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TALLER DE PLANTAS
TERMOELÉCTRICAS CON CICLO
COMBINADO - BÁSICO
Noviembre 2020
Departamento de Procesos, Inelectra S.A.C.A.

AGENDA
Introducción y objetivos
Reseña teórica
1. Máquinas térmicas
2. Ciclo Brayton
3. Ciclo Rankine
4. Ciclo combinado
5. Cogeneración
Planta de generación de potencia por ciclo combinado
Tipos de plantas
Visión general de la planta
Variaciones típicas en ciclos combinados
Escenarios de operación de la planta
Sistemas principales
Sistemas Auxiliares
Balances térmicos
¿Qué son y para qué se usan?
Secciones en un balance térmico
TALLER DE PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CON CICLO
COMBINADO - BÁSICO

Introducción
• Procesos de conversión de combustibles eficientes.
• Reducción de los costos del kw-h generado.
• Los ciclos combinados alcanzan eficiencias de 57 % y los ciclos de
cogeneración de 84 %.
• Los ciclos combinados se han convertido en una metodología muy
utilizada, debido a la mayor confiabilidad y disponibilidad de las turbinas de
combustión y al aumento de la temperatura de sus gases de escape.
Objetivos de la charla
• Definir un ciclo combinado.
• Identificar las partes constitutivas de una planta de generación de potencia
con ciclo combinado.
• Presentar la herramienta balance térmico.
Referencia recomendada: Inedon 903-HM120-P09-GUD-085
COMBINADO - BÁSICO

Generación de potencia por ciclo combinado - Reseña Teórica
1. Máquinas térmicas.
Es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía,
mediante la variación de energía de un fluido (procesos termodinámicos) que
varía su densidad significativamente al atravesar la máquina.
De nuestro interés: el ciclo Brayton y ciclo Rankine (máquinas térmicas con
una serie de procesos termodinámicos definidos que se repiten).
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2. Ciclo Brayton.
Es el ciclo de aire teórico estándar (ideal) que se aproxima al funcionamiento
de las turbinas de combustión (ciclo simple).
COMBINADO - BÁSICO

3. Ciclo Rankine.
Es el ciclo más simple que utiliza el agua-vapor como fluido de trabajo. En
este ciclo se basa la operación de una central termoeléctrica.
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4. Ciclo Combinado.
Un ciclo combinado es un esquema de generación eléctrica basado en dos
ciclos térmicos diferentes: Un ciclo Brayton y un ciclo Rankine.
COMBINADO - BÁSICO

4. Ciclo Combinado (Cont.).
Esta configuración permite un eficiente empleo de combustible, con
rendimientos que superan el 55% (es decir, más del 55% de la energía
contenida en el combustible se convierte en energía eléctrica).
COMBINADO - BÁSICO

5. Plantas de cogeneración.
La Cogeneración significa producción simultánea de electricidad y calor.
Un ciclo combinado se puede adaptar para generar calefacción a distancia o
para la obtención de vapor de procesos a partir del calor residual de la turbina
de gas.
COMBINADO - BÁSICO

