (208 MW) y Fénix Power (520 MW). La entrada en operación de la central térmica Santo Domingo de Olleros, en Cañete, está prevista para fines de 2013, con una potencia de 296 MW. En la actualidad, se están desarrollando estudios para mejorar la eficiencia de las instalaciones térmicas, pasando de ciclos simples a ciclos combinados, como el caso de la Central Térmica de Santa Rosa (330 MW).
Son escasos los trabajos de tesis realizados en nuestro país sobre los sistemas de centrales térmicas de ciclo combinado, desconociéndose gran parte de ella por no estar disponibles o no haber sido publicados. En una revisión de trabajos efectuados a nivel nacional sobre el tema, permitió encontrar los trabajos de Mendoza (2002)[1] que hace un estudio y evaluación, desde el punto de vista termodinámico, del ciclo combinado, Martínez (2007)[2], quien elaboró un proyecto de conversión a ciclo combinado de una central térmica, Quispe (2010) [3], donde se evalúan alternativas energéticas para mejorar el rendimiento de los sistemas, reduciendo los niveles de emisión, promoviendo nuevas fuentes de energía aplicado a una instalación de una planta azucarera y el de Chávez (2011)[4] efectuó un estudio técnico económico y ambiental de una planta de etanol y caña de azúcar y del sistema de cogeneración a bagazo.
4. IMPORTANCIA DEL TRABAJO
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Frente a todo el panorama internacional de crisis energética y ambiental, el uso racional y eficiente de la energía se ha convertido en política de estado ya que hoy existe la conciencia de la importancia de generar un cambio cultural en la forma como se usa los recursos energéticos limitados de nuestro país. El Perú enfrenta actualmente, problemas de fortaleza institucional que limitan su posibilidad de respuesta y gestión eficiente de la energía, así como de la contaminación y deterioro creciente de sus ecosistemas. Las proyecciones estima pérdidas de 4.5% del PBI al 2025 por efectos del cambio climático.
En el 2012, la economía peruana creció más de 6% y se estima que en los próximos cinco años seguirá creciendo con un ritmo no menor de 5%, impulsado por los sectores como construcción, minería, agroindustria, energía y telecomunicaciones. La minería, que representa más del 60% de los ingresos de las exportaciones y el sector construcción (sostenido en los últimos años debido a las necesidades de obras de infraestructura como carreteras, puertos, aeropuertos, viviendas, centros comerciales, etc) son los que han impulsado en los últimos años el crecimiento económico de nuestro país. Además, si se considera que el sector transporte, la industria manufacturera y el sector doméstico son grandes rubros de consumo de energía, entonces será necesario que el estado garantice un crecimiento de la producción de energía para acompañar el crecimiento económico esperado en los años futuros.
Todos estos sectores, a excepción del sector doméstico, están ligados a los procesos de generación, transporte, transformación y utilización final de fuentes energéticas así como equipos que hagan posible satisfacer las necesidades particulares de cada sector económico. Así, el tema no solo está relacionado al producto final, que es la electricidad; sino también, a sus fuentes que son los combustibles.
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estas empresas hagan más eficientes sus procesos de generación, lo cual ha llevado a introducir los ciclos combinados de generación eléctrica.
En este contexto, el presente trabajo propone una optimización para la central térmica de Santa Rosa con la implementación de un ciclo combinado sobre la base del ciclo simple actual con que cuenta esta central.
5. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL INFORME
Los alcances del presente trabajo se circunscriben al desarrollo del proyecto de mejoramiento de eficiencia energética mediante la transformación del actual ciclo simple de turbina a gas con que cuenta la central térmica de Santa Rosa hacia un ciclo combinado, utilizando gas natural como combustible.
El desarrollo del presente trabajo tiene por objeto efectuar el análisis energético y exergético de la central térmica, bajo una condición de un escenario actual (generación eléctrica con turbina a gas) y un escenario futuro con la implementación de un ciclo combinado (1 turbina a gas - 1 caldera de recuperación de calor - 1 turbina a vapor) en modo 1x1x1. Serán determinados los parámetros termodinámicos en cada punto del ciclo combinado, así como los parámetros energéticos y exergéticos de cada componente del ciclo.
El presente trabajo, se enmarca dentro del Plan de estudios de la Escuela Académica Profesional de Ingeniería Mecánica de Fluidos, en el área de Termofluidos.
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6. FUNDAMENTACIÓN DE LA HIPÓTESIS
Una central térmica transforma la energía calorífica de un combustible (gas, carbón, fuel) en energía eléctrica. También se pueden considerar centrales térmicas aquellas que funcionan con energía nuclear. Todas las centrales termoeléctricas funcionan bajo un determinado ciclo termodinámico, donde el fluido de trabajo está destinado al accionamiento de las turbinas que mueven el rotor de un generador eléctrico.
Los ciclos simples de turbina a gas (ciclo Brayton) no son eficientes térmicamente alcanzando eficiencia que a veces llegan al 38%. Esto es debido a que, en este ciclo, los gases que se expanden en la turbina son expulsados al medio ambiente con una temperatura cercana a 600 ºC, despreciándose una elevada cantidad de energía que ellos aún poseen.
