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que son las centrales de ciclo combinado? 

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¿Qué es una central térmica de ciclo combinado?

Las centrales térmicas de ciclo combinado transforman la energía térmica del gas natural en electricidad mediante el trabajo conjunto de una turbina de gas y otra de vapor. El proceso implica la puesta en marcha de dos ciclos consecutivos: el ciclo de Brayton, que corresponde a la turbina de gas convencional, y el ciclo de Rankine, que opera con la turbina de vapor.

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Ventajas del ciclo combinado

Las centrales térmicas de ciclo combinado se caracterizan por ser más flexibles que las convencionales. Esto significa que puede operar a plena carga o cargas parciales, hasta un mínimo de aproximadamente el 45% de la potencia máxima. Además, son más eficientes - mayor eficiencia por un margen más amplio de potencias-, sus emisiones son más bajas, el consumo de agua de refrigeración es más reducido y ahorran energía en forma de combustible. Por último, se construyen más rápidamente que otras centrales y requieren menor superficie por MW instalado, lo que reduce el impacto visual.

Partes de una central de ciclo combinado

La central térmica de ciclo combinado se compone principalmente de tres elementos: turbina de gas, turbina de vapor y caldera de recuperación. A continuación, desgranamos los detalles de cada uno de ellos.

La turbina de gas es la parte fundamente del ciclo combinado. Es una turbina de combustión interna formada principalmente por:

Compresor. Su función es inyectar el aire a presión para la combustión del gas y la refrigeración de las zonas calientes.

Cámara de combustión. Lugar donde se mezcla el gas natural con el aire a presión, produciendo la combustión.

Turbina. Espacio donde se produce la expansión de gases que provienen de la cámara de combustión. Consta de tres o cuatro etapas de expansión. La temperatura de los gases de entrada puede llegar a los 1.400ºC, mientras que los gases de salida alcanzan los 600ºC.

Turbina de vapor. Transforma la energía del vapor en energía cinética del rotor. Por lo general, consta de tres cuerpos y está basada en la tecnología convencional. Es muy habitual que la turbina de vapor y la de gas estén acopladas a un mismo eje, de manera que accionan un mismo generador eléctrico.

Otro elemento fundamental de las centrales de ciclo combinado es la caldera de recuperación. Se trata de una caldera convencional donde el calor de los gases que provienen de la turbina de gas se aprovecha en un ciclo de agua-vapor.

Funcionamiento de una central térmica de ciclo combinado

El proceso de transformación del gas natural en electricidad comienza cuando el aire procedente del exterior se comprime a alta presión en el compresor. Desde ahí, se conduce a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible. Después, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan. Esto provoca que la energía calorífica se transforme en energía mecánica, transmitiéndolo al eje.

Posteriormente, 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 se produce el ciclo de agua vapor convencional en el que el vapor hace girar la turbina de vapor. A la salida de la turbina el vapor se condensa (transformándose nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor. Por lo general, la turbina de gas y la turbina de vapor se acoplan a un mismo eje, de manera que accionan conjuntamente un mismo generador eléctrico.

Impactos medioambientales

Las centrales térmicas de ciclo combinado que funcionan con gas natural son más respetuosas con el medio ambiente que otras tecnologías de producción eléctrica. Además, forman parte de la política medioambiental de muchos países. Una de sus ventajas más destacadas es que las emisiones de CO2 en relación a los kilovatios/hora producidos son menos de la mitad que las emisiones de una central convencional de carbón.

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Las centrales térmicas de ciclo combinado transforman la energía térmica del gas natural en electricidad mediante el trabajo conjunto de una turbina de gas y otra de vapor. El proceso implica la puesta en marcha de dos ciclos consecutivos: el ciclo de Brayton, que corresponde a la turbina de gas convencional, y el ciclo de Rankine, que opera con la turbina de vapor.

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Rodolfo Guerrero Rivera
Sener Ingeniería y Sistemas, S.A., México, rodolfo.guerrero@sener.com.mx

InTech México Automatización,
Edición Marzo - Mayo 2017.