5. Plantas de cogeneración (Cont.).
Gracias a la utilización del calor residual, el rendimiento del proceso se puede
aproximar al 75 %.
Factores que contribuyen al funcionamiento económico:
• Alta relación potencia
eléctrica / potencia calorífica
• Alta relación fiabilidad /
disponibilidad
• Alto rendimiento térmico
• Bajos costos de operación y
mantenimiento
• Instalación en un periodo
corto de tiempo
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Central de ciclo combinado – Tipos de plantas
1. Ciclo simple.
La planta O.A.M con (4) unidades Westinghouse 501D5
de 100 MW c/u.
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2. Ciclo combinado.
Central Manzanillo
6 turbinas de gas y con sus respectivos recuperadores de vapor,
arregladas en 2 módulos de 3 turbinas de gas y una turbina de vapor
con una potencia total instalada de 1.413,4 MW.
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3. Cogeneración.
CGA:1 Turbina de gas con su recuperador de calor en ciclo con turbina de
vapor, para producir 348 MW en cogeneración de vapor a proceso 210 t/h,
55.7 t/h vapor de 129 kg/cm2, (43 y 61.3) t/h de vapor de 63.3 kg/cm2 y 50
t/h de vapor de 42 kg/cm2.
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Arreglos comunes:
SS (Single Shaft) o MS (Multiple Shaft).
1+1 SS (1x1x1: 1 TG, 1 GVRC, 1 TV)
1+1 MS (1x1x1)
2+1 MS (2x2x1)
3+1 MS (3x3x1)
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Central de ciclo combinado – Visión general de la planta
Secciones de la planta según un BT
TURBINA DE
GAS
TURBINA DE
VAPOR
GENERADOR DE VAPOR POR RECUP. DE CALOR
SIST. PPAL.
DE ENFRIAM.
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Central de ciclo combinado – Variaciones típicas en ciclos combinados
• Requerimiento de Compresor de Gas (Salamanca).
• Configuración 1x1x1 (CGA1).
• Configuración 2x2x1 (Salamanca).
• Extracción de vapor hacia los usuarios externos (Cogeneración) (CGA1).
• Sistema de Enfriamiento Principal: Condensador de Superficie - Torre de
Enfriamiento (CGA1) / Aerocondensador (Salamanca) - Disponibilidad de
agua como medio de enfriamiento.
• Sistema de enfriamiento del Generador de la GT (Salamanca).
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Central de ciclo combinado – Escenarios de operación de la planta
Son las configuraciones previstas para cubrir / adaptar la operación de la planta
a diferentes requerimientos.
1. En función del tipo de planta:
A. Ciclo simple (TMZ III Fase A).
B. Ciclo combinado (SLM).
C. Cogeneración (CGAI).
2. En función de las condiciones
ambientales:
A. Máxima extrema
B. Mínima extrema
C. Verano
D. Media anual
E. Invierno
3. En función de las cargas operativas:
A. 100%
B. 75%
C. 50%
D. 25%
4. En función de estados transitorios
operativos:
A. Caso bypass de turbina de
vapor (SLM & CGAI).
B. Bypass de gases de escape
(SLM).
C. Modo Isla (CGAI).
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Central de ciclo combinado - Sistemas principales
1. Turbogenerador de Gas (TG).
2. Generador de Vapor por Recuperación de Calor (GVRC).
3. Turbogenerador de Vapor (TV).
4. Sistema de condensado.
• Sistema principal de enfriamiento.
• Bombas de condensado.
• Torre de Enfriamiento (Sumidero)
5. Líneas de vapor y bypass de TV.
6. Sistema de agua de alimentación.
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1. Turbogenerador de gas (TG).
• General Electric
Modelos: 7000 HA, 7000 F, 7000 FA,
6000 FA, 9000 F y 9000 FA
• Westinghouse
Modelos: 501 F, 701 F
• Mitsubishi
Modelos: 501 F, 701 F
• ABB
Modelos: GT13, GT11N2, GT 24, GT
26
• Siemens
SGT5-9000HL | 593 MW | 50 Hz.
SGT5-8000HL | 481 MW | 50 Hz.
SGT5-8000H | 450 MW | 50 Hz.
SGT6-9000HL | 405 MW | 60 Hz.
SGT5-4000F | 329 MW | 50 Hz.
SGT6-8000H | 310 MW | 60 Hz.
SGT6-5000F | 215–260 MW | 60 Hz.
SGT5-2000E | 187 MW(e) | 50 Hz.
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COMBINADO - BÁSICO

Aspectos a considerar
• Condiciones ISO y definición de potencia de una turbina de gas.
• ¿Qué es el HEAT RATE?
Consumo de calor específico. Se mide en unidades de consumo de
calor por unidad de energía producida (kJ/kWh).
• Ventajas y desventajas.
.×
COMBINADO - BÁSICO

2. Generador de vapor por recuperación de calor (GVRC).
Permite usar el calor de los gases de escape de la TG para generar vapor.
Clasificaciónón:
1. Por tipo de circulación:
• Natural.
• Forzada.
• Once through.
2. De acuerdo a las presiones de trabajo:
• Presión simple.
• Doble presión.
• Triple presión.
3. Pueden tener recalentamiento o no.
4. De acuerdo al combustible:
• Con combustible suplementario.
• Sin combustible suplementario.
• Full combustible.
5. De acuerdo a la dirección del flujo de gases:
• Paso vertical.
• Paso horizontal.
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2. Generador de vapor por recuperación de calor (GVRC).
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3. Turbogenerador de vapor (TV).
Modelos Siemens
Principales características
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4. Sistema de condensado.
Condensa el vapor de salida de la TV para reutilizarlo en el GVRC y producir
nuevamente vapor para la TV.
• Sistema principal de enfriamiento.
• Bombas de
condensado.
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• Torre de enfriamiento.
• Bombeo de agua
de mar o de rio.
COMBINADO - BÁSICO