Para mejorar la eficiencia termodinámica de este ciclo se le adiciona un ciclo de vapor (ciclo Rankine). El ciclo Brayton, que trabaja con aire-gases de combustión, opera a mayor temperatura que el ciclo Rankine, que trabaja con agua-vapor y ambos están acoplados por un intercambiador de calor que es la caldera de recuperación de calor. La unión termodinámica de estos dos ciclos o ciclo combinado conduce generalmente a la obtención de un rendimiento global superior a los rendimientos de los ciclos termodinámicos individuales que lo componen.
La justificación de los ciclos combinados reside en que, desde un punto de vista tecnológico, resulta difícil conseguir un único ciclo termodinámico que trabaje entre las temperaturas medias de las fuentes caliente y fría usuales. Por ello, una solución termodinámica es el acoplamiento de dos ciclos: uno especializado en la producción de trabajo con alta eficiencia en rangos altos de temperaturas de trabajo (ciclo Brayton) y otro para temperaturas medias-bajas (ciclo Rankine).
La eficiencia global del ciclo combinado gas-vapor vendrá determinada por las eficiencias individuales de los ciclos Brayton y Rankine que lo componen, así como por la capacidad para realizar un adecuado aprovechamiento del calor residual presente en los
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CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS ENERGÉTICO
El análisis energético y exergético de un ciclo de generación se basan en el análisis de la primera y segunda ley de de la termodinámica. El principio de conservación de la energía requiere el conocimiento de los parámetros termodinámicos (presión, volumen y temperatura) y funciones termodinámicas como energía interna y entalpía; mientras que el análisis exergético se basa en la segunda ley, siendo necesario conocer primeramente la función termodinámica entropía. Estas funciones pueden ser definidas y calculadas adecuadamente a través de expresiones sobre la base de propiedades medibles, lo que se hace a continuación.
1.1.LA ECUACIÓN DE ESTADO
Según Çengel y Bowles (2012) [5], la ecuación de estado, define el estado energético de una substancia (gas) a través de los parámetros termodinámicos fundamentales, que son presión p, temperatura T y volumen v. En condiciones específicas (para una masa de un
kilogramo de substancia), esta ecuación se define como:
pv=RT (1.1)
En donde R es la constante del gas, definida como R R M= 0 ; siendo R0 la constante
universal de los gases, igual a 8314 J/kg.K y M es la masa molecular del fluido analizado.
1.2.ENERGÍA INTERNA
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que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo. Generalmente, para gases estables, la variación de la energía interna está dada por la variación de la energía térmica, causadas por el estado de agitación de sus moléculas.
La energía interna se define como una función u= f T v
(
,)
[5], por lo que:v T
u u
du dT dv
T v
∂ ∂
= +
∂ ∂
(1.2)
en donde la primera derivada parcial de la parte derecha en la Ec. (1.2) se conoce como
calor específico a volumen constante, luego cv = ∂ ∂
(
u T)
v. Para aquellas sustancias que seaproximan al comportamiento de gases ideales, el coeficiente del último término de la Ec. (1.2) es igual a cero; es decir, la energía interna de los gases ideales es esencialmente una función de la temperatura. Así, para gases ideales se tiene lo siguiente:
v
du c dT= (1.3)
Así, la energía interna de un gas ideal sólo es función de la temperatura. La variación de la energía interna no depende del tipo de proceso si no de los valores de su estado inicial y final. Este concepto no puede extenderse a gases reales, ya que en este caso, el segundo término de la parte derecha de la Ec. (1.2) no es igual a cero.
1.3.ENTALPIA
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p T
h h
dh dT dp
T p
∂ ∂
= +
∂ ∂
(1.4)
en donde la primera derivada parcial de la parte derecha en la Ec. (1.4) se conoce como
calor específico a presión constante, luego cp = ∂ ∂
(
h T)
p. Similarmente a lo indicado parala energía interna, para aquellas sustancias que se aproximan al comportamiento de gases ideales, el coeficiente del último término de la Ec. (1.4) es igual a cero, dependiendo la entalpia de la temperatura. Así, para gases ideales se tiene lo siguiente:
p
dh c dT= (1.5)
La entalpia también está definida como:
h=u+pv (1.6)
Diferenciando las Ecs. (1.1) y (1.6) se puede obtener:
( )
dh du d pv= + y d pv
( )
=RdTCombinando estas expresiones se puede obtener la ecuación de Mayer:
p v
dh du
dh du RdT R c c R
dT dT
= + ⇒ − = ⇒ − = (1.7)
1.4.PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica tiene el siguiente enunciado: “Cuando un sistema
cerrado se altera adiabáticamente, el trabajo total que acompaña al cambio de estado es
el mismo para todos los procesos posibles entre dos estados de equilibrio”.
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independientemente del tipo de interacción de trabajo involucrado en el proceso, del tipo de proceso y de la naturaleza del sistema cerrado. La primera ley de la termodinámica no sólo se aplica a un proceso adiabático simple en el que intervenga trabajo mecánico en un sistema cerrado, sino que también puede aplicarse a sistemas que experimentan efectos eléctricos, electromagnéticos, de tensión superficial, corte, cambios en el campo gravitacional y otros. También puede aplicarse a sistemas cerrados que sufren interacciones térmicas y de trabajo. La generalización anterior se puede extender a sistemas abiertos donde se permite la transferencia de masa a través de las fronteras del sistema.
