CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN Con el ritmo actual de desarrollo, el

CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN
Con el ritmo actual de desarrollo, el incremento de la demanda eléctrica ha sido
considerable. Este aumento ha ido parejo al de los costes de los combustibles, por lo que
se hace necesario diseñar plantas de potencia que presenten características de máxima
eficiencia a la vez que de bajo coste.
Una solución que presenta las cualidades antes mencionadas son las centrales de ciclo
combinado, las cuales presentan grandes ventajas debido a que pueden alcanzar una
eficiencia mayor que una central térmica convencional, hasta un 60 % [11], siendo su
coste por kW instalado menor que el de las plantas convencionales y su tiempo de
construcción también menor.
Esta solución esta cobrando fuerza a medida que va pasando el tiempo y cada vez se van
instalando mas centrales de ciclo combinado en el mundo o se adaptan viejas centrales de
gas o de vapor. Dado que el diseño no es sencillo (ligar un ciclo de alta temperatura y uno
de baja), se hace necesario el estudio de esta dupla, de manera que se conozcan bien los
parámetros que hay que tomar para optimizar el funcionamiento conjunto de los dos ciclos.
Para ello, a medida que ha ido pasando el tiempo, diversas entidades se han introducido en
el estudio de la optimización de centrales de ciclo combinado, valiéndose de diversas
herramientas como son: estudios de centrales piloto, desarrollo de aplicaciones
informáticas y utilización de programas de simulación de instalaciones térmicas, con las
que atacar el proceso de optimización termoeconómica de las centrales de ciclo
combinado.
1.1 OPTIMIZACIÓN DE PLANTAS DE CICLO COMBINADO
Las plantas de ciclo combinado que se instalan más frecuentemente en la actualidad,
consisten en la unión de un ciclo de gas y uno de vapor. En este sistema, la energía
térmica de los gases de escape del ciclo de gas se aprovecha en una caldera de
recuperación de calor (CRC, o HRSG en ingles) donde se emplea para producir vapor
con el que se alimenta la turbina de vapor y se produce un trabajo adicional.
Entre los tres elementos mencionados anteriormente el buen diseño de la CRC es crucial
ya que es el elemento de unión entre los dos ciclos. El diseño de este elemento se puede
realizar mediante la realización de modelos que simulen su funcionamiento y nos permitan
conocer los parámetros adecuados para poner en funcionamiento este elemento y unir
eficientemente el ciclo de gas y el ciclo de vapor.
Lo cierto es que se han realizado numerosos trabajos de investigación en los que se llevan
a cabo análisis de estos elementos (en la referencia [3], se muestra una visión general de
los estudios realizados hasta el 2004 respecto a la optimización de ciclos combinados) y
por tanto optimización de centrales de ciclo combinado, haciendo énfasis en el aspecto
termodinámico y/o en el económico.
Con todo lo anterior, el protagonismo en el proceso de optimización de centrales de
ciclo combinado, se lo ha llevado básicamente la CRC, dando por establecidos el resto
de parámetros que influyen considerablemente tanto en el rendimiento como en la
potencia entregada por la planta. Entre estos parámetros se encuentran las condiciones
ambientales, que dada su tendencia cambiante, pueden dar lugar a modoficaciones tanto
en rendimiento como en potencia.
La sensibilidad a las condiciones de presión, temperatura y humedad ambiente es una de
las limitaciones de las turbinas de gas que hacen que la potencia real de la turbina
disminuya sensiblemente al aumentar la temperatura ambiente, el estar en climas secos
o húmedos, o al reducirse la presión atmosférica. Sobre la presión atmosférica no se
tiene control, pues depende de la ubicación geográfica de la central, pero es importante
tener en cuenta que la potencia de una turbina de gas disminuye del orden de 1% por
cada cien metros de elevación sobre el nivel del mar [10], lo cual implica que en
ciudades que se sitúan a gran altura, un equipo tendría una potencia 25% menor a la que
tendría a nivel del mar. En cuanto a la temperatura, se tiene una variación de potencia
del orden de 2% por cada 5 ºC de variación [10]. Ya que la presión es una variable que
no podemos modificar sin coste considerable, seria viable estudiar sistemas para enfriar
la temperatura del aire a la entrada de la turbina, con lo que se tendrían mejoras en la
potencia y ahorros de combustible. En este punto donde la humedad toma el
protagonismo también ya que la variación de temperatura a la entrada la turbina de gas
se acompañan de variaciones de la humedad que pueden suponer cambios en el
funcionamiento de la central. Estos sistemas de enfriamiento de aire tendrían que
diseñarse para las condiciones climatológicas y las condiciones particulares de
operación de cada central, por lo que representan una nueva línea de investigación para
centrales que ya estén instaladas o que vayan a ser diseñadas y por tanto puedan ser
optimizadas.
1.2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
Previamente a la realización del proyecto, se realizó un estudio sobre diversos trabajos
y tesis existentes que versaban sobre la optimización de ciclos combinados, tales
como [6], [8], [10], [17] y [18]. En estos, a la vez que se estudia el tema de la
optimización de ciclos combinados, se hace una revisión bibliográfica detallada sobre
el estado del arte de los ciclos combinados, de la cual se puede sacar una conclusión
bastante clara, y es que el estudio de la CRC ha tenido el protagonismo en el proceso
de investigación de mejoras en los ciclos combinados. Sobre este tema podemos decir
que es un estudio que se encuentra suficientemente abarcado y estudiado, por parte,
tanto de empresas como de particulares.
Por nuestra parte surge la curiosidad de buscar una nueva línea de mejora de las
plantas de ciclo combinado, situación que nos lleva a encontrar la dependencia que
presentan las centrales de ciclo combinado (la turbina de gas más concretamente) con
las condiciones ambientales.
Por lo tanto, desde nuestro punto de vista, vemos viable aproximarnos a esta línea de
investigación, así como presentar como se encuentra el estado del arte de la
refrigeración de entrada de turbinas de gas y también hacer un estudio que nos permita
saber que tecnología es la mas adecuada a la hora de acoplarse a un ciclo combinado
según la situación climatológica a la cual se encuentre situado.
Para ello nos basaremos en el programa “GT pro”, herramienta que nos permite el
diseño, simulación y mejora de una planta de ciclo combinado, así como testar los
diferentes sistemas de enfriamiento.
1.3 PLANTEAMIENTO Y RESUMEN DEL PROYECTO
El desarrollo que llevaremos en este proyecto se va a centrar básicamente en los
siguientes puntos:
ÆEn primer lugar se hará una introducción a los ciclos combinados para conocer
intrínsecamente el funcionamiento de las centrales que se basan en este ciclo, así
como los diferentes elementos que la integran.
ÆEn segundo lugar haremos un estudio de las diferentes tecnologías existentes que
permiten el enfriamiento del aire de entrada a la turbina de gas.
ÆEn tercer lugar pasaremos a modelar una central de ciclo combinado que nos
permitirá analizar la incidencia que las condiciones climatológicas pueden tener sobre
la misma, así como una descripción a grandes rasgos de la herramienta que hemos
utilizado durante la realización del proyecto, el programa “GT pro”.
ÆEn cuarto lugar introduciremos las diferentes tecnologías de refrigeración de la
entrada de la turbina de gas en nuestra planta modelada, para ver como las diferentes
tecnologías influyen en el funcionamiento de la planta.
ÆPor ultimo, en quinto lugar, daremos paso a las conclusiones, en las cuales
compararemos los diferentes sistemas y analizaremos la conveniencia de implantar
uno u otro sistema según las diferentes condiciones de funcionamiento y condiciones
climatológicas.