CAPITULO 2. VISIÓN GENERAL SOBRE LOS CICLOS COMBINADOS DE

TURBINAS DE GAS Y TURBINA DE VAPOR

2.1 INTRODUCCIÓN

Como ya se ha comentado, la unión de un ciclo de gas con uno de vapor permite llegar

a rendimientos de producción eléctrica mas altos que si tuviéramos cada ciclo

trabajando por separado. También es sabido que si tenemos una máquina térmica

trabajando entre dos focos térmicos el rendimiento de la misma es mayor cuanto

mayor es la diferencias entre las temperaturas del foco caliente y el foco frío, siendo

este máximo cuando la maquina térmica es una máquina de Carnot; decir que el ciclo

de Carnot es aquel en el que todos los procesos que experimenta el fluido de trabajo

son reversibles, la adición de calor al mismo se hace a la máxima temperatura y la

cesión de calor se hace a la mínima temperatura, ambas constantes. Por lo tanto a

modo de introducción vamos tratar de responder si es razonable ligar un ciclo de gas

con uno de vapor.

El rendimiento térmico de una máquina que siga el ciclo de Carnot directo es:

fc

c

T1T

η = − ;

esta ecuación, aplicada a los ciclos típicos de gas y de vapor por separado nos da lo

siguiente [14]:

Análisis de

rendimiento

Ciclo de gas Ciclo de vapor Ciclo de vapor con

recalentamiento

Temperatura media

de adición de calor

(K)

950 - 1000

550 - 630

640 – 700

Temperatura media

de cesión de calor

(K)

500 – 550

320 - 350

320 350

Rendimiento de

Carnot

(%)

42 - 47

37 - 50

45 – 54

Los rendimientos reales de dichos ciclos serán del orden del 80 % de los reflejados en

la tabla, debido a que son ciclos no reversibles.

Sin embargo podemos hacer otra apreciación importante y es que si nos fijamos en los

valores de la temperatura de cesión de calor del ciclo de gas y la temperatura de

adición de calor del ciclo de vapor vemos que seria coherente colocar el ciclo de gas

como un ciclo de cabecera y el de vapor como un ciclo de cola. El esquema seria el

siguiente:

De estos dos esquemas podemos sacar dos conclusiones:

Primeramente, del esquema de la izquierda, vemos que la conexión de los dos ciclos

nos da un nuevo ciclo que trabaja con temperaturas de los focos mas alejadas y por

tanto con un rendimiento de Carnot mayor [14]. Esto es:

Análisis del rendimiento Ciclo combinado

Temperatura media de adición de calor (K) 950 – 1000

Temperatura de cesión de calor (K) 320 – 350

Rendimiento de Carnot (%) 63 – 68

Al igual que antes, a ese rendimiento de Carnot habría que aplicarle un modificador

que tenga en cuenta las irreversibilidades externas e internas, así como que los

intercambios de calor entre el ciclo de alta y de baja no tienen un eficacia del 100%.

Esta cuestión la resolvemos en el segundo punto.

Y en segundo lugar si miramos el esquema de la derecha resolvemos la duda de si

el rendimiento final del ciclo combinado es mayor que el de los ciclos de gas y vapor

por separado. Esto es:

aa ca aa ca p aa cba b aa ca ab cbcc

aa aa aa

Q [Q (1 ) Q ]W W Q Q , siendoQ Q Q

⋅η + ⋅ −η −ν ⋅ ⋅η+ ⋅η + ⋅ηη = = =

pa bca cb p p ca ab

aa ab aa

QW W= , , y Q Q Q y por tanto:Q Q Q

η η = ν = = −

cc ca cb ca p cb(1 ) ,η = η +η ⋅ −η −ν ⋅η

Ahora bien si definimos el rendimiento ηc como:

ca p pabc p

ca ca ca

Q QQ 1 y con (1 ) (1 ) queda:Q Q 1

− νη = = = − ν = −η ⋅ −η

−η c ca

cc ca cb ca c ca cb ca cb c ca cb c(1 ) (1 ) (1 ) ,η = η +η ⋅ −η − −η ⋅ −η ⋅η = η +η ⋅η −η ⋅η ⋅η

siendo finalmente la expresión anterior el rendimiento del ciclo combinado en función

de los rendimiento de los ciclos de gas y vapor así como del rendimiento de la CRC,

ηc.