Para un sistema cíclico, la primera ley de la termodinámica establece que la integral cíclica del calor transferido es igual a la integral cíclica del trabajo, es decir:
dW = dQ
∫
∫
En condiciones específicas, la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado que sufre un proceso con efectos tanto térmicos como de trabajo, es la siguiente:
dq dw+ =de (1.8)
Teniéndose en cuenta que, el calor suministrado al sistema se considera positivo y el trabajo hecho por el sistema se considera negativo, al integrar la ecuación anterior y en ausencia de efectos eléctricos, magnéticos y de superficie, se obtiene la ecuación [5]:
(
)
(
)
2 2 2 1
12 12 2 1 2 1
2
V V
q +w = u −u + − +g z −z (1.9)
en donde, q12 es el calor transferido al sistema del estado 1 al estado 2, w12 es el trabajo
hecho por el sistema del estado 1 al estado 2, u2−u1, representa el cambio de energía
interna del sistema;
(
2 2)
2 1 2
V −V representa el cambio de energía cinética del sistema y
(
2 1)
22
La ecuación de conservación de la energía para sistemas cerrados compresibles
simples (por unidad de masa y un solo tipo de fluido) se puede obtener a partir de la Ec.
(1.8) como:
dq dw+ =du (1.10)
En sistemas abiertos, la primera ley de la termodinámica para un volumen de control en estado estacionario, por unidad de masa y un solo tipo de fluido y despreciando cambios de energía potencial se expresa de la siguiente manera:
2 2
1 2
12 12 1 2
2 2
V V
q +w +h + =h + (1.11)
La ecuación (1.11) se aplica a un sistema en estado estacionario cuando más de un componente está entrando y/osaliendo del volumen de control [5], es decir:
2 2
12 12
1 1 1
2
2 2
n k
i j
i i j j
V V
Q m h W m h
= =
+ + = + +
∑
∑
& & & & (1.12)
en donde, Q&12 es el calor transferido al sistema en un intervalo de tiempo dado; W&12 es el
trabajo hecho por el sistema en un intervalo de tiempo dado y m& es el flujo másico de cada componente entrando y saliendo al sistema.
1.5.SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
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primera ley no impone restricción alguna en el proceso de conversión de la energía. Una conversión del 100% es posible solamente en términos de la conservación de la energía.
Mientras que la segunda ley impone una restricción en las transformaciones de la energía (de energía calorífica a trabajo). De acuerdo a la segunda ley, la energía tiene propiedades cualitativa y cuantitativa. Así, el trabajo puede convertirse 100% en calor, pero la situación inversa será imposible ya que el trabajo es una forma más útil de energía que el calor, es decir, el trabajo es una forma más ordenada de la energía que el calor.
Con base en la segunda ley, el calor tiene calidad en función de la temperatura a la que se descarga del sistema. Cuanto mayor sea la temperatura a la que ocurre la transferencia de calor, mayor será la transformación de energía en trabajo. Estoimplica que la energía térmica se degrada cuando se transfiere en forma de calor de una temperatura a otra más baja. Entre otras formas de la degradación de la energía se incluyen las transformaciones de energía debido a los efectos de fricción. Tales efectos son poco deseables en el uso óptimo de la energía para fines prácticos y la segunda ley proporciona algunos medios para medir esta degradación de la energía.
Existe cierto número de fenómenos que no se pueden explicar por los principios de conservación de ningún tipo. Entonces, la segunda ley proporciona los lineamientos que permiten comprender y analizar estos efectos diversos. Entre otras consideraciones, la segunda ley es de extrema utilidad por lo siguiente:
a) Proporciona losmedios para medir la calidad de la energía,
b) Establece el criterio del rendimiento ideal de los dispositivos de conversión de la energía,
c) Determina la dirección del cambio de los procesos,
d) Establece el estado final de equilibrio para los procesos espontáneos.
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Para una máquina térmica, que opera entre una fuente de alta temperatura TA y una
fuente térmica baja TBdepósito de baja, siendo QEel calor suministrado a la máquina
térmica y QR calor rechazado por la máquina térmica, el trabajo generado por la máquina
es WNETO. Entonces, aplicando la primera ley a esta máquina se tiene:
Q+ W = ∆U
∑
∑
Para una máquina térmica que opera cíclicamente la variación ∆U es cero y expresando la variación de calor en función de la temperatura alta y baja del sistema, considerando que el calor agregado y rechazado tienen signos diferentes, se puede obtener:
0
E R NETO E R NETO
Q +Q +W = ⇒ Q − Q =W (1.13)
Como una máquina térmica es diseñada para transformar la energía en forma de calor produciendo trabajo, entonces para valorar su grado de perfeccionamiento se introduce el concepto de eficiencia térmica, definida como:
NETO T
E W
Q
η
= (1.14)25
1.6.ENTROPIA
Como se estableció anteriormente, la segunda ley de la termodinámica define la cualidad direccional de la naturaleza. Las leyes de conservación como la primera ley de la termodinámica, involucran igualdades; las leyes direccionales involucran desigualdades. Una desigualdad importante que se origina de la segunda ley de la termodinámica se conoce como la desigualdad de Clausius y el enunciado de ésta desigualdad se expresa como sigue:La integral cíclica de la cantidad δQ/T para un sistema cerrado siempre es igual o menor que cero”.
