Metodología de integración de un ciclo de potencia de turbina de gas a un ciclo de potencia de turbina de vapor

Integration methodology of a gas turbine power cycle to a steam turbine power cycle

En este trabajo se presenta una propuesta de repotenciación de la Central Térmica Lerma por medio de cogeneración, integrando un ciclo de potencia de gas a un ciclo de potencia de vapor. Se realizó la modelación matemática a través del análisis termodinámico de los ciclos de potencia, obteniendo las ecuaciones de solución y posteriormente los resultados del modo hibrido que mostraron una potencia de 62.53 MW y una eficiencia térmica de 47.74 %, valor 60.5 % superior al ciclo Rankine con el que se trabajaba originalmente, mostrando que es factible esta configuración para la generación de energía.

Introducción

Dos de las principales razones que pueden llevar a la repotenciación de una central termoeléctrica son:primero,resolver la obsolescencia de la central sin incurrir en excesivos costes de inversión al reutilizar parte del equipamiento existente y segundo aumentar la potencia generada sin necesidad de recurrir a nuevos espacios [1]. Algunos beneficios de la repotenciación  son el aumento de  la eficiencia de la  central termoeléctrica, disminución de la cantidad de combustible empleado y con ello las emisiones de CO2, aumento de la potencia, reducción del costo de inversión, flexibilidad del tipo de combustible [2]. En la repotenciación se pretende recuperar, del mismo modo que en un ciclo combinado, la energía de la que dispone el gas quemado de la turbina. 

Dependiendo de cómo se aproveche el gas expandido por laturbina se diferencian dos tipos principales de repotenciación, conservando el generador de vapor(repotenciación parcial) o prescindir de él (repotenciación completa). Evidentemente habrá una serie de razones que estimulen a utilizar uno u otro tipo, dependientes de los objetivos requeridos para la nueva planta y de las características de la planta antigua.

En la repotenciación, el ciclo Joule-Brayton trabaja en modo híbrido con el ciclo Rankine, aprovechando los gases descargados a la atmósfera para suministrar una parte del calor a la caldera del ciclo Rankine. La capacidad de la nueva turbina de gas instalada se selecciona para ajustarse exactamente a la demanda de vapor del ciclo de la turbina de vapor existente o menos; generalmente tres cuartas partes de la turbina de vapor existente.

Para seleccionar la capacidad de la nueva turbina de gas se considerará la potencia de generación de la unidad 4 que es de 34.601 MW [3]. Por conveniencia se instalarán tres turbinas de gas de baja capacidad en lugar de instalar una sola de gran capacidad. Considerando la instalación de tres pequeñas turbinas de gas cada uno con su HSRG, la capacidad de cada una de ellas será de aproximadamente 12 MW. En la tabla 1 se muestran las características de la turbinade gas considerada.

Comercialmente la empresa Siemens cuenta con una turbina de gas de 12.9 MW [4] la cual se adapta a nuestras necesidades, ya que hay que tomar en cuenta que en modo híbrido la potencia que entregará la turbina de gas será aproximadamente del 72.18% de su potencia [5].