Si comparamos esa expresión con las de los rendimientos de los ciclos de gas y vapor

individualmente, comprobamos que, efectivamente, el rendimiento del ciclo

combinado es superior a los de los ciclos de gas y vapor por separado.

Por lo tanto llegamos a la conclusión final de que es razonables ligar un ciclo de gas

uno de vapor para la producción de potencia.

En el siguiente apartado veremos cuales son las configuraciones más usadas para

conseguir que dichos rendimientos sean máximos.

2.2 DESCRIPCIÓN DE LOS CICLOS COMBINADOS

2.2.1. Esquema general de una planta de ciclo combinado

La configuración más simple de ciclo combinado es la de un nivel de presión, de la

que en la actualidad, se instalan pocas configuraciones, sin embargo, su descripción es

muy útil para entender el funcionamiento de estas centrales de potencia. Consta de

una turbina de gas, una caldera de recuperación de calor y una turbina de vapor.

A grandes rasgos el funcionamiento de este tipo de plantas se puede describir de la

siguiente manera: en el ciclo de gas se utiliza un compresor para alimentar con aire a la

cámara de combustión, en la que se realiza la combustión con un dosado muy pobre.

Los productos de ésta se expanden en la turbina de gas, en la que se genera energía

mecánica para, por una parte, impulsar al compresor y, por otra parte, impulsar la carga

(alternador). Posteriormente los gases calientes se introducen en la caldera de

recuperación de calor. En ella se obtiene el vapor sobrecalentado que alimentará la

turbina de vapor.

Con la unión de ambas plantas de potencia se obtiene un rendimiento mayor que el

que se obtendría con cada una de ellas por separado. Esto es porque se aprovecha la

energía térmica residual de los productos del escape de la turbina de gas, consiguiendo

además que disminuya la temperatura de los gases que escapan a la atmósfera. En la

siguiente sección se describen con más detalle los elementos más importantes que

componen el ciclo combinado. A continuación vemos un esquema básico de una planta

de un nivel de presión:

Como ya se ha comentado anteriormente, la CRC es un elemento de vital importancia y lo

que buscaremos será que la eficiencia en el intercambio de calor entre el ciclo de gas y de

vapor sea lo mayor posible.

Al producirse en la CRC un intercambio de calor entre fluidos con diferentes

propiedades y a diferentes temperaturas, se ocasiona que aparezcan pérdidas tanto por

irreversibilidades externas como internas. Las razones principales por las que se presentan

estas pérdidas son las siguientes:

La superficie de intercambio de la caldera de recuperación de calor no tiene

un área infinita lo que implica que la temperatura de salida del fluido frío

(vapor) no alcance el valor de la temperatura del fluido caliente (gases de

escape).

El hecho de que el agua evapore a una temperatura fija hace que exista una

diferencia elevada de temperaturas entre los dos fluidos, motivo por el cual la

trasferencia de calor se hace mas irreversible. Esto es consecuencia de que cuando el

vapor alcanza su estado de saturación, su temperatura no cambia y la del gas sí.

El peligro de corrosión en los materiales de la caldera hace que deba

limitarse la temperatura de salida de los gases de la misma.

Por lo tanto hay que buscar una solución que nos permita sobrepasar estos escollos en la

transferencia de calor.

Con respecto al tamaño de la caldera, esta será aproximadamente fija ya que el espacio

está limitado; por tanto tendremos que optimizar la geometría de la misma y así conseguir

un intercambio de calor lo mas efectivo posible.

En cuanto a la temperatura de escape de gases de la caldera, esta debe tener un valor fijo

para evitar las corrosiones y por tanto tampoco se puede tocar.

