o mundial, la tendencia general es la utilización de máquinas de ciclo combinado en los proyectos de nuevas centrales eléctricas.
Este fenómeno es similar entre las empresas del sector gasero y petrolero, que en los últimos meses solicitan licencias de instalación para diferentes proyectos de centrales de ciclo combinado a gas.
Los expertos coinciden en señalar que se trata de una maquinaria que cuenta con una eficiencia elevada, bajas emisiones de contaminantes y reducidos costos de instalación, en comparación con otras tecnologías.
Pero, ¿qué es un ciclo combinado? Es un ciclo de potencia que se basa en el acoplamiento de dos ciclos diferentes de producción de energía, uno de turbina de vapor y otro de turbina de gas. El calor no utilizado por uno de los ciclos se emplea como fuente de calor del otro.
De esta manera, 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 de combustible y la energía obtenida en estas instalaciones puede ser utilizada, además de la generación eléctrica, para calefacción a distancia y para la obtención de vapor de proceso.
El funcionamiento es muy sencillo: el aire aspirado desde el ambiente ingresa al turbogrupo del ciclo de gas, es comprimido por un compresor y posteriormente se mezcla con el combustible en la cámara de combustión para su quemado. En esta cámara, el combustible ingresa atomizado.
Los gases de combustión calientes se expanden en la turbina de gas proporcionando el trabajo para la operación del compresor y del generador eléctrico asociado al ciclo de gas. Los gases de escape calientes que emanan de la turbina de gas ingresan a la caldera de recuperación. En esta caldera de recuperación se produce el intercambio de calor entre los gases calientes de escape y el agua a alta presión del ciclo de vapor. Es decir, el aprovechamiento del calor de los gases de escape llevando su temperatura al valor más bajo posible. Los gases enfriados son descargados a la atmósfera a través de una chimenea.
Consideraciones termodinámicas
En relación con el ciclo de vapor, el agua proveniente del condensador ingresa a un tanque de alimentación desde donde se envía a distintos bancos de alimentación de intercambiadores de calor de la caldera de recuperación, según se trate de ciclos combinados de una o más presiones.
En la caldera de recuperación el agua pasa por 3 sectores: el economizador, el de evaporación y el de recalentamiento. En el primer sector, el agua se calienta hasta la temperatura de evaporación y en el mismo se sobrecalienta hasta temperaturas máximas del orden de los 540 grados centígrados, aprovechando las altas temperaturas a las que ingresan los gases de escape de la turbina de gas a la caldera de recuperación.
Desde el punto de vista termodinámico, el ciclo combinado se puede analizar siguiendo los procedimientos establecidos para los ciclos de térmicos Rankine y Brayton, que son los correspondientes al ciclo de vapor y gas, respectivamente.
La eficiencia termodinámica de un ciclo Rankine se puede incrementar con algunas de las siguientes acciones: disminución de la presión en el condensador (esto está limitado por la temperatura del agua de refrigeración disponible y por el aumento del tamaño del condensador), aumento de la presión de entrada a la caldera de recuperación (esto tiene una limitación de orden práctico-técnico económico, con valores de presión entre 250 y 350 bar), y aumento de la temperatura de sobrecalentamiento (en este caso la temperatura máxima viene limitada por la resistencia de los materiales de construcción con límites prácticos del orden de los 600 grados centígrados).
En relación con el ciclo Brayton, éste es abierto y su eficiencia se puede aumentar al poner en marcha el ciclo regenerativo, en el cual se precalienta el aire que sale del compresor con los gases de escape de la turbina de gas, aprovechando así una parte de su energía remanente. La eficiencia también puede aumentar mediante el enfriamiento intermedio en la compresión.
Hacia un acoplamiento de ambos sistemas
El acoplamiento de ambos ciclos trae como consecuencia la correspondiente mejora de las eficiencias termodinámicas. El aprovechamiento es total, dentro de los límites prácticos, de la energía de los gases de escape de la turbina de gas aplicando la misma a la generación de vapor y su sobrecalentamiento a niveles de temperatura óptimos para la eficiencia del ciclo.