5. Líneas de vapor y bypass de TV.
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6. Sistema de agua de alimentación.
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1. Sistemas auxiliares de la TG.
• Gas natural.*
• Compresor de aire y sistema de
enfriamiento del aire.
• Sistema de lubricación.
• Sistema de enfriamiento del generador.
• Sistema contraincendios.
* Según alcance
Central de ciclo combinado - Sistemas auxiliares
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2. Sistemas auxiliares del GVRC.
• Enfriamiento de chumaceras de
bombas de agua de alimentación.
• Aire de instrumentos.
• Nitrógeno.
• Calentamiento de gas combustible.*
* Según alcance
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3. Sistemas auxiliares de la TV.
• Sistema de lubricación.
• Sistema de enfriamiento:
• Sistema contraincendios.
• Sistema de sello de la TV.
• Drenajes de vapor.
• Sistema de vacío.
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4. Sistemas de la PTA.
• Agua cruda.
• Agua de servicios.
• Agua desmineralizada.
• Químicos.
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4. Sistemas de la PTA (Cont.).
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5. Sistemas auxiliares de la planta.
• Aire de servicios.
• Gas natural.
• Estación de medición, regulación y control.
• Sistema de compresión de gas.
• Sistema de monitoreo continuo de emisiones (CEM).
• Sistema de análisis y muestreo (SAM).
• Agua de servicios.
• Agua desmineralizada.
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5. Sistemas auxiliares de la planta (Cont.).
• Sistema de circuito cerrado de enfriamiento.
• Tratamiento de drenajes químicos.
• Tratamiento de aceitosos químicos.
• Tratamiento de aguas sanitarias.
• Químicos para tratamiento de efluentes.
• Químicos al ciclo.
• Químicos para los sistemas de enfriamiento.
• Sistema de agua contraincendios.
• Sistemas de gases.
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Balances térmicos
¿Qué son?
El BT es un diagrama en el que se muestra el balance de materia y energía de
un sistema de generación de potencia a una condición ambiental determinada .
¿Para qué se usan?
• Identificar los requerimientos de servicios auxiliares de un equipo principal.
• Identificar los requerimientos de servicios auxiliares la planta.
• Dimensionar las líneas principales del ciclo agua-vapor.
• Identificar la eficiencia de la configuración (HEAT RATE).
• Dimensionar los equipos principales.
• Identificar la potencia generada.
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Veamos un balance térmico e identifiquemos…
Secciones de la planta en el BT
TURBINA DE
GAS
TURBINA DE
VAPOR
GENERADOR DE VAPOR POR RECUP. DE CALOR
SIST. PPAL.
DE ENFRIAM.
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Identifiquemos en los equipos mayores…
AIRE
GAS COMBUSTIBLE:
• Compresor de Gas
• Calentador de Gas
GASES DE ESCAPE
TURBINA DE GAS
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GENERADOR DE VAPOR POR RECUPERACIÓN DE CALOR
GASES DE
ESCAPE
AGUA DE ALIMENTACIÓN
DOMO DE ALTA
PRESIÓN
DOMO DE MEDIA
PRESIÓN
DOMO DE BAJA
PRESIÓN
Bomba de
Media Presión
Bomba de
Alta Presión
VAPOR DE
ALTA PRESIÓN
VAPOR DE
MEDIA PRESIÓN
COMBINADO - BÁSICO

TURBINA DE VAPOR
VAPOR DE
ALTA PRESIÓN
VAPOR DE
MEDIA PRESIÓN
VAPOR DE
BAJA PRESIÓN
COMBINADO - BÁSICO

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PRINCIPAL
VAPOR DE
BAJA PRESIÓN
CONDENSADO
HACIA GVRC
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Observaciones finales – Puntos a recordar
• Las centrales térmicas de generación de potencia con ciclo combinado logran
eficiencias más altas que centrales de ciclos individuales, de allí la relevancia de la
adecuada integración entre los ciclos para obtener el máximo rendimiento de la
energía suministrada por el combustible.
• La cogeneración permite obtener un extra en el rendimiento de las plantas con
ciclos combinados. La implementación de las modificaciones pertinentes a la
cogeneración van a depender de la factibilidad técnica/económica de los mismos.
• La ingeniería para este tipo de plantas demanda un constante proceso de revisión
y actualización de los cálculos/diseño debido a la influencia en todo el proceso de
las máquinas principales, las cuales poseen un largo tiempo de definición y de
entrega.
• La consideración de TODOS los escenarios de operación de la planta (la
flexibilidad operativa esperada) influye fuertemente en los tiempos de definición de
las máquinas principales y a su vez afecta la definición de la integración de la
planta.
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¿Preguntas?
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¡Gracias!
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