análisis del diseño termodinámico de centrales eléctricas de ciclo combinado

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ANÁLISIS DEL DISEÑO
TERMODINÁMICO DE CENTRALES
ELÉCTRICAS DE CICLO COMBINADO

Jaime Mendoza Nalvarte
Piura, 28 de Agosto de 2002

FACULTAD DE INGENIERÍA
Área Departamental de Ingeniería Mecánico-Eléctrica
Agosto 2002
ANÁLISIS DEL DISEÑO TERMODINÁMICO DE CENTRALES ELÉCTRICAS DE CICLO COMBINADO

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UNIVERSIDAD DE PIURA
FACULTAD DE INGENIERÍA

“Análisis del diseño termodinámico de centrales eléctricas de ciclo
combinado”

Tesis para optar el Título de
Ingeniero Mecánico Eléctrico

Jaime William Mendoza Nalvarte
PRÓLOGO

En vista del creciente costo y cada vez menor disponibilidad de recursos de
combustibles fósiles convencionales en el futuro, es muy importante que los ingenieros
estudien cuidadosamente la manera en que podrían aumentar la eficiencia en la utilización
de la energía.

Esto ha motivado la continua búsqueda de eficiencias térmicas más altas, lo que ha
originado algunas innovaciones en los ciclos térmicos básicos de generación de potencia.
Entre ellos, se encuentra de manera predominante los ciclos de potencia que se componen
de dos ciclos independientes conocidos como ciclos combinados donde el calor rechazado
por un fluido se emplea como la entrada de calor para el otro fluido que opera a una
temperatura inferior.

Es conveniente desde el punto de vista de la ingeniería, aprovechar las
características deseables del ciclo de turbina de gas a altas temperaturas y usar los gases de
escape de alta temperatura como la fuente de energía en un ciclo inferior, como el ciclo de
potencia de vapor.

Los recientes desarrollos en la tecnología de las turbinas de gas han hecho al ciclo
combinado de gas-vapor de una economía muy atractiva. El ciclo combinado aumenta la
eficiencia sin incrementar de modo apreciable el costo inicial. En consecuencia, muchas
plantas de potencia nuevas operan con ciclos combinados, de tal forma que muchas plantas
de vapor o de turbinas de gas se están convirtiendo en plantas de potencia de ciclo
combinado. Se tiene conocimiento en la actualidad de eficiencias térmicas por encima de
50 por ciento como resultado de esta aplicación.

En el presente trabajo se realiza un análisis, desde el punto de vista termodinámico,
del diseño de centrales eléctricas de ciclo combinado. Este trabajo constituye un primer
paso y un aporte a la línea de investigación que se viene desarrollando en el sector térmico
del área de Ingeniería Mecánica-Eléctrica de la universidad de Piura; un estudio sobre
generación térmica de energía eléctrica a cargo del Ing. Rafael Saavedra.

Deseo expresar mi agradecimiento a todas aquellas personas que, de un modo u
otro colaboraron con el desarrollo del presente trabajo, de manera muy especial al Ing.
Rafael Saavedra gestor de la presente tesis y sobretodo al Ing. Martín Flores, por el gran
apoyo, sugerencias oportunas y tiempo brindado durante el desarrollo de la misma.
RESUMEN

El objetivo del presente trabajo es ofrecer a los alumnos y personas interesados un
estudio y evaluación, desde el punto de vista termodinámico, del diseño de centrales
eléctricas de ciclo combinado, concepto que en la actualidad viene predominando en las
modernas centrales de generación térmica de energía eléctrica.

Se elabora un programa, como herramienta de sustento, para el desarrollo del
presente análisis. Dicho programa permite encontrar las prestaciones de diseño de
centrales de ciclo combinado desde las más simples (un nivel de presión) hasta las más
sofisticadas (tres niveles de presión con recalentamiento intermedio). El programa de
cálculo denominado “ciclocombinado” ha sido hecho en plataforma Matlab 5.3 de la
MathWorks. En este se pueden visualizar los parámetros termodinámicos así como los
perfiles de temperatura de diseño de la central de ciclo combinado.