La desigualdad de Clausius* que se aplica tanto a dispositivos cíclicos como a dispositivos continuos, ambos en estado estacionario, se expresa como:
0
Q T
δ ≤
∫
(1.15)Es evidente que, para un proceso reversible, se tendrá
∫
δ
Q T =0, mientras que paraprocesos reversibles
∫
δ
Q T <0.La integración de la expresión definida para procesos reversibles, entre dos extremos dados de un sistema cerrado que experimenta un proceso cíclico, da un mismo resultado para cualquier trayectoria reversible entre esos dos estados extremos. Por lo tanto, ésta integral define el cambio de una propiedad a la que se le llama entropía, cuyo cambio entre dos estados representa como [5]:
1 2
rev rev
dq dq
s s s ds
T T
∆ = − = ⇒ =
∫
(1.16)En general, para cualquier tipo de proceso en donde interviene un sistema cerrado, ds≥
δ
Q T, en donde el signo de igualdad se aplica a procesos internamente reversibles y26
Respecto a los principios de aumento de entropía se puede enunciar lo siguiente: a) Los principios de incremento de la entropía son enunciados direccionales; limitan
la dirección en que pueden proceder los procesos. No es posible una disminución de la entropía en un sistema cerrado que es adiabático o para un conjunto de sistemas que interaccionan entre sí.
b) La entropía es una propiedad que no se conserva y los principios de aumento de entropía no son leyes de conservación. Sóloen el caso de los procesos reversibles se conserva la entropía. Los procesos reversibles no crean entropía.
c) La segunda ley afirma que todos los sistemas en ausencia de interacciones entre ellos y el ambiente son capaces de alcanzar un estado de equilibrio. Además la ley establece que la entropía aumenta continuamente a medida que se acerca al estado de equilibrio. Matemáticamente se debe alcanzar el estado de equilibrio cuando la entropía alcanza su valor máximo posible, conforme las restricciones del sistema. d) Los principios de aumento de entropía están íntimamente ligados al concepto de
irreversibilidad. La presencia de irreversibilidades conduce al aumento de entropía. Se encuentra que, cuanto más grande sea la magnitud de las irreversibilidades, mayor es el cambio total de la entropía.
e) El cambio de entropía que se origina por las irreversibilidades se puede usar como una medida del cambio en la calidad de la energía durante un proceso específico
Según Çengel y Boles (2012), la variación de la entropía como función de los parámetros termodinámicos, pueden expresarse como:
2 2
1 1
ln ln
v
T v
s c R
T v
∆ = + (1.17)
2 2
1 1
ln ln
p
T p
s c R
T p
∆ = − (1.18)
1.7.PROCESO ISOENTRÓPICO
27
k
pv =const (1.19)
1
2 2
1 1
k k
p T
p T
−
=
(1.20)
1
2 2
1 1
k
v T
v T
−
=
(1.21)
donde k es el índice adiabático o razón de calores específicos e igual a k c c= p v.
1.8.TIPOS DE ENERGÍA
En un proceso, intervienen muchas formas de energía y transformaciones de energía. Aunque todas obedecen la primera ley de la termodinámica, aparecen diferencias en el tratamiento práctico y teórico de las diferentes formas de energía y transformaciones de energía debido a la segunda ley de la termodinámica. La segunda ley es importante para definir la eficiencia de un proceso, así como la correcta cuantificación de las diferentes formas de energía que pueden ser transformadas en trabajo.
Los tipos de energía pueden dividirse en dos grupos, en función a la posibilidad de ser transformadas en otros tipos de energía. La clasificación de formas de energía es un problema físico, por lo que en la termodinámica, generalmente se hace en base a la entropía, utilizada como una medida de las transformaciones de energía. Estos grupos son: Primer grupo o de “energía ordenada”.- A este grupo se puede asociar a las formas de energía que pueden transformarse en otras sin ningún límite, las entropías son iguales a cero y la entrada o salida de calor a un cuerpo no cambia este tipo de energía.
Segundo grupo o de “energía desordenada”.- A este grupo se asocian las energías que no pueden transformarse completamente. No tiene entropía cero.
28
la energía desordenada no se puede convertir en otra forma de energía que tengan menor entropía, y en particular, no pueden transformarse en energías ordenadas.
Las posibles transformaciones de energía se muestran en la Tabla 1.1, donde los cuadros blancos significan transformaciones completas y los cuadros negros transformaciones incompletas.
Tabla 1.1 – Formas y posibles transformaciones de la energía
Las formas de energía 1, 2, 5 y 7 están referidas al primer grupo, mientras que las restantes están referidas al segundo grupo. La importancia del medio ambiente es evidente cuando el punto de comparación es su habilidad para transformarse, ya que el entorno interviene en las transformaciones de energía. Aún así, las formas de energía del primer grupo mantienen su capacidad de transformarse completamente. Cuando, como resultado de una transformación, una energía desordenada aparece, la situación cambia, ya que no solamente cambian las transformaciones posibles, si no la extensión de las mismas es también afectada por las condiciones del ambiente. Entre más pequeña sea la diferencia entre los parámetros del medio de trabajo y aquellos del medio circundante, más pequeña es la cantidad de la energía desordenada transformada. Y cuando son iguales la disponibilidad del segundo tipo de energía es cero.
Las relaciones entre las transformaciones de las formas del segundo grupo de energía y el ambiente varían dependiendo del tipo de energía involucrada, aún para las mismas condiciones externas.