Finalmente el único parámetro que nos quedaría por tocar sería la diferencia de

temperaturas entre los fluidos:

Dado que el problema se encuentra en el proceso de cambio de fase, la solución que se ha

buscado para reducir la diferencia de temperaturas que existe entre el vapor y el gas dentro

de la caldera de recuperación de calor ha sido incrementar el número de niveles de

presión e inclusive implementar ciclos de vapor que alcancen presiones supercríticas. De

este modo se consiguen acercar más las curvas de evolución de las temperaturas entre los

fluidos. Es esta la línea de investigación que más se ha seguido en el campo de los ciclos

combinados, así como la búsqueda de las geometrías más idóneas de CRC para cada

aplicación.

2.2.2 Elementos principales de un planta de ciclo combinado simple

A continuación veremos cuales son los elementos principales y las funciones que estos

desempeñan en la planta de ciclo combinado, de manera que podremos entender mejor el

funcionamiento de la misma.

2.2.2.1 Ciclo de gas

Es el ciclo de alta temperatura y constituye un elemento de vital importancia en la planta

de ciclo combinado ya que es donde se da el aporte energético y el que suministra energía

a la caldera de recuperación a través de su escape. A medida que se consigue una

temperatura de aporte mas alta se consigue hacer el ciclo mas competitivo.

El ciclo de gas corresponde al un ciclo Brayton que funciona de la siguiente manera:

El aire es comprimido en el compresor desde las condiciones ambientales hasta

una presión adecuada. La relación de compresión puede variar entre 14 y 30. Este

aumento de presión va acompañado de aumento de temperatura que puede llegar a ser

hasta de 600 K.

El aire comprimido se dirige a la cámara de combustión donde se mezcla con el

combustible y se produce una combustión a presión (idealmente) constante. En ella los

gases de escape pueden alcanzar temperaturas del orden de 1500 K.

Los gases calientes se dirigen a la turbina donde se expanden hasta la presión

atmosférica, con una temperatura a la salida relativamente alta, entre 500 y 900 ºC.

Los parámetro principales que aquí manejamos son la relación de compresión/expansión

y la relación entre temperaturas extremas.

En general, un incremento en la temperatura de entrada de la turbina, aumenta el

rendimiento energético del ciclo, aún cuando ésto implica un incremento en las

irreversibilidades dentro de la turbina. Por otro lado, si se piensa en un ciclo combinado

acoplado a la turbina de gas debe tenerse en cuenta que cuanto mayor sea la temperatura

de escape de la turbina de gas, mayor será el rendimiento del ciclo de vapor [14]. Por lo

tanto, debe pensarse en sacrificar parte del rendimiento del ciclo de gas, para

incrementar el del ciclo combinado.

Las distintas configuraciones que nos podemos encontrar del ciclo, integrado en un ciclo

combinado, son:

Montaje en eje simple. Consta solamente de un compresor, una cámara

de combustión y una turbina. Su funcionamiento es el que se ha descrito

anteriormente.

Montaje en eje doble. Consta de dos turbinas, una de ellas arrastra al

compresor, estando unida a éste mediante un eje, formando lo que se conoce

como generador de gas. La segunda turbina es la que está acoplada al

generador por lo que es la que realmente produce potencia. Esta

configuración se comporta mejor a cargas parciales, aunque su tiempo

de respuesta a variaciones bruscas de la carga es sensiblemente más alto [6].

Su diagrama es el que se muestra a continuación:

Turbinas con combustión secuencial. Su diagrama se puede ver a continuación.