RESUMEN

El desarrollo industrial y económico de México ha sido un factor para que la demanda de energía eléctrica crezca año tras año; lo que conlleva a la construcción de nuevas plantas de generación para cubrir dicho recurso. Entre las alternativas tecnológicas que existen, los grandes productores de energía eléctrica, como lo son la Comisión Federal de Electricidad y los Productores Independientes, optan por las Plantas de Ciclo Combinado porque su tecnología es una de las más eficientes, proveen flexibilidad de operación y tienen menor impacto ambiental que cualquier otro tipo de tecnología equivalente. Su operación se basa en el uso de combustibles fósiles tales como el Diésel, Gasóleo o gas natural; siendo este último el combustible mayormente usado debido a su facilidad de transporte por ducto lo cual le da una disponibilidad permanente y no requiere almacenamiento como los combustibles líquidos. Otros factores que favorecen la selección de las plantas de Ciclo Combinados son el bajo costo de construcción y el poco espacio que ocupan comparadas con plantas de generación de capacidades iguales y diferentes tecnologías.

PALABRAS CLAVES: Ciclo, eficiencia, costo, flexibilidad y disponibilidad.

¿QUÉ ES UNA PLANTA DE CICLO COMBINADO?

La planta de ciclo combinado es una planta de generación de energía eléctrica que combina dos procesos de conversión de la energía. Esto es, conjunta un proceso usando una o varias turbinas de gas que funcionan bajo el ciclo termodinámico de Brayton, con una eficiencia entre 30% y 36%, con un proceso utilizando una turbina de vapor que opera bajo un ciclo termodinámico de Rankine, con una eficiencia entre 34% y 40% [1]. La operación en ciclo combinado de ambos procesos termodinámicos eleva la eficiencia total a valores entre el 58% y el 64%. La configuración de estos dos ciclos termodinámicos en una Central de Ciclo Combinado da como resultado una planta con mayor flexibilidad de operación, alta disponibilidad y con un costo de inversión mucho menor en comparación a plantas eléctricas de capacidad similar de generación que usan combustibles fósiles, tipo hidroeléctrico o nuclear.

Los ciclos combinados se pueden clasificar de acuerdo a su configuración mecánica en mono-eje, estando constituidos por una turbina de gas, una turbina de vapor y un generador, los cuales están montados en el mismo eje o flecha; y en configuración multi-eje, siendo aquellos donde la turbina de gas y su generador están montados en un eje y la turbina de vapor y su generador en otro eje.

Una breve descripción de los componentes de una Planta de Ciclo Combinado se realiza a continuación con un arreglo de una turbina de gas, un generador de vapor por recuperación de calor (GVRC) y una turbina de vapor (ver figura 1). En los arreglos de planta donde hay dos o más turbinas de gas, cada turbina de gas tendrá asociado un GVRC.

Adicionalmente, las Plantas de Ciclos Combinados requieren considerar una serie de servicios auxiliares denominados Balance de Planta. Entre los principales servicios auxiliares se encuentra el Sistema de Agua de Alimentación que típicamente incluye una planta de tratamiento de agua, al sistema de enfriamiento, al sistema de dosificación de químicos, entre otros [2].

TURBINA DE GAS

El aire es tomado del ambiente, pasa a través de un filtro para eliminar impurezas y, posteriormente, se comprime hasta la presión requerida para llevar a cabo la combustión. Como en todo proceso de compresión de gas, el incremento de la presión va asociado con un incremento en la temperatura; por lo tanto, se obtiene aire caliente a presión.

En la cámara de combustión, se mezcla el aire comprimido con combustible en estado gaseoso y se produce la combustión. Los gases calientes a presión se envían a la sección de la turbina donde se produce la expansión de los mismos hasta llegar a una presión aproximada a la presión atmosférica (ver figura 2). Los gases calientes aún con mucha temperatura, son enviados al GVRC.

GENERADOR DE VAPOR POR RECUPERACIÓN DE CALOR (GVRC)

La función del GVRC es generar vapor sobrecalentado a las condiciones que requiere la turbina de vapor (ver figura 3). Para incrementar su eficiencia, comúnmente, la operación de la turbina de vapor se diseña para trabajar con dos o tres niveles de presión.