Nº 1 2 3 4 6 7
1 2 Molecular 3 Química 4 Nuclear 5
Calor 6
Trabajo 7 Energía interna
del medio
Energía en transición
Formas de energía
29
Para comparar adecuada y completamente las transformaciones de energía es necesario tener una medida general, que permita la evaluación de la cantidad de energía envuelta mientras también se toman en cuenta las características de calidad. La energía del primer grupo, la cual puede ser obtenida de la energía del segundo grupo en un proceso de interacción reversible con el medio externo, puede ser utilizada para este propósito.
Esta medida general de cualquier tipo de energía es llamada exergía. Este concepto permite expresar cualquier forma de energía del segundo grupo en términos de energía del primer grupo.
1.9.EXERGÍA
La exergía es una propiedad termodinámica igual a la cantidad de trabajo que puede ser extraído por un consumidor de energía externo durante una interacción reversible entre el sistema y sus alrededores. Esta exergía depende de los estados relativos del sistema y el medio externo, cuando son definidos por cualquier conjunto relevante de parámetros. Bajo completo equilibrio, la exergía es cero.
La exergía permite determinar el potencial de trabajo útil de una determinada cantidad de energía que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre un sistema y su entorno. Informa de la utilidad potencial del sistema como fuente de trabajo. Viendo que es una propiedad, hay que tener en cuenta que el valor de una propiedad no cambia a menos que cambie el estado de la materia, es decir; el valor se mantiene siempre y cuando se mida en el mismo estado independientemente de la temperatura o la presión a la que se encuentre.
30
De acuerdo a estas definiciones, el objeto bajo consideración incluye primero, el sistema o flujo de energía mismo, después los alrededores y finalmente, el trabajo transferido al consumidor externo de energía; aunque también de debe tener en cuenta los objetos externos de energía los cuales interactúan con el sistema.
Por ejemplo, un compuesto de combustible y aire, si se quema el combustible obteniendo una mezcla de aire y productos de combustión ligeramente calientes, aunque la energía asociada al sistema sea la misma, la exergía del sistema inicial es mucho mayor, potencialmente es mucho más útil a la hora de obtener trabajo. Otro ejemplo es el agua de refrigeración de las centrales térmicas. Aunque la central cede una gran cantidad de energía al agua, esta solo eleva su temperatura unos grados por encima de la temperatura de su entorno, por tanto su utilidad potencial para obtener trabajo es prácticamente nula o lo que es lo mismo en términos técnicos, tiene una exergía asociada baja.
Otros ejemplos didácticos es el caso del agua situada en un embalse a cierta altura, la cual puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que toda el agua ha bajado al nivel del mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un límite en la energía disponible asociado a la diferencia de altura entre el agua del embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más energía disponible. Otro ejemplo es el recipiente que contiene un gas a alta presión y alta temperatura. Si se hace un orificio en el recipiente y se deja salir el aire a la atmósfera, se pierde toda la energía disponible, ya que rápidamente su presión se iguala a la atmosférica y en poco tiempo su temperatura se iguala la del aire que lo rodea. Se ha desperdiciado toda la energía disponible o exergía.
1.9.1. EL MEDIO AMBIENTE
31
simultáneamente por un efecto de parte del ambiente en ello. Tal vez existan situaciones en las cuales, sin dar energía, un sistema puede producir trabajo a expensas del ambiente. Un gas en un recipiente con presión menor que la atmosférica. Cuando hay equilibrio completo entre un sistema y el ambiente, la exergía es igual a cero. Este estado de sistema es llamado cero o de estado muerto.
Los objetos externos que son encontrados en el ambiente y que constituyen con él los alrededores de un sistema, pueden ser fuentes de energía, absorbedores de energía o ambos. Ellos están caracterizados por el hecho de que al menos uno de los parámetros intensivos dominantes es diferente de aquellos del ambiente. Por lo tanto, los objetos externos pueden ser una fuente de energía para alimentar el sistema y asegurar su funcionamiento.
1.9.2. ESTADO MUERTO
Dos sistemas en condiciones termodinámicas diferentes, que entran en contacto, evolucionarán espontáneamente, por medio de transferencias de masa y energía, hacia un estado intermedio de equilibrio (estado con mínima exergía y entropía máxima). A este estado de equilibrio se le denomina estado muerto. Cuanto mayor sean las diferencias entre sus magnitudes termodinámicas (presión, temperatura) más trabajo podremos obtener de la interacción entre sistema y entorno. La energía utilizable o exergía está asociada al desequilibrio entre un sistema y su entorno, es decir que depende de la variable de dos sistemas como mínimo.
32
Desde el punto de vista de la obtención de trabajo máximo que se puede obtener de un sistema termodinámico, uno de los sistemas se considera el universo, y el otro será el dispositivo o sistema analizado. El estado muerto sería el estado del universo y el sistema analizado puede proporcionar trabajo, cuyo valor máximo es la diferencia de energía entre el estado del universo y su estado inicial. Este trabajo máximo es la exergía de nuestro sistema. En general, como el universo es muy grande respecto a nuestro sistema se aplican las siguientes simplificaciones, el estado muerto no varía con la cesión de energía de nuestro sistema y como universo se toma el medio ambiente que rodea a nuestro sistema. Resumiendo, el estado muerto marca el estado del que nos es imposible extraer trabajo de un sistema y este depende del medio ambiente que le rodea.
1.9.3. EXERGÍA DE LA MATERIA ESTABLE
La exergía está sujeta a la ley de conservación solamente en procesos reversibles, en todos los demás casos puede desaparecer parcial o totalmente como resultado de la disipación de energía, lo cual es consecuencia de las irreversibilidades. Entre menor sea la pérdida de exergía más perfecto es el proceso.