Presentan dos cámaras de combustión: en la primera de

ellas se calienta el gas para alimentar la primera turbina, donde genera

potencia. Posteriormente, el gas expandido entra a la segunda cámara

de combustión, en ella es quemado con combustible adicional para

alimentar la segunda turbina, donde el gas es expandido hasta la presión

atmosférica. Esta configuración es útil para emplearse con ciclos

combinados debido a que los gases de escape de la turbina alcanzan

temperaturas más altas. Su esquema es el siguiente:

Turbina con alabes refrigerados. Como se ha mencionado anteriormente, cuanto

mayor sea la temperatura de los gases que entran a la turbina de gas, mayor será el

rendimiento del ciclo. Sin embargo, el valor de esta temperatura se ve limitado por las

características de los materiales utilizados. Actualmente, se ha recurrido al empleo de

alabes refrigerados en los primeros escalonamientos de la turbina, con ello se pueden

alcanzar temperaturas superiores a 1500 K [6]. En un ciclo combinado este tipo de

turbina es muy útil, debido a dos circunstancias: la primera, que al aumentar la

temperatura de entrada a la turbina, aumenta la temperatura de los gases de escape y,

por lo tanto, el rendimiento del ciclo combinado. La segunda es que los alabes se

pueden refrigerar empleando agua del ciclo de vapor, lo cual permite que el vapor

producido durante la refrigeración pueda ser utilizado en el ciclo de vapor.

Ciclo regenerativo. En este montaje se aprovecha la energía de los gases escape para

calentar, mediante un intercambiador, los gases a la salida del compresor y por lo tanto

ahorrar combustible. Este montaje no tiene sentido en centrales de ciclo combinado puesto

que la energía sobrante en el escape de la turbina de gas es aprovechada por la CRC.

Compresión escalonada refrigerada. Se trata hacer la compresión en dos o tres etapas

diferentes (mas etapas pueden llegar a reducir el rendimiento) y entre cada etapa refrigerar

los gases haciendo de este modo que la compresión se asemeje a un compresión isoterma y

por lo tanto reduciendo el trabajo de compresión. No es tampoco una configuración que se

use en centrales de ciclo combinado.

Por último comentar que en las turbinas de gas no solo se utiliza gas natural como

combustible. Existe una técnica llamada gasificación, mediante la cual, a otros combustibles

(carbón y residuos sólidos y líquidos de la refinación) se les extrae un gas que puede ser

usado como combustible en el ciclo de gas, conformando los llamados ciclos combinados

con gasificación integrada (IGCC, integrated gasification combined cycles).

2.2.2.2 Caldera de recuperación de calor

Este es otro elemento muy importante del ciclo combinado debido a que es la unión entre

el ciclo de gas y el de vapor. Su función es recuperar la energía calorífica proveniente de

los gases de escape de la turbina de gas y con ella generar vapor en las condiciones

deseables para alimentar la turbina de vapor.

La diferencia principal entre estos elementos y las calderas convencionales es el

mecanismo de transferencia de calor, ya que estas últimas, al tener combustión,

presentan focos con temperaturas muy altas a las cuales el intercambio de calor por

radiación es predominante. En cambio en las CRC el mecanismo de transferencia de

calor, es en general, de carácter convectivo. Por lo tanto, la cantidad de calor

recuperado es controlada por la cantidad de energía disponible en los gases.

Las CRC se pueden clasificar en dos categorías: calderas sin combustión adicional, en

las que el mecanismo de transferencia de calor es esencialmente convectivo y calderas

con combustión suplementaria (postcombustión), en las que se aprovecha el exceso

de oxígeno que se encuentra disponible en los gases de escape de la turbina para

utilizarlo en una segunda combustión y generar más vapor o incrementar la temperatura

del mismo a la salida de la caldera. Ésta se divide en:

Combustión suplementaria limitada: se quema el O2 sobrante hasta alcanzar

750 ºC.

Combustión suplementaria máxima: se quema todo el O2 que quede en el

escape o incluso se puede introducir una corriente de aire fresco.

El combustible que se utiliza en la combustión suplementaria pude ser el mismo

que el de la turbina de gas u otro diferente (normalmente gasoleo).

Las aplicaciones de las CRC con combustión suplementaria han disminuido

considerablemente en los últimos tiempos debido a que el desarrollo de las turbinas de

gas ha dado como resultado diseños que alcanzan una temperatura de salida de los

gases mayor, lo cual hace innecesaria la combustión adicional.