Este trabajo constituye un primer paso en el estudio de centrales térmicas de ciclo
combinado para generación eléctrica, fundamentada en el análisis termodinámico. Además
es un material de consulta que permite una mayor comprensión del análisis de este tipo de
centrales de generación termoeléctrica.
ÍNDICE

PRÓLOGO

RÉSUMEN

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO I: NOCIONES GENERALES SOBRE CENTRALES ELÉCTRICAS
DE CICLO COMBINADO

1.1. Introducción 3
1.2. El ciclo combinado 4
1.2.1. Definición 4
1.2.2. Reseña histórica 4
1.2.3. El ciclo combinado gas-vapor 7
1.2.4. Ciclos de potencia que conforman el ciclo combinado 7
1.2.4.1. El ciclo de potencia de turbinas de gas 8
1.2.4.1.1. El ciclo Brayton 8
1.2.4.2. El ciclo de potencia de las turbinas de vapor 10
1.2.4.2.1. El ciclo Rankine 10
1.2.4.2.2. El ciclo ideal Rankine de recalentamiento 11
1.2.4.3. Desviación de los ciclos combinados de potencia reales respecto
de los ideales 12
1.2.4.3.1. Desviación del ciclo de turbina de gas real del ideal 12
1.2.4.3.2. Desviación del ciclo de potencia vapor real del ideal 13
1.3. Propiedades y ventajas del ciclo combinado 14
1.3.1. Gran flexibilidad en el uso de combustibles 14
1.3.2. Propicias al medio ambiente y compactas 15
1.3.3. Rendimiento elevado 16
1.3.4. Diseño sencillo y fabricación en módulos 16
1.3.5. Confiabilidad, disponibilidad y seguridad muy alta 16
1.3.6. Aprovechamiento del combustible es óptimo 16
1.3.7. Integración a otros procesos para mejor aprovechamiento del
combustible 17
1.4. Otros arreglos del ciclo combinado 17
1.4.1. Ciclos con post-combustión 17
1.4.1.1. Sin encendido 19
1.4.1.2. Con encendido suplementario 20
1.4.1.3. Con encendido total o de horno 21
1.4.2. Repotenciación 21
1.4.2.1. Con precalentamiento del agua de alimentación 21
1.4.2.2. Con generación de vapor de media presión 23
1.4.2.3. Con recombustión en la caldera 23
1.4.2.4. Con transformación en un ciclo combinado “unfired” 24

CAPÍTULO II: EL GENERADOR DE VAPOR POR RECUPERACIÓN DE
CALOR

2.1. Introducción 27
2.2. Características y aspectos más importantes 27
2.3. El intercambio térmico en la caldera de recuperación 29
2.3.1. Variables que gobiernan los perfiles de temperatura 30
2.4. Aspectos a tener en cuenta al diseñar la caldera de recuperación 32
2.4.1. Elección adecuada de puntos pinch, approach y subcooling 32
2.4.1.1.. No se pueden elegir arbitrariamente 32
2.4.1.2. Elegirlos para obtener superficies de tamaño razonable 33
2.4.1.3. Elegirlos en el modo “unfired” 34
2.4.2. Optimización del ∆T del punto pinch 35
2.4.3. Disposición de la caldera de recuperación 36
2.4.4. Circulación en la evaporación 36
2.4.4.1 Circulación de paso único 36
2.4.4.2 Circulación natural 36
2.4.4.3 Circulación forzada. 37
2.4.5. Ubicación del desaireador 38
2.5. Aumento de la eficiencia de la caldera de recuperación 39
2.5.1. Diseños con más bajos puntos pinch, approach y subcooling 39
2.5.2. Considerando superficies secundarias de recuperación de calor 39
2.5.2.1. Intercambiador de calor 40
2.5.2.2. Serpentín desaireador 40
2.5.2.3. Calentador de condensado 41

CAPÍTULO III: CONSIDERACIONES Y PARÁMETROS DE DISEÑO

3.1. Introducción 43
3.2. Procedimiento global de selección del diseño 43
3.2.1. Las necesidades del cliente 43
3.2.2. Factores condicionados por el lugar de implantación 44
3.2.3. Concepción del proceso de diseño 46
3.3. Interconexión óptima de dos ciclos 46
3.4. Consideraciones de diseño 47
3.4.1. Influencia del arreglo del ciclo 47
3.4.1.1. Un nivel de presión sin recalentamiento 48
3.4.1.2. Dos niveles sin recalentamiento 48
3.4.1.3. Dos niveles con recalentamiento 49
3.4.1.4. Tres niveles sin recalentamiento 50
3.4.1.5. Tres niveles con recalentamiento 50
3.4.2. Los combustibles 51
3.4.3. Consideraciones ambientales 52
3.4.3.1. Emisiones 53
3.4.3.2. La descarga térmica 54
3.4.3.3. Emisión de ruido 54
3.4.4. Definición de los parámetros y prestaciones del ciclo combinado 55
3.4.5. Rendimiento del ciclo combinado 57
3.4.6. Costo de la electricidad producida 59
3.5. Resultados del diseño termodinámico de la central eléctrica de ciclo 59
combinado
3.6. Performance de las centrales de ciclo combinado 60
3.6.1. Performance del ciclo combinado de potencia 60
3.6.2. Efecto de las condiciones ambientales sobre la performance 62
3.6.3. Equipo de la centrales ciclo combinado 62
3.6.3.1. Las turbinas de gas 63
3.6.3.2. La caldera de recuperación 65
3.6.3.3. Las turbinas de vapor 65
3.6.3.4. Equipo auxiliar 65
3.7. Operación y mantenimiento 66