La exergía de un sistema que interactúa con el ambiente se mantiene invariable durante las transformaciones reversibles dentro del sistema o durante una interacción con el ambiente. La exergía del sistema decrece si cualquiera de las transformaciones interiores o interactivas son irreversibles. Por ende, los procesos de interacción con el ambiente pueden estar conectados con entradas o salidas de calor pero no con entradas o salidas de exergía.
Para encontrar una expresión para la exergía de un sistema de materia estable, se hace uso de las definiciones de la primera y segunda ley de la termodinámica. La primera Ley de la termodinámica, aplicada a una masa específica de sustancia (1 kg), se puede establecer el balance de entropía como:
33
siendo h es la entalpía, q es la cantidad de calor transferida y w es el trabajo específico obtenido o aplicado al sistema. De la segunda ley de la termodinámica se puede obtener:
dq
ds d
T σ
= + (1.23)
en donde s es la entropía, T es la temperatura y σ es la pérdida por las irreversibilidades.
Así, para un proceso con parámetros iniciales y finales conocidos se puede escribir:
0
h h− = −q w (1.24)
0
q s s
T σ
− = + (1.25)
Multiplicando la Ec. (1.25) por –T0 y sumando con la Ec. (1.24) y reordenando se
puede obtener:
(
)
(
)
00 0 0 0
T q
h h T s s q w T
T σ
− − − = − − −
(
)
(
)
00 0 0 1 0
T
h h T s s q w T
T
σ
− − − = − − −
(1.26)
La Ec. (1.26) muestra el balance de exergía para un sistema dado, con condiciones iniciales y finales definidas, y está definida por los siguientes términos:
• Variación de exergía entre los flujos de entrada y salida:
(
)
0
ent sal ent sal ent sal
b −b =h −h −T s −s (1.27)
• Exergía transferida, asociada al calor transferido:
0 1 q
T b q
T
= −
34
• Exergía pura, que es igual al trabajo realizado o potencia obtenida:
pura
b =w (1.29)
• Tasa de destrucción de exergía:
0 dest
b =T
σ
(1.30)Se considera el flujo estable de materia de trabajo en un estado definido por su energía interna u, volumen específico v, entropía específica s, temperatura T y presión p. Los parámetros en equilibrio con el ambiente (en estado muerto) serán u0, v0, s0, T0 y p0. Para
determinar la exergía de flujo de materia es necesario calcular el máximo trabajo que puede ser obtenido en el proceso de transición de un estado dado a un estado de equilibrio con el ambiente.
(
)
0 0 0 0
b h h= − −T s s− = −h T s const+ (1.31)
En su forma diferencial es:
0
db=dh T ds− (1.32)
35
CAPITULO II: EL CICLO COMBINADO COMO ALTERNATIVA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA
En los últimos 20 años el Producto bruto Interno del Perú ha crecido a un ritmo aproximado del 6% anual, crecimiento que se encuentra sustentado en el dinamismo de diversas actividades (minería, industria, manufactura, entre otras); siendo una de las economías que más crece en América Latina y mantiene una inflación baja y estable. Este crecimiento, a su vez, se ve reflejado en la mayor demanda eléctrica. En efecto, las ventas de energía han crecido en promedio en un 8.1% cada año en el referido periodo, presentándose en el caso de algunas regiones un crecimiento bastante mayor, sobre todo en la zona norte del país, según reporta el Organismo Supervisor de la Inversión en Energía y Minería (OSINERGMIN, 2011) [6]. Las proyecciones estimadas del crecimiento de demanda por electricidad están entre 5.6% y 7.4% anual hasta el 2015.
Ninguna de las formas conocidas de generación logra una eficiencia del 100% con respecto a la generación de la energía producida a energía eléctrica. El ciclo combinado consiste en utilizar justamente la energía desperdiciada tratando de lograr que la eficiencia se incremente. Mediante la generación de ciclo combinado, se genera energía eléctrica y se aprovecha el calor o vapor generado (energía térmica) para otros fines, por lo general, industriales o domésticos. Así mismo, las empresas podrían utilizar la cogeneración de tal modo que, paralelamente al desarrollo de su proceso productivo, puedan generar energía eléctrica para su autoconsumo, e incluso, vender la energía excedente generada al sistema eléctrico público. El beneficio generado por la mayor eficiencia no solo se ve reflejado en menores costos y mayores ingresos, sino que se reduce el impacto ambiental.
2.1.EL GAS NATURAL EN LA GENERACIÓN ELÉCTRICA
36
La explotación del gas natural en el Perú, ha ayudado a incrementar la potencia eléctrica instalada. Actualmente, las reservas de gas natural representan la mayor proporción de energía primaria en el Perú con un porcentaje de 45.1% [6], siendo que hay nueve plantas de producción de gas natural. Las reservas del Perú están entre 12 y 25 billones de pies cúbicos, con una vida estimada de aproximadamente 40 – 50 años. Además, hay 59 proyectos de petróleo y gas en exploración. La mayoría de las reservas de gas natural se encuentran en Camisea (89% del total). También concentra el 95% del volumen de producción actual y posee 98% de las reservas de líquidos derivados de gas natural. El estado viene trabajando en desarrollar la red de abastecimiento de gas. Así, el gas natural se ha convertido en la clave para mantener las condiciones económicas y el dinamismo de la cadena productiva.
