Técnicas de Mejora de la Eficiencia del Ciclo de Rankine
Las centrales térmicas siguen siendo el pilar principal de la generación total de energía eléctrica en el Asia Pacífico. Por lo tanto, incluso una pequeña mejora en forma de aumento de la eficiencia tiene un efecto tremendo en el ahorro de combustible y también en la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero.
Por lo tanto, no se debe perder ninguna oportunidad para encontrar las formas y medios de aumentar la eficiencia del ciclo de energía térmica.
La idea detrás de cualquier mejora o modificación es aumentar la eficiencia térmica de la central eléctrica. Así, las técnicas de mejora de la eficiencia térmica son:
Disminuyendo la temperatura promedio a la que se rechaza el calor del fluido de trabajo (vapor) en el condensador. (Reducción de la presión del condensador)
Aumentando la temperatura del vapor que entra en la turbina
Reducción de la Presión del Condensador
El vapor sale de la turbina y entra en el condensador como una mezcla saturada en línea con la presión correspondiente del vapor en el condensador. La disminución de la presión del condensador siempre ayuda a entregar más trabajo neto en la turbina, ya que es posible una mayor expansión del vapor en la turbina.
Con la ayuda del diagrama T-s, se puede ver y comprender el efecto de la reducción de la presión del condensador en el rendimiento del ciclo.
Efectos Positivos de la Reducción de la Presión del Condensador
Para aprovechar la ventaja de una mayor eficiencia, el Ciclo de Rankine debe operar a una presión de condensador inferior al atmosférico. Pero el límite para la presión de condensador inferior está definido por la temperatura del agua de refrigeración correspondiente a la presión de saturación de la zona.
En el diagrama T-s anterior, se puede ver fácilmente que el área coloreada es el aumento en la salida de trabajo neta debido a la reducción de la presión del condensador de P4 a P4’.
Efectos Negativos de la Reducción de la Presión del Condensador
El efecto de la reducción de la presión del condensador no viene sin efectos secundarios. Así, los siguientes son los efectos adversos de la reducción de la presión del condensador:
Aporte de calor adicional en la caldera debido a la disminución de la temperatura de recirculación del condensado (efecto de la menor presión del condensador)
Con una presión de condensador menor, la posibilidad de aumento del contenido de humedad en el vapor en la etapa final de expansión de la turbina aumenta. La disminución de la fracción de sequedad del vapor en las etapas posteriores de la turbina es indeseable, ya que resulta en una ligera disminución de la eficiencia y erosión de las palas de la turbina.
Efectos Netos de la Reducción de la Presión del Condensador
El efecto neto general es más hacia el lado positivo, ya que el aumento en el requerimiento de aporte de calor en la caldera es marginal, pero el aumento en la salida de trabajo neto es mayor debido a la disminución de la presión del condensador. Además, la fracción de sequedad del vapor en las etapas posteriores de la turbina no se permite que baje más allá del 10-12%.
Supercalentamiento del Vapor a Temperaturas Más Altas
El sobrecalentamiento del vapor es el fenómeno en el que se transfiere calor al vapor para supercalentarlo a una temperatura más alta manteniendo la presión constante en la caldera.
El área sombreada en el diagrama T-s anterior muestra claramente el aumento en el trabajo neto (3-3’-4’-4) debido al aumento en la temperatura de sobrecalentamiento del vapor.
El aporte de calor adicional en forma de energía, abandona el ciclo como trabajo, es decir, el aumento en la salida de trabajo supera el aporte de calor adicional y la rechazo de calor. La eficiencia térmica del ciclo de Rankine aumenta debido al aumento en la temperatura del vapor.
Efectos Positivos del Aumento de la Temperatura del Vapor
Un efecto deseable del aumento de la temperatura del vapor es que no permite que el porcentaje de humedad en la última etapa del vapor aumente. Este efecto se puede ver fácilmente en el diagrama T-s (Figura 2) anterior.
Efectos Negativos del Aumento de la Temperatura del Vapor
El aumento de la temperatura del vapor resulta en un pequeño aumento en el aporte de calor. Hay un límite hasta el cual el vapor puede ser sobrecalentado y utilizado en el ciclo de energía. Estos factores limitantes están relacionados con la resistencia metálica a altas temperaturas y la viabilidad económica.
Actualmente, en las unidades de generación de energía supercríticas, la temperatura del vapor en la entrada de la turbina es de alrededor de 620oC. La decisión de cualquier aumento adicional en la temperatura del vapor solo se puede tomar de manera juiciosa después de realizar la debida diligencia metalúrgica y evaluar las implicaciones de costos.
Efectos Netos del Aumento de la Temperatura del Vapor
Del diagrama T-s (Figura 2), el efecto neto del aumento de la temperatura es más hacia el lado positivo, porque la ganancia en la salida de trabajo neto supera el aumento en el aporte de calor y el ligero aumento en el rechazo de calor. Por lo tanto, siempre es beneficioso aumentar la temperatura del vapor después de evaluar la confiabilidad y la viabilidad económica.
Aumento de la Presión de la Caldera con Parámetros Subcríticos
Una alternativa para aumentar la eficiencia del ciclo de Rankine es aumentando la presión de operación de la caldera y, de esta manera, relacionándola con la temperatura a la que se produce la ebullición en la caldera. Así, la eficiencia térmica del ciclo aumenta.
Con la ayuda del diagrama T-s, se puede ver y entender claramente el efecto del aumento de la presión de la caldera en el rendimiento del ciclo.
Debido al aumento de la presión de la caldera, el ciclo de Rankine se desplaza ligeramente hacia la izquierda, como se muestra en la Figura 3 del diagrama T-s, y se pueden concluir los siguientes puntos:
Aumento sustancial en el trabajo neto, como se muestra en el área sombreada de color rosa en la figura anterior.
Como el ciclo se desplaza ligeramente hacia la izquierda, hay una disminución en el trabajo neto durante la expansión del vapor en la turbina. (como se muestra en la figura 3 anterior, sombreada en gris).
Reducción en el rechazo de calor al agua de refrigeración en el condensador.
Por lo tanto, el efecto neto es un marcado aumento en la eficiencia térmica del ciclo debido a estas medidas.
Aumento de la Presión de la Caldera con Parámetros Supercríticos
Para aumentar la eficiencia térmica del ciclo de Rankine, se utiliza la presión supercrítica en los generadores de vapor utilizados en la actualidad. Cuando los generadores de vapor operan por encima de 22.06 Mpa, se llaman generadores de vapor supercríticos y la planta se llama planta de generación de energía supercrítica. Debido a las presiones de operación más altas, estas plantas son conocidas por ofrecer mayores eficiencias.
Ciclo de Rankine con Recalentamiento
Ciclo de Rankine con recalentamiento es para aprovechar la ventaja de una mayor eficiencia cíclica a presiones de caldera más altas sin comprometer el contenido de humedad del vapor en las últimas etapas de la turbina.
Una mayor eficiencia cíclica es posible con el ciclo de recalentamiento, además, sin comprometer la fracción de sequedad. Esto es posible expandiendo el vapor en la turbina en dos etapas, recaleentándolo entre ellas. El recaleentamiento es una forma prácticamente aceptable de abordar el problema de la excesiva humedad en las últimas etapas de la turbina.
Forma Teórica de Reducir la Humedad en la Última Etapa