Sea cual fuere el tipo de la caldera de recuperación de calor, ésta consiste en un

intercambiador de calor de flujos cruzados en el que el agua, como líquido sub-

enfriado, entra por la zona de escape de los humos, es decir, la última zona de la CRC

conocida como economizador.

En esta sección el agua se lleva hasta una temperatura un poco menor que la temperatura

de saturación correspondiente a la presión de trabajo. El hecho de que en esta sección no

se alcance la temperatura de saturación del vapor es muy importante debido a que debe

evitarse que se presente evaporación en este elemento para evitar bloqueos, por ello

debe existir un margen de seguridad en cuanto a la temperatura.

Posteriormente, el agua, prácticamente en su estado de saturación, se envía a un depósito

en el que se produce la separación de las fases conocido con el nombre de calderín. La

fase líquida del agua del calderín se hace circular por otra sección de la CRC, que va

colocada inmediatamente después del economizador y que se conoce con el nombre de

evaporador, en la que se produce la evaporación del agua y el vapor resultante es llevado

nuevamente al calderín.

Finalmente el vapor que se ha separado en el calderín se hace circular por la primera

sección de la CRC, que está justo a la entrada de los gases provenientes de la

turbina de gas. Esta sección es conocida como sobrecalentador y en ella se lleva al

vapor a las condiciones de entrada de la turbina de vapor. El esquema de la

configuración más simple de CRC con sus elementos más importantes se muestra en la

figura siguiente, seguida del diagrama energía-temperatura correspondiente a el proceso

que se acaba de explicarse.

El diagrama de energía temperatura de CRC de un nivel de presión es el siguiente:

En la figura se observa la línea recta continua (en color rojo) que representa el

enfriamiento de los gases de escape de la turbina de gas y, en color azul, la línea que

representa el calentamiento del agua. En el diagrama pueden distinguirse claramente las

tres secciones de la CRC; la primera, de A a B, corresponde al economizador; la

segunda, de C a D, al evaporador; y la tercera, de D a E, al sobrecalentador. Puede

observarse que la región de C a D es horizontal debido a que en esta zona se produce la

evaporación del agua y, por lo tanto, no hay incremento de temperatura de la misma. Por

otra parte, en el mismo diagrama se observan también tres diferencias de temperaturas

importantes:

Pinch Point (PP): Corresponde a la diferencia entre la temperatura de los

gases en la salida del evaporador y la del agua a la entrada del mismo

(diferencia entre el punto C y 3 en el diagrama). Esta diferencia es un

parámetro muy importante en el diseño del CRC, ya que cuanto menor sea

el pinch point, mayor será el rendimiento del ciclo (mejor

aprovechamiento de la energía), pero también mayor será el área de

intercambio de calor y, por tanto, el coste.

Approach Point (AP). Corresponde a la diferencia entre la temperatura del

agua que abandona el economizador y la temperatura de saturación a la

presión de trabajo (diferencia entre los puntos B y C del diagrama). Esta diferencia de

temperaturas es un margen de seguridad para evitar evaporación en el economizador

y como recomendación se sugiere que su valor no sea menor a 3 K, aunque dependerá

del nivel de presión que se trate.

Diferencia terminal de temperaturas (∆T). Corresponde a la diferencia entre la

temperatura del vapor sobrecalentado que abandona la caldera y la temperatura de

entrada de los gases a la caldera. Su valor tiene una influencia significativa tanto en el

rendimiento como en el coste. Por ese motivo, tanto este parámetro, como el approach

point y el pinch point, se considerarán variables de diseño importantes de la CRC.

2.2.2.3 Ciclo de vapor

El ciclo de cola lo conforma el ciclo de vapor, cuyo esquema mas sencillo es el siguiente:

Los elementos que presenta esta figura son:

Generador de vapor. En el caso que nos ocupa, el de un ciclo combinado, es una

CRC, anteriormente descrita.

Condensador. Corresponde a un intercambiador de calor que puede ser del

tipo de tubos envolvente o de contacto directo. En el cual el

vapor cede calor para condensarse y alcanzar el estado de líquido saturado.