La diferencia principal entre un GVRC y una caldera convencional consiste en que los GVRC no requieren quemar combustible para producir vapor, lo generan a partir de la energía contenida en los gases de combustión de la turbina de gas.

En algunas ocasiones se instala un quemador suplementario en el GVRC con el fin de incrementar la cantidad de vapor producido o incrementar la temperatura de los gases provenientes de la turbina de gas. Esta situación es cada vez menos frecuente debido a los avances en el diseño de las turbinas de gas.

TURBINA DE VAPOR

Los Ciclos Combinados usan turbinas de vapor de tipo axial con varios componentes que trabajan a diferente presión. En la figura 4 se representa una turbina de vapor de tres niveles de presión. El vapor de alta presión entra a la sección de alta presión (AP) y después de expandirse, retorna al GVRC para recalentarse y, posteriormente, es enviado a la turbina como vapor recalentado de media presión. El vapor de recalentado alimenta la sección de media presión (MP) y su descarga se une a la corriente de vapor de baja presión (BP) que alimenta la última sección de la turbina. Finalmente, el vapor agotado que sale de la sección BP se condensa y se recupera para alimentar al GVRC.

CONTROL DE UN CICLO COMBINADO

Debido a la cantidad de señales manejadas en el sistema de control de un Ciclo Combinado (entre 3,000 y 6,000 señales dependiendo del tamaño y configuración de la planta) es recomendable usar un Sistema de Control Distribuido. El cual deberá ser capaz de dar respuesta rápida y eficiente a los requerimientos de arranque, paro y variaciones de carga de la Central [1] y deberá contar con las facilidades para enviar y recibir señales desde el Centro Nacional de Control de Energía (CENACE); organismo que controla a nivel nacional la generación de energía eléctrica.

Los equipos principales, como son las turbinas de gas y vapor y algunos equipos auxiliares, son suministrados con sus propios sistemas de control. Por lo tanto, el sistema de control de la Central debe contar con los protocolos y facilidades necesarias para comunicarse con estos sistemas de control y poder coordinar todas las operaciones del Ciclo Combinado.

Los periodos de arranque y paro son muy importantes y requieren de un cuidado muy especial [2]. Un algoritmo, denominado Control Maestro, es configurado con una serie de lógicas que controlan y protegen los equipos durante los periodos de arranque y paro. El sistema de control debe ser capaz de arrancar en forma automática todos los equipos de la Central y controlar la carga eléctrica desde 0\% hasta un valor predefinido durante el diseño de la plantas, suficientemente estable para su transferencia del control Maestro al control Automático de Carga.

Para controlar las variaciones de carga, se incluye otro algoritmo, denominado Control Automático de Carga, el cual tomará el control de la Central una vez que el control Maestro haya terminado la secuencia de arranque y la planta y la carga hayan alcanzado el valor adecuado para la transferencia de controles. El control de carga llevará la Central al 100\% de su capacidad o al valor de ajuste prefijado y controlará todas las variaciones de carga durante la operación de la central. Esto se logra controlando la carga parcial del generador de cada turbina.

Algunos puntos que se deben tener en cuenta para implementar el sistema de control de un Ciclo Combinado son [1]:

Las variables críticas de protección y control deben contener circuitos de control y protección de triple redundancia (lógica 2oo3).

Las variables no críticas se pueden controlar con circuitos redundantes (lógica 1oo2).

Las variables de solo medición o alarma pueden incluirse sin redundancia.

Una cantidad suficiente de tarjetas de entrada con tiempo de resolución menor a las normales deben ser incluidas para el registro de variables críticas que puedan generar un paro de planta.

Un reloj satelital debe ser incorporado para permitir la sincronización de tiempo de todos los sistemas de control existentes en la Central

Adicionalmente, el sistema de control debe tener las estaciones de trabajo suficientes para la operación adecuada de la central. Una cantidad suficiente de gráficos deben ser incluidos para tener centralizados todos los datos de operación, alarmas y facilidades requeridos por los operadores para el completo control de la Central. También, se deberá contar con gráficos para el análisis y la revisión de las condiciones de la planta.