OSINERGMIN presento un proyecto de ley “Procedimiento para la determinación del incentivo a la contratación del Servicio Firme y eficiencia en el uso del gas natural”, que tiene como objetivo incentivar la contratación del gas natural en la modalidad de servicio firme para las centrales eléctricas e incrementar la eficiencia en el uso del gas natural vía centrales termoeléctricas de alto rendimiento térmico, como las centrales de ciclo combinado.
En la actualidad, el segundo rubro importante de empleo del gas natural (después de la exportación que representa casi el 60% de la producción total) es el sector de generación eléctrica que actualmente presenta un grado de ineficiencia comparativo muy elevado. Las turbinas de ciclo simple y ciclo combinado presentan un rendimiento de aproximadamente 33% y 55% frente a un rendimiento superior al 70% que ofrecen otros sistemas de cogeneración.
37
2.2. CICLO DE POTENCIA A GAS. CICLO BRAYTON
Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas de combustión interna a flujo continuo. Si bien se le llama ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no realiza un ciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que egresa son gases de combustión, o sea en un estado diferente al que se tenía cuando se inició el proceso, por eso se dice que es un “ciclo abierto”.
En la Fig. 2.1 se muestra el esquema de la instalación (izquierda) y el proceso termodinámico en el diagrama T – s, tanto para el ciclo ideal (área 1,2T,3T,4T,1), como para
el ciclo real (área 1,2,3,4,1). La desviación del comportamiento real del compresor y de la turbina respecto al comportamiento isoentrópico ideal se debe a las irreversibilidades que aparecen en el proceso de compresión del aire y expansión de los gases.
Figura 2.1 – Esquema de la instalación y diagrama T – s del ciclo Brayton Fuente: Cengel y Boles, 2012 [5]
El ciclo Brayton puede considerarse como un ciclo que comprende cuatro procesos: Proceso de compresión.- proceso representado condicionalmente por la línea 1 -2, donde el aire es tomado del medio ambiente y comprimido en el compresor.
Proceso de adición de calor.- Proceso a presión constante, representado por la línea 2 – 3, que ocurre en la cámara de combustión. En la cámara se quema combustible que produce
Tmáx
s
T p2= const
p1= const
2
4T
3T
2T
1
4 3 Caída de presión en
la entrega de calor
Caída de presión en la extracción de calor
C T
CC
G
1
2 3
4
C – Compresor
CC – Cámara de combustión T – Turbina
38
una reacción exotérmica, elevando el contenido energético de los gases, que son los productos de la combustión.
Proceso de expansión de los gases.- Proceso representado por la línea 3 -4 y que se produce en la turbina de la instalación.
Proceso de extracción de calor.- representado condicionalmente por la línea 4 – 1, ocurre a presión constante en donde los gases de combustión son expulsados al medio ambiente.
Como el flujo que atraviesa por los diferentes componentes de la instalación son flujos estacionarios y siendo los cambios de energía cinética y potencial despreciables, el balance de energía por unidad de masa puede expresarse mediante la siguiente relación:
(
qE−qS) (
+ wE−wS)
=hS−hE (2.1)siendo q w hE, E, E el calor, trabajo y entalpia respectivamente a la entrada y q w hS, S, S el
calor, trabajo y entalpia a la salida del proceso analizado.
Por tanto, para el ciclo ideal e isoentrópico, la transferencia de calor hacia el fluido y desde el fluido de trabajo será:
(
)
3 2 3 2
E T T p T T
q =h −h =c T −T (2.2)
(
)
4 1 4 1
S T p T
q =h −h =c T −T (2.3)
La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal, considerando que el fluido de trabajo es aire, puede ser determinada por:
(
)
(
)
(
)
(
)
4 1 1 4 1
3 2 2 3 2
1
1 1 1
1
p T T
neto E S S
ideal
E E E p T T T T T
c T T T T T
w q q q
q q q c T T T T T
η = = − = − = − − = − −
− − (2.4)
Como los procesos i – 2 y 3 – 4 son isoentrópicos, entonces p2 = p3 y p4= p1, por lo
39
1 1
3 3
2 2
1 1 4 4
k k k k T T T p T T p
T p p T
− −
= = =
Al sustituir estas ecuaciones en la relación de eficiencia térmica (Ec. 2.4) y luego de simplificar se obtiene:
2 1 1 1 1 ideal k k p r p r
η
= − − = (2.5)siendo r la relación de compresión y k la relación de calores específicos.
Para el caso del ciclo Brayton real, la desviación del comportamiento real del compresor y de la turbina del comportamiento isoentrópico ideal puede ser considerado adecuadamente si se tiene en cuenta las eficiencias isoentrópicas del compresor y de la turbina, definidas como:
2 1 2 1 C ideal T C
C real
w h h
w h h
η = ≅ −
− (2.6)
3 4 3 4 T real
T
T ideal T T
w h h
w h h
η = ≅ −
− (2.7)
Donde los estados representados por números con subíndice T corresponden a las condiciones ideales y los estados representados sólo con un número corresponden a las condiciones reales.