Bomba de alimentación. Eleva la presión del agua que sale del condensador

para llevarla a la presión de trabajo del generador de vapor.

Desgasificador. Extrae gases tales como oxígeno, dióxido de carbono y

amoniaco que a menudo se encuentran disueltos en el agua de condensado,

para proteger la tubería del sistema de agua de alimentación y el generador

de vapor contra la corrosión. El vapor con el que se alimenta al

desgasificador puede provenir de una extracción de la turbina o de alguna

recirculación de la CRC.

Turbina de vapor. Es el elemento motriz que hace girar el generador

eléctrico a una velocidad impuesta por él. En la turbina se recibe el vapor

sobrecalentado proveniente del generador de vapor y se expande a través de

varios escalonamientos hasta llevarlo a la presión de operación del

condensador (50 a 80 mbar). Se trata de un elemento sumamente complejo,

sin embargo, en este apartado sólo se describe de manera general haciendo

énfasis en las características importantes de aquellos que se acoplan a un

ciclo combinado.

Las turbinas de vapor empleadas para ciclos de potencia son generalmente del tipo

axial y pueden constar de uno o varios cuerpos, dependiendo de su aplicación y de la

potencia requerida. También existen turbinas con varias extracciones de vapor a distintas

presiones, que se usan en los ciclos regenerativos, pero en ciclos combinados no es muy

común encontrarlos porque en un ciclo de este tipo no interesa incrementar la temperatura

del agua de alimentación de la CRC como en un ciclo de vapor convencional.

Las turbinas que se utilizan en ciclos combinados deben ser diseños especiales que

estén preparadas para trabajar con presión deslizante, que consiste en regular la carga

siguiendo a la presión de la caldera; la razón es que en ciclos combinados la turbina de

gas puede trabajar a carga parcial, con lo que disminuye la temperatura de entrada de los

gases en la CRC, impidiendo que el vapor que alimenta a la turbina de vapor alcance su

temperatura de diseño y por tanto una reducción en la presión de la caldera hace que nos

adaptemos mejor a una nueva temperatura de los gases de escape de la turbina.

2.3 CONFIGURACIONES MAS COMUNES DE PLANTAS DE CICLO

COMBINADO

Como se mencionó en el primer apartado de este capítulo, las primeras configuraciones

de plantas de ciclo combinado fueron plantas simples de un nivel de presión, algunas de

ellas con combustión suplementaria. Sin embargo, a medida que la potencia de estas

instalaciones fue aumentando, se observó que el aumento de la presión en el ciclo de un

nivel de presión presentaba algunas limitaciones de potencia y de rendimiento, debido

principalmente a que no aprovecha de la mejor manera la energía de los gases de escape

de la turbina de gas.

Así pues, una forma de incrementar el rendimiento del ciclo combinado es mejorar la

transmisión de calor en la CRC. Esto se consigue disminuyendo el área entre la gráfica

que representa el enfriamiento de los gases en la caldera y la que representa el

calentamiento de vapor en el diagrama temperatura – transferencia de energía

(diagrama T - %Q). Para disminuir el área entre ambas gráficas y, como consecuencia,

aumentar el rendimiento de la CRC, se puede modificar el valor de algunos parámetros

termodinámicos de diseño de la CRC. Por ejemplo, se puede incrementar la presión en el

calderín (presión de trabajo) pero esto produce, entre otras cosas, un aumento de

humedad del vapor a la salida de la turbina y, por lo tanto, un riesgo de erosión en los

alabes de los últimos escalonamientos de la misma. Otra opción para incrementar este

rendimiento es disminuir la diferencia de temperaturas entre el gas y el vapor

disminuyendo el pinch point y el approach point, sin embargo, esto tiene como

consecuencia un incremento notable en el coste debido al incremento en el área de

intercambio.

Las investigaciones realizadas en este campo han comprobado que otra forma de

incrementar el rendimiento de la CRC es trabajar con varios niveles de presión, con lo

que se consigue que la diferencia media de temperaturas entre el fluido caliente y el frío

pueda reducirse. Es decir, se presenta una disminución del área entre la gráfica que

representa el enfriamiento de los gases en la caldera y la que representa el calentamiento

de vapor.