CONCLUSIONES

La gran actividad industrial, así como, la demanda de servicios por parte de la sociedad, demandan un suministro de energía eléctrica continuo, confiable, y a un precio razonable, además de ser amigable con el medio ambiente. Comparando las plantas de ciclo combinado con otro tipo de plantas podemos observar que tienen la misma confiabilidad y continuidad de operación que las plantas termoeléctricas convencionales y las plantas nucleoeléctricas, pero sus costos de inversión y de operación, así como sus emisiones de contaminantes al medio ambiente son mucho menores que estas. Comparadas con las plantas solares y eólicas, los ciclos combinados tienen más emisiones a la atmósfera, pero no sufren la intermitencia de operación que tienen esas plantas ante la falta de energía solar o de viento. Estas características colocan a las plantas de ciclo combinado como la alternativa más viable para producir energía eléctrica a gran escala en la actualidad.

REFERENCIAS

[1] Santiago Sabugal García, Florentino Gómez Moñux. (2006). Centrales Térmicas de Ciclo Combinado. Teoría y Proyecto. España: Ediciones Díaz de Santos.

[2] Santiago García Garrido, Pablo Ratia Gomez, Jorge Perea Samper. (2008). Operación y Mantenimiento de Centrales de Ciclo Combinado. España: Ediciones Díaz de Santos.

ACERCA DEL AUTOR

Rodolfo Guerrero Rivera. Ingeniero Electricista con especialidad en Automatización y Control. En Sener Ingeniería y Sistemas, S.A. ha participado durante más de veinte años como Gerente Técnico de Electricidad e Instrumentación y como Especialista y Consultor en Control e Instrumentación, liderando el diseño de la instrumentación y el control al menos para nueve plantas de Ciclo Combinado y cinco Plantas de Cogeneración, con participación también en las pruebas y puesta en marcha de varias de estas plantas. También ha participado en el diseño de diversas plantas de Refinación, Petroquímica y Minería. Además cuenta con más de diez años de experiencia en el mantenimiento y operación de plantas industriales y de generación de energía eléctrica.

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Los Ciclos Combinados y su Control | ISA Sección Central México

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Rodolfo Guerrero Rivera Sener Ingeniería y Sistemas, S.A., México, rodolfo.guerrero@sener.com.mx InTech México Automatización, Edición Marzo - Mayo 2017. El desarrollo industrial y económico de México ha sido un factor para que la demanda de energía eléctrica crezca año tras año; lo que conlleva a la construcción de nuevas plantas de generación para cubrir dicho recurso.

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¿Qué ventajas tiene una central de ciclo combinado?

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¿Qué ventajas tiene una central de ciclo combinado?

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Las centrales de ciclo combinado de gas natural reducen el consumo de energía, la contaminación atmosférica, el consumo de agua, la ocupación de suelo, el impacto derivado de la circulación de camiones para el aprovisionamiento de materia primera debido al suministro del gas natural a través de un gasoducto, las perdidas de electricidad debido a la ubicación cercana de los puntos de consumo final de electricidad y la inversión inicial. Los rendimientos de una central de ciclo combinado son de aproximadamente el 60% mientras que los de una central térmica convencional de un 37%.

Las ventajas ambientales de las Centrales de Ciclo Combinado

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Las ventajas ambientales de las Centrales de Ciclo Combinado - Fundación Naturgy

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Las centrales de ciclo combinado de gas natural reducen el consumo de energía, la contaminación atmosférica, el consumo de agua, la ocupación de suelo, el impacto derivado de la circulación de camiones para el aprovisionamiento de materia primera debido al suministro del gas natural a través de un gasoducto, las perdidas de electricidad debido a la ubicación cercana de los puntos de consumo final de electricidad y la inversión inicial.

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Contaminan el aire y el medioambiente.

Como el combustible es poco utilizable, por lo que cada ver es más caro.