La eficiencia real se puede obtener por medio de la siguiente relación:
neto real T real C real T ideal T C ideal C
real
E E E
w w w w w
q q q
η
η
η
= = − = −40
real ideal
η
<η
(2.8)2.3. CICLO DE POTENCIA A VAPOR. CICLO RANKINE
Las instalaciones de potencia de vapor de agua trabajan fundamentalmente con el mismo ciclo básico Rankine, tanto si el suministro de energía viene de la combustión de combustibles fósiles (carbón, gas o petróleo), como si proviene de un proceso de fisión en un reactor nuclear. El ciclo de vapor de agua se diferencia de los ciclos de potencia de gas debido que en algunas partes de los procesos en el ciclo, se hallan presente tanto la fase liquida como la fase de vapor.
Un ciclo de potencia eléctrica moderno a gran escala resulta bastante complicado en cuanto a los flujos de masa y energía. Para simplificar la naturaleza de estos ciclos se analiza un modelo sencillo, que proporciona información cualitativa importante sobre la mayoría de los parámetros que afectan al funcionamiento del ciclo en su conjunto de las plantas de potencia de vapor bajo los principios del ciclo Rankine. En la Fig. 2.2 se muestra el esquema de la instalación y el diagrama temodinámico T s− para una instalación de vapor que trabaja bajo un ciclo Rankine.
Figura 2.2 – Esquema de una instalación a vapor (izquierda) y diagrama T s− del ciclo Rankine (derecha). Fuente: Çengel y Boles, 2012 [5]
1 2
3
4 2T
4T
s T
Turbina
Generador
Bomba Condensador Caldera
Agua de enfriamiento 4
3
2
41
El ciclo ideal de potencia de vapor de agua se compone de procesos de transferencia de calor a presión constante (hacia el fluido de trabajo en el generador de vapor y desde el fluido de trabajo en el condensador) y de procesos de trabajo adiabático (adición de trabajo por la bomba y entrega de trabajo por la turbina).
El ciclo Rankine está compuesto de los siguientes procesos:
Proceso de compresión del agua de alimentación.- representado por la línea 1 – 2 y que se realiza por medio de una bomba, que desarrolla una presión superior a la presión nominal (aproximadamente en 15 a 20%)
Proceso de entrega de calor.- representado por la línea 2 – 3, ocurre a presión constante en la caldera o generador de vapor, se produce el cambio de fase de líquido a vapor. El vapor se recalienta hasta alcanzar la temperatura nominal. El calor se obtiene de la combustión del combustible en la caldera.
Proceso de expansión.- representado por la línea 3 -4, ocurre en una turbina, el vapor se expande desarrollando trabajo en el eje de la turbina. El proceso de expansión generalmente se produce hasta una fase húmeda (vapor húmedo) con calidad entre 60 – 85%.
Proceso de extracción de calor.- representado por la línea 4 – 1, y se realiza en el condensador, que generalmente trabaja bajo una presión de vacío constante. El vapor agotado que llega de la turbina se enfría con agua fría, hasta condensarse por completo, hasta el estado líquido saturado a la presión de la salida de la turbina.
En un ciclo ideal, el trabajo de la bomba de alimentación y de la turbina son isoentrópicas, mientras que en la caldera y el condensador no se realiza ningún trabajo. Así, para los diferentes componentes de la instalación, para cada kilogramo de fluido se puede escribir:
Trabajo de la turbina: wT ideal =h3−h4T (2.9)
Trabajo de la bomba: wB ideal =h2T−h1=v p( 2− p1)
4 (2.10)
Trabajo útil: wneto ideal=wT−wB=
(
h3−h4) (
− h2−h1)
(2.11)
4 Si se considera que el líquido es incompresible, la densidad permanece constante, entonces el trabajo de
42
Calor entregado en la caldera: qE =h3−h2T (2.12)
Calor retirado en el condensador: qR=h4T −h1 (2.13)
La eficiencia del ciclo ideal Rankine puede determinarse por la relación:
(
3 4) (
2 1)
3 2 neto ideal T T ideal
E T
w h h h h
q h h
η
= = − − −− (2.14)
La diferencia entre el ciclo real e ideal de Rankine está dado por las irreversibilidades de los procesos, entre ellas, las pérdidas hidráulicas por fricción del fluido en las tuberías, las pérdidas de calor del vapor cuando circula por los componentes del sistema, así como las irreversibilidades en la bomba y la turbina. Para valorar estas pérdidas se utiliza el concepto de eficiencia isoentrópica de la turbina y de la bomba, siendo ellas:
3 4 3 4 T real
T
T ideal T
w h h
w h h
η = = −
− (2.15)
2 1 2 1 B ideal T B
B real
w h h
w h h
η = = −
− (2.16)
Al igual que en el ciclo Brayton, en el ciclo Rankine la eficiencia del ciclo real será menor que la eficiencia del ciclo ideal.
2.4. CICLO COMBINADO DE POTENCIA
43
Figura 2.3 – Proceso de generación de energía eléctrica en una planta de ciclo combinado. Fuente: Campo y Moratilla (2010) [8]
El proceso de generación de energía eléctrica en una planta de ciclo combinado comienza con la admisión de aire desde el exterior, el cual es conducido al compresor de la turbina de gas, a través de sucesivas etapas de filtrado, para ser comprimido y, a continuación, mezclado con el combustible, generalmente gas natural, en la cámara de combustión. En ésta, tras iniciarse y mantenerse el proceso de combustión, se produce de forma continua la oxidación del combustible en presencia de oxígeno. El resultado es un flujo de gases calientes que, al expandirse, hacen girar la turbina de gas proporcionando trabajo útil; un alternador permite transformar dicho trabajo útil en energía eléctrica.
