Ciclos Combinados

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

“RAFAEL MARÍA BARALT”

PROGRAMA: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

PROYECTO: INGENIERÍA DE GAS

ALTAGRACIA, OCTUBRE DE 2012.

ESQUEMA

1. CICLOS COMBINADOS

2. CICLOS RANKIE

3. EQUIPOS

4. CONFIGURACIÓN

5. RENDIMIENTO TÉRMICO

DESARROLLO

1. CICLOS COMBINADOS

El funcionamiento de la central de ciclo combinado está basado en la integración de dos tipos de ciclo a distintas temperaturas, uno abierto de aire-gases (Brayton) y otro cerrado de agua-vapor (Rankine), con el fin de generar potencia eléctrica mediante la transformación de la energía termodinámica de los fluidos en energía mecánica (en turbinas) y ésta en eléctrica (en el generador).

Cada turbina de gas acciona el compresor que aporta el aire para el proceso de combustión, lo filtra y lo introduce en las cámaras de combustión junto con el combustible. Los gases de combustión, a muy alta temperatura y presión, se expanden accionando la turbina de gas que reparte el trabajo mecánico al compresor de aire y al generador eléctrico, donde finalmente se produce electricidad.

Los gases que salen de la turbina de gas (a unos 625ºC) que no se pueden aprovechar para generar más energía directa, se introducen en una caldera de recuperación de calor, que transforma el agua del ciclo agua-vapor en vapor a alta temperatura. El vapor generado en la caldera de recuperación se expande en la turbina de vapor. Los gases son finalmente evacuados por una chimenea cuya cota de coronación es +120 msnm (altura aproximada de 115,8 m) a unos 90ºC.

El vapor de descarga de la turbina de vapor se condensa en el condensador y el agua condensada se bombea de nuevo a la caldera de recuperación. La refrigeración del condensador se realizará mediante circuito abierto con agua de mar.

La potencia eléctrica del grupo multieje es de 820.300 kW. Se consumen 14.000 Kw en usos internos, por lo que la potencia eléctrica neta suministrada a la red eléctrica española es de 806.300 kW. El rendimiento térmico neto (PCI) es del 57,65%. La central está diseñada para poder operar a plena carga durante 8.500 h/año. Su producción dependerá de la demanda externa de energía y de la estrategia del propietario de la central en la venta de energía al sistema.

La central opera con gas natural, con un consumo de 133.620 Nm3 /h operando en las condiciones de diseño, en el grupo multieje. Está diseñada para operar utilizando gasóleo como combustible alternativo en las turbinas de gas, con un contenido máximo en azufre del 0,2% en peso

El agua potable, de servicios y agua desmineralizada se tomará de las instalaciones existentes en la central térmica de Escombreras, grupos 4 y 5. Los caudales de agua de circulación (agua de mar) se ajustarán a lo dispuesto en la Autorización del Dominio Público Marítimo Terrestre, concedido por la Autoridad Portuaria.

La central consume otros gases y líquidos en cantidades menores, tales como hidrógeno y anhídrido carbónico para los generadores eléctricos, nitrógeno en operaciones de inertización, aceites y grasas para lubricación y diversos compuestos químicos para los tratamientos del agua y vapor.

El combustible principal es el gas natural para alimentar a las turbinas de gas, siendo el gasóleo el combustible de reserva en caso de interrupción del suministro de gas natural. El gasóleo es también el combustible de reserva para las calderas auxiliares y para el generador diésel de emergencia.

El suministro de gas natural procederá de la planta regasificadora que Enagás posee en la dársena de Escombreras, en las proximidades del emplazamiento de la central actual. El gas aún pudiendo provenir de las diferentes fuentes de suministro que pueden recepcionarse en dicha regasificadora, tiene unas características adecuadas para su utilización en esta central.

El ciclo combinado recibirá el combustible a utilizar en las turbinas de gas a través de un nuevo gasoducto de transporte, actualmente en proceso de autorización, que conectará la central con el gasoducto de Alta Presión B (40-72 bar), de 16” de diámetro, en la nueva posición 15.33 que Enagás proyecta construir en las inmediaciones para dar servicio a las centrales de ciclo combinado proyectadas en la zona y que ya está autorizada.

La cantidad de gas a suministrar para que la central trabaje a plena carga será de 133.620 Nm3 /h para una potencia instalada de 800 MWe (cada una de las turbinas 66.810 Nm3 /h). El sistema está compuesto por una línea de conexión de alta presión, una Estación de Regulación y Medida (ERM) y las líneas de distribución y alimentación a las turbinas y calderas auxiliares de arranque.

El sistema de gas natural suministra el gas combustible para la operación continua de las turbinas a una presión máxima de 32,75 barg y a una temperatura máxima de 185ºC, libre de humedad y de impurezas.

2. CICLOS RANKIE

El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera.

Los diagramas p-V en los que interviene un líquido que se vaporiza tienen una diferencia respecto a los de gas: aparece la llamada campana de cambio de fase. El diagrama de fases de Clapeyron tiene el aspecto del gráfico, y se puede ver su obtención en la animación de más abajo.

A la izquierda de la campana tenemos estado líquido, que apenas varía su volumen cuando se calienta o se aumenta su presión. Por eso las líneas isotermas son casi verticales.

A la derecha de la campana tenemos vapor, que se comporta como un gas, por lo que las líneas isotermas son similares a las de los gases ideales.

En el interior de la campana, el líquido se está evaporando, y las líneas de temperatura constante son horizontales. Esto es debido a que dada una presión, el calor que se le aporte al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en la evaporación.

El modelo termodinámico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton, a pesar de que se generaliza como ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este finaliza en un estado diferente al que tenía cuando inició los procesos, se podría decir que es un ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo.

El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos:

1-2. Compresión isentrópica en un compresor.

2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de combustión.

3-4. Expansión isentrópica en una turbina.

4-1. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera.

Figura 1. Ciclo termodinámico básico de las turbinas de gas.

En el ciclo Brayton, el trabajo neto realizado por unidad de masa es la diferencia entre el trabajo obtenido en la expansión y el trabajo invertido en la compresión, es decir:

Wnet = Wt - Wc

Para un gas ideal, el trabajo neto puede escribirse como:

Wnet = Wt - Wc

Y el calor de adición por unidad de masa será:

Al igual que en el ciclo Ranking, la eficiencia térmica del ciclo Brayton es la relación entre el trabajo neto desarrollado y el calor adicionado:

ηter = Wnet / qA

La eficiencia térmica del ciclo Brayton para un gas ideal puede escribirse como:

En la figura se muestra una representación esquemática del ciclo Brayton.

Esquema del ciclo básico de las turbinas de gas.

3. PROCESOS COMBINADOS (EQUIPOS)

El ciclo combinado se basa en la unión de dos ciclos de potencia (ciclos de producción de energía) de manera que el calor que genera uno lo aprovecha el otro ciclo. En concreto, se utiliza un ciclo de potencia de gas y un ciclo de potencia de vapor.

En lo que hace referencia al ciclo de gas (o también ciclo superior) se lleva a cabo una combustión, esto es

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