Debido a lo que se ha comentado las tendencias actuales van encaminadas a incrementar

el número de niveles de presión con el fin de aprovechar de la mejor manera la energía

calorífica de los gases de la turbina de gas. Existen varias configuraciones de ciclo

combinado, que se clasifican de acuerdo con el número de niveles de presión y con la

configuración del ciclo de vapor que se utilice.

2.3.1 Ciclos sin recalentamiento

2.3.1.1 Ciclo combinado con dos niveles de presión (2P)

Estos ciclos, al utilizar la energía en alta y en baja presión, la aprovechan de mejor

manera, incrementando, de esta forma, la producción de vapor y disminuyendo las

pérdidas exergéticas y la temperatura de los gases de escape de la CRC.

Existen dos configuraciones típicas de este tipo de plantas:

Dos niveles de presión en paralelo: En esta configuración se utiliza agua a distintas

presiones pero a temperaturas aproximadamente iguales en ambos niveles de presión,

circulando con recorridos independientes por las secciones correspondientes a cada nivel.

La primera sección de la caldera tiene un economizador que está dividido a su vez en dos

secciones: una que recibe el agua a baja presión y otra que la recibe a alta presión

(ECBP y EC1AP). De esta forma el agua en el nivel de alta y en el nivel de baja tienen

recorridos independientes.

A continuación podemos ver el esquema de su configuración así como el diagrama T -

%Q.

Dos niveles de presión en cascada: Esta configuración se aplica principalmente

cuando se usan combustibles con un bajo contenido de azufre debido al alto nivel de

enfriamiento de los gases que se consigue en la CRC. Este ciclo recibe agua del

desgasificador a baja presión, la cual, después de pasar por el economizador de baja, se

dirige hacia el calderín.

Parte del agua que recibe este calderín se extrae para bombearla hasta alta presión y

aprovechar el calor a este nivel. Esta configuración presenta el inconveniente de que la

temperatura de los gases se distribuye peor, ocasionando pérdidas exergéticas.

El esquema del ciclo (con las secciones que lo conforman) así como su diagrama T - %Q

se presentan a continuación.

2.3.1.2 Ciclo combinado de tres niveles de presión (3P)

El añadir un nivel de presión al ciclo combinado tiene como ventaja principal el

mayor aprovechamiento de la energía de los gases en la CRC. Existen varios tipos de

configuraciones de plantas de tres niveles de presión, según pongamos en paralelo o en

cascada los flujos en la CRC. Uno de ellos es el que se presenta a continuación. Esta

configuración consta de dos economizadores dobles, el primero recibe el agua de

alimentación del desgasificador por medio de dos bombas, una de alta presión y otra de

presión intermedia. El agua que abandona el primer economizador doble, en el nivel de

presión intermedia (EC1PI), se divide en dos flujos, uno que alimenta el segundo

economizador doble y otro que alimenta el calderín de baja presión. El segundo

economizador doble (EC2PI y EC2AP) alimenta tanto el calderín de presión intermedia

como el tercer economizador de alta, el flujo que abandona este tercer economizador se

dirige al calderín de alta para aprovechar energía a ese nivel. Es importante aclarar que la

configuración más común de este ciclo presenta recalentamiento y se explicará más

adelante.

En el diagrama T - %Q, al igual que en las configuraciones de dos niveles de presión,

se presentan los parámetros de diseño de esta configuración. Puede observarse que

ahora aparecen pinch points y approach points de baja, intermedia y alta presión, pero no

aparece una diferencia terminal de temperaturas en el sobrecalentador de baja; esto es

porque esta configuración no incluye sobrecalentador en ese nivel.

A continuación vemos el esquema de la configuración y diagrama T - %Q.