CAPÍTULO IV: ECUACIONES Y CONSIDERACIONES REALIZADAS PARA LA
ELABORACIÓN DEL PROGRAMA

4.1. Introducción 69
4.2. Análisis termodinámico del ciclo gas 69
4.2.1. Filtro 69
4.2.1.1. Fracción molar del aire húmedo 70
4.2.2. El compresor 72
4.2.2.1. Presión y temperatura de salida 72
4.2.2.2. Trabajo total requerido 73
4.2.3. La cámara de combustión 74
4.2.3.1. Cálculo del poder calorífico inferior 74
4.2.3.2. Ecuaciones a utilizar 74
4.2.3.2.1. Conservación de la masa 75
4.2.3.2.2. Equilibrio químico 75
4.2.3.2.3. Balance de energía 76
4.2.3.3. Presión al ingreso y salida de la cámara de combustión 77
4.2.4. Mezclador 77
4.2.4.1. Fracción del aire de refrigeración, método coolm 77
4.2.4.2. Parámetros de la mezcla 78
4.2.5. La turbina de gas 79
4.2.5.1. Presión de salida 79
4.2.5.2. Salto de presión por etapa 80
4.2.5.3. Etapa refrigerada 80
4.2.5.4. Rendimiento politrópico 81
4.2.5.5. Presión y temperatura de salida 81
4.2.5.6. Trabajo entregado 82
4.2.5.7. Temperatura y caudal del aire de refrigeración 83
4.2.5.8. Temperatura de salida del expansor 83
4.2.6. Rendimiento termodinámico del ciclo del ciclo gas 84
4.3. Análisis termodinámico del ciclo vapor 84
4.3.1. El generador de vapor por recuperación de calor 84
4.3.1.1. El economizador 84
4.3.1.2. El evaporador 86
4.3.1.3. El sobrecalentador 86
4.3.2. El desaireador 87
4.3.3. La cámara de mezcla 88
4.3.4. La bomba 89
4.3.5. El condensador 89
4.3.6. El intercambiador de calor 90
4.3.7. La turbina de vapor 91
4.3.8. Rendimiento termodinámico del ciclo vapor 92
4.3.9. Rendimiento termodinámico del ciclo combinado 92

CAPÍTULO V: RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS

5.1. Evaluación de centrales eléctricas con combustible diesel 93
5.1.1. Datos de ingreso 93
5.1.2. Resultados del programa 95
5.2. Evaluación de centrales eléctricas con combustible gas natural 99
5.2.1. Dos niveles de presión 99
5.2.1.1. Resultados del programa 100
5.2.2. Tres niveles de presión 105
5.2.2.1. Resultados del programa 106
5.3. Comentarios 110

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS:

APÉNDICE A: NOMENCALTURA
APÉNDICE B: ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN

B1. Combustión 121
B1.1. Entalpía de formación 123
B1.2. El poder calorífico de un combustible 125
B1.3. Diferencia entre el poder calorífico superior (HHV) y el poder calorífico 126
inferior
B2. Determinación de la ecuación fundamental para el análisis termodinámico 127
de la cámara de combustión
B2.1. Cálculo de la entalpía del combustible a partir de su poder calorífico inferior 128
B2.2. Caso 1: ingresan aire y combustible en el estado (º-298K) en la cámara 129
de combustión
B2.3. Caso 2: ingresan aire a (º-T ) y combustible a (º-T ) en la cámara de 130
a c
Combustión
B3. Disociación 132

APÉNDICE C: MANUAL DEL USUARIO

APÉNDICE D: CÓDIGO FUENTE DEL PROGRAMA

APÉNDICE E: PROPIEDADES TERMODINÁMICAS.