La optimización termodinámica del ciclo combinado requiere minimizar la pérdida de exergía, es decir la energía transmisible a un cierto nivel de temperatura y aumentar al máximo la transmisión de energía en la recuperación.
También, se puede obtener una recuperación adicional de exergía convirtiendo el ciclo combinado de una presión en un ciclo de dos presiones. Esto se logra agregando dos bancos de intercambiadores de calor en la caldera de recuperación, correspondientes a un economizador y un sobrecalentador que operan a presiones distintas de los de ciclo combinado de una presión.
Otra ventaja termodinámica del ciclo combinado, es la menor cesión de energía en el condensador del ciclo de vapor respecto de la que correspondería a un ciclo de vapor de igual potencia que el ciclo combinado. Esto se explica porque la potencia del ciclo de vapor es del orden de un tercio de la potencia total del ciclo combinado.
Limitantes y ventajas en los ciclos combinados
Este tipo de configuración permite la conversión o repowering de instalaciones térmicas con turbinas de vapor con el consiguiente aumento de la eficiencia integral de las mismas. De hecho, los fabricantes de turbinas de gas y plantas de ciclo combinado señalan las siguientes razones para justificar el mayor uso de los mismos: disponibilidad de grandes volúmenes de gas natural; posibilidad de uso de otros combustibles (carburante diesel o carbón gasificado), con rendimientos elevados pero con limitaciones en el funcionamiento de los quemadores; elevados rendimientos con buen factor de carga; bajo impacto ambiental en relación con las emisiones óxidos de nitrógeno (NOx) y menor eliminación de calor al medio ambiente; menores requerimientos de refrigeración respecto a una central convencional de igual potencia, y bajos costos de capital y cortos plazos de entrega de las plantas, para los niveles de eficiencia obtenidos.
El rendimiento de los ciclos combinados que operan en la actualidad es del orden del 57 por ciento, valor que supera a los rendimientos de los ciclos abiertos de turbinas de gas y a los de vapor que trabajan de manera independiente. El desarrollo práctico de los ciclos combinados estuvo vinculado al desarrollo tecnológico de los materiales para construir turbinas de gas capaces de operar a relaciones de presión relativamente altas, de 10:1 hasta 13:1 y con temperaturas de entrada del orden de 1,080 grados centígrados.
Esto originó un retraso en el avance de la utilización de estos ciclos. Sin embargo, la situación mejoró en los últimos 10 años y en la actualidad, en el mercado se encuentran turbinas que admiten temperaturas de entrada del orden de 1,400 grados centígrados. Las mejoras en el diseño de componentes y materiales han permitido elevar la potencia y la eficiencia térmica de las turbinas de gas y, por lo tanto, del ciclo combinado. Sin embargo, algunos expertos consideran que los avances en la tecnología de turbinas de gas pueden estar llegando a su límite, debido a que los materiales actuales no permiten temperaturas superiores.
Actualmente, se buscan soluciones con materiales cerámicos y los de tipo monocristalino, los cuales ya se usan en las turbinas de avión. Sin embargo, su empleo en turbinas de potencia requiere incluso de mayores desarrollos en razones de su mayor peso, tamaño y menor pureza del combustible utilizado.
Una de las limitaciones que imponen los materiales y las temperaturas de trabajo asociadas a los equipos y componentes del circuito de los gases de combustión, son los esfuerzos térmicos que aparecen cuando estos ciclos se operan en forma intermitente o se ciclan. Estos esfuerzos son mayores a los que se producen en operación continua, ya que cuando se efectúa el ciclado los transitorios de arranque y parada son mucho más frecuentes.
En estos transitorios se produce fatiga termomecánica de los metales base. Tanto este tipo de paradas como las de emergencia, afectan la vida útil de la turbina, ya que en este aspecto cada arranque equivale a aproximadamente 10 horas de operación en régimen continuo y cada parada de emergencia equivale a 10 arranques normales.
Además, se ha comprobado que aun en condiciones normales de operación, muchos de los componentes del citado circuito de gases de combustión no alcanzan el tiempo de vida útil previsto.
