ciclos de potencia combinados de gas y vapor

Lianne Colpas Barraza

Edwin Peralta Hernández

Francisco Sorzano JiménezUniversidad del Atlántico

Ciclos combinadosA principios del siglo xx en 1925 se desarrollo la idea de obtener trabajo con la combinación de dos ciclos de Rankine: uno con fluido motor mercurio y otro con agua. Fue sin embargo el pleno desarrollo de las turbinas de gas como el elemento productor de potencia y el acoplamiento de estas en un ciclo de Rankine agua-vapor lo que ha permitido el desarrollo de los ciclos combinados que se conocen hoy en día.

La justificación de los ciclos

combinados reside en que, desde

un punto de vista tecnológico,

resulta difícil conseguir un ciclo

termodinámico que trabaje entre

las temperaturas medias de los

focos calientes y frio usuales. Es

por ello, que se acude al

acoplamiento de dos ciclos: uno

especializado en la producción de

trabajo con alta eficiencia en

rangos altos de temperaturas de

trabajo(Brayton) y otro para

temperaturas medias-

bajas(Rankine).

¿Qué es un ciclo combinado? Es un ciclo de potencia que se basa

en una planta típica de ciclo combinado de una turbina de vapor y otro de una turbina de gas. El calor no utilizado por uno de los ciclos se emplea como fuente de calor del otro. De esta forma los gases calientes de escape del ciclo de turbinas de gas entregan la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo del combustible.

La energía obtenida en las centrales

eléctricas de ciclos combinados puede ser

utilizada, además de la generación eléctrica,

para calefacción a distancia y para la

obtención de vapor de proceso.

Funcionamiento

En primer lugar el aire es comprimido a alta presión en el compresor, pasando a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible.

A continuación, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje.

Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional.

A continuación, los gases de combustión pasan

por la turbina de gas donde se expansionan y

su energía calorífica se transforma en energía

mecánica, transmitiéndolo al eje.

Actualmente la tendencia es acoplar la

turbina de gas y la turbina de vapor a un

mismo eje, de manera que accionan

conjuntamente un mismo generador eléctrico.

Ventajas del Ciclo Combinado

Flexibilidad. La central puede operar a

plena carga o cargas parciales, hasta un

mínimo de aproximadamente el 45% de la

potencia máxima.

Eficiencia elevada. El ciclo combinado

proporciona mayor eficiencia por un margen

más amplio de potencias.

Sus emisiones son más bajas que en las

centrales térmicas convencionales.

Bajo consumo de agua de refrigeración.

Ahorro energético en forma de combustible

EJERCICIO

ɳc = 80%= 0.80

ɳt = 85%= 0.85

rp = 8 (relación de presiones)

TURBINA DE GAS (BRAYTON)

Compresor:

T1 = 300k (entrada)

h1 = 300.19 kJ/kg Pr1 = 1.386

[Tabla A-17]

Pr2 = 11.10

h2 = 544.35 kJ/kg

T2 = 540k (salida)[Tabla A-17]

Turbina:

T3 = 1300k (entrada)

h3 = 1395.97 kJ/kg Pr3 = 330.9 [Tabla A-17]

Pr4 = 41.36

Interpolando: [Tabla A-17]

Pr T (k) h (kJ/kg)

43.35 780

41.36 T4

39.27 760

h4 = 789.37 kJ/kg T4 = 770.24k (salida)

Wcomp,entrada = h2 – h1 = 244.16 kJ/kg TRABAJO

Wturb,salida = h3 – h4 = 606.60 kJ/kg IDEAL

Trabajo real: Wc,entrada = Wideal / ɳc = (244.16 kJ/kg)/ (0.80)

Wc,entrada = 305.2 kJ/kg

Wt,salida = Wideal * ɳs = ( 606.6 kJ/kg) * (0.85)

Wt,salida = 515.61 kJ/kg

Wc,ent = h2’ - h1 h2’ = 605.39 kJ/kg

Interpolando: [Tabla A-17]

T (k) h (kJ/kg)

600 607.02

T2’ 605.39

590 596.52

T2’ = 598 k (temperatura real de salida del compresor)

Wt,sal = h3 – h4’ h4’ = 880.36 kJ/kg

Interpolando: [Tabla A-17]

T (k) h (kJ/kg)

860 888.27

T4’ 880.36

840 866.08

T4’ = 853 k (temperatura real de salida de la turbina)

h5’ = h@450k = 451.8 kJ/kg [Tabla A-17]

qentrada = h3 – h2’ =(1395.97 – 605.39) kJ/kg = 790.58 kJ/kg

Wneto = Wt,sal - Wc,ent = 210.41 kJ/kg

ɳtermico = Wneto / qentrada = 0.266 = 26.6%

CICLO DE VAPOR IDEAL (RANKINE):

P3 = 7 Mpa T3 = 500 ºC h3 = 3411.4 kJ/kg [Tabla A-6]

P2 = 5 Kpa T2 = 33 ºC h2 = 144.78 kJ/kg

[Tabla A-4 y A-5]

ɳtermico = 40.8% = 0.408 Wneto = 1331.4 kJ/kg

BALANCE DE ENERGIA (INTERCAMBIADOR DE CALOR)

Eentrada - Esalida = ∆Esistema

Eentrada = Esalida

ṁgas* h4’ + ṁvapor* h2 = ṁgas* h5’ + ṁvapor* h3

Wneto = Wneto, gas + y.Wneto, vapor

Wneto = (210.41 kJ/kg de gas) + (0.131 kg de vapor/kg de

gas)*(1331.4 kJ/kg de vapor)

Wneto = 384.8 kJ/kg de gas

ɳtermico = Wneto / qentrada = (384,08 / 790,58) kJ/kg

ɳtermico = 0.487 = 48.7%