2.3.2 Ciclos con recalentamiento

Existen ciclos con recalentamiento de dos y tres niveles de presión. La ventaja principal

de un ciclo de este tipo es que, al desplazarse hacia la derecha en el diagrama h-s la línea

de expansión de la turbina de vapor, se disminuye la humedad del vapor en las últimas

etapas de expansión de la misma. Además, la presencia del recalentador hace que aumente

la temperatura media de aportación de calor, aumentando el rendimiento térmico del ciclo.

Sin embargo, debe recordarse que el hecho de que el recalentador se encuentre ubicado

en la sección de alta presión afecta la producción de vapor de este nivel.

En un ciclo combinado de dos niveles de presión se incluye recalentamiento sólo

en el nivel de alta presión, mientras que el nivel de baja se utiliza en gran medida para

reducir la temperatura en los gases de escape de la CRC. Por su parte, en un ciclo de tres

niveles de presión el vapor expandido en el cuerpo de alta de la turbina regresa a la

caldera para recalentarlo y enviarlo nuevamente a la turbina.

Por ultimo decir que los recalentamientos pueden estar o no estar acoplados con las

diferentes presiones, situación que daría juego para ver que configuración proporciona

mayor beneficio o no. A raíz de diferentes estudios que se han hecho [27] las

conclusiones son que en ciclos a dos niveles de presión el aumento de rendimiento que se

puede obtener al desacoplar la presión de recalentamiento no compensa el incremento de

coste respecto a emplear presiones acopladas. En ciclos a tres presiones el hecho de tener

una primera presión de generación que controle la temperatura de la chimenea hace que ni

desde el punto de vista termodinámico ni económico el uso de recalentamiento con

presiones desacopladas sea interesante. Por lo tanto, en nuevos diseños, el uso de ciclos a

tres niveles de presión con recalentamiento intermedio con presiones acopladas

proporcionara el máximo rendimiento y, especialmente para plantas de base, seria la

opción más interesante.

2.3.3 Ciclos supercríticos

Existen ciclos de uno, dos niveles y de tres niveles de presión supercríticos. Éstos reciben

su nombre porque trabajan con presiones superiores a la crítica, donde el agua realiza un

cambio de fase sin una transición definida. Por tal motivo desaparece la zona plana

horizontal en el diagrama temperatura-energía y, en consecuencia, disminuyen las

pérdidas exergéticas en la CRC. Estos ciclos tienen un rendimiento superior comparado

con los ciclos subcríticos, aún con recalentamiento, porque presentan una disminución

considerable de las pérdidas exergéticas debido al acercamiento de las curvas de

temperatura. En la configuración de un ciclo supercrítico de tres niveles de presión las

secciones con presión baja e intermedia continúan siendo iguales que en un ciclo

subcrítico, pero la última sección (correspondiente al nivel de alta presión) se transforma

en una caldera de paso único que trabaja a presión supercrítica. Esto se observa más

claramente en el siguiente ejemplo de un ciclo combinado de tres niveles de presión

supercrítico.

2.4 CONCLUSIONES

Para concluir, es importante hacer énfasis en que un aumento en el número de niveles de

presión no necesariamente implica siempre un gran incremento en el rendimiento del

ciclo y en el flujo de caja obtenido [6]. Por ejemplo, en un ciclo de tres niveles de presión,

se aprovecha mejor la energía térmica en la CRC, pero aparece el inconveniente de que

el incremento en el rendimiento global del ciclo no es muy significativo (entre 0,5 y 0,6

%). Además, debido al incremento en el coste de esta configuración con respecto a una

de dos niveles de presión, resulta sumamente importante realizar un análisis

termoeconómico para tener suficientes elementos de juicio al elegir entre un ciclo de dos

niveles de presión y uno de tres para una turbina de gas propuesta. Hay diversos estudios

[14] que muestran la siguientes consideraciones. Para ciertas condiciones de entrada de la

caldera puede resultar más ventajoso elegir una configuración de dos niveles de presión

con recalentamiento que una de tres.

La relación entre el coste y el rendimiento, a partir de estos estudios que se han

hecho con unas condiciones de entrada a la caldera fijadas, quedaría: