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repowering con turbina de gas de una central termoeléctrica de ...

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REPOWERING CON TURBINA DE GAS DE UNA CENTRAL<br />

1. Introducción<br />

TERMOELÉCTRICA DE CARBÓN DE 335 MW<br />

Luis M. Romeo, Jesús M. Escosa<br />

Centro <strong>de</strong> Investigación <strong>de</strong> Recursos y Consumos Energéticos (CIRCE).<br />

Universidad <strong>de</strong> Zaragoza. Centro Politécnico Superior. María <strong>de</strong> L<strong>una</strong>, 3, 50018 Zaragoza.<br />

La reciente entrada en vigor <strong>de</strong>l Protocolo <strong>de</strong> Kyoto[1], acuerdo ampliamente <strong>con</strong>ocido y<br />

divulgado por su trascen<strong>de</strong>ncia, obliga a los diferentes países que lo han ratificado a cumplir<br />

<strong>con</strong> lo que se comprometieron. A tal efecto, se ha establecido un régimen que regula un<br />

mercado <strong>de</strong> permisos <strong>de</strong> emisión <strong>de</strong> <strong>gas</strong>es <strong>de</strong> efecto inverna<strong>de</strong>ro, obligando a elaborar un plan<br />

<strong>de</strong> asignación <strong>de</strong> emisiones que obligara a cumplir <strong>con</strong> los diferentes acuerdos alcanzados<br />

<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la Unión Europea.<br />

Uno <strong>de</strong> los sectores más afectados <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> estos acuerdos es el sector tradicional <strong>de</strong> la<br />

producción <strong>de</strong> energía eléctrica. Se preten<strong>de</strong>, que la mayor parte <strong>de</strong> la reducción <strong>de</strong> emisiones<br />

<strong>de</strong> <strong>gas</strong>es <strong>de</strong> efecto inverna<strong>de</strong>ro en España, sea a través <strong>de</strong> la eliminación o <strong>de</strong> la reducción <strong>de</strong><br />

las horas <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong> las unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> generación <strong>con</strong>vencionales que utilizan carbón<br />

como fuente primaria. Actualmente, este tipo <strong>de</strong> unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> producción eléctrica, representan<br />

más <strong>de</strong> un tercio <strong>de</strong>l total <strong>de</strong> la producción <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> generación español. Como es<br />

razonable pensar, el prescindir <strong>de</strong> forma inmediata <strong>de</strong> estas instalaciones, pue<strong>de</strong> llevar a<br />

<strong>de</strong>senca<strong>de</strong>nar problemas <strong>con</strong> <strong>con</strong>secuencias extremadamente negativas, no ya por el hecho <strong>de</strong><br />

cambio <strong>de</strong> tecnología, puesto que las <strong>central</strong>es <strong>de</strong> ciclo combinado que utilizan <strong>gas</strong> natural<br />

podrían ser <strong>con</strong>struidas en intervalos cortos <strong>de</strong> tiempo, si no por el tipo <strong>de</strong> combustible. Una<br />

<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia exclusiva <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> natural en <strong>de</strong>trimento <strong>de</strong>l carbón requiere <strong>una</strong> <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong><br />

un combustible al que se le <strong>con</strong>ocen menos reservas, <strong>de</strong> un combustible más localizado en<br />

países <strong>con</strong> <strong>una</strong> elevada calma tensa y <strong>de</strong> un combustible que no es autóctono. Las<br />

1


<strong>con</strong>notaciones que tienen estas realida<strong>de</strong>s se traducen principalmente en dos, por un lado se<br />

dispondría <strong>de</strong> un sistema eléctrico español cimentado en <strong>una</strong> tecnología inestable que en<br />

cualquier momento podría <strong>de</strong>rrumbarse y, por otro, el sector <strong>de</strong> la minería se vería postrado<br />

<strong>de</strong>finitivamente, sin ning<strong>una</strong> oportunidad, y que sería extremadamente complicado re<strong>con</strong>vertir<br />

en los espacios <strong>de</strong> tiempo tan cortos que se están requiriendo.<br />

La reducción en el uso <strong>de</strong>l carbón <strong>de</strong>be ser gradual y acompañada por los avances <strong>de</strong> fuentes<br />

renovables y no por la sustitución íntegra <strong>con</strong> <strong>gas</strong> natural. Por ello, <strong>una</strong> <strong>de</strong> las soluciones que<br />

se proponen a esta situación es la repotenciación <strong>de</strong> parte <strong>de</strong> los 12.127 MWe instalados <strong>de</strong><br />

carbón en España (REE, 2004). De este modo se <strong>con</strong>siguen <strong>con</strong>jugar los objetivos que se<br />

preten<strong>de</strong>n en un espacio corto <strong>de</strong> tiempo: aumentar eficiencia [2,3], disminuir emisiones <strong>de</strong><br />

CO2 y <strong>con</strong>servar el uso <strong>de</strong>l carbón [4].<br />

2. Elección <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> <strong>repowering</strong><br />

Evi<strong>de</strong>ntemente cada unidad <strong>de</strong> producción termoeleéctrica es diferente y, por tanto, las<br />

modificaciones pertinentes junto <strong>con</strong> las mejoras <strong>con</strong>seguidas no son extrapolables<br />

completamente. Sin embargo, se pue<strong>de</strong>n dar <strong>una</strong> serie <strong>de</strong> pautas para dirigir el cómo <strong>de</strong>be<br />

estudiarse la <strong>con</strong>veniencia <strong>de</strong> distintos <strong>repowering</strong> planteados <strong>con</strong> respecto a la mejora <strong>de</strong><br />

prestaciones en cuanto a eficiencias y emisiones.<br />

En primer lugar <strong>de</strong>be tenerse claro cuál es el objetivo por el que se plantea la repotenciación<br />

<strong>de</strong> <strong>una</strong> planta <strong>de</strong>terminada. Para el caso particular que se busca <strong>con</strong> este trabajo, que es el <strong>de</strong><br />

reducir las emisiones <strong>de</strong> CO2 y mantener el uso <strong>de</strong>l carbón como fuente energética, no se<br />

estudia ni el <strong>repowering</strong> completo ni el <strong>repowering</strong> caja <strong>de</strong> vientos. El <strong>repowering</strong> completo<br />

elimina cualquier posibilidad <strong>de</strong> utilizar carbón, aspecto que se valora como <strong>una</strong> mala<br />

solución para el parque <strong>de</strong> generación español. A<strong>de</strong>más, la instalación <strong>de</strong> un ciclo combinado<br />

<strong>de</strong>s<strong>de</strong> el principio sería, posiblemente, <strong>una</strong> solución más eficiente, aunque <strong>con</strong> plazos <strong>de</strong><br />

2


modificación más elevados. En cuanto al <strong>repowering</strong> <strong>de</strong> caja <strong>de</strong> vientos, se sabe que es <strong>una</strong><br />

solución más cara que las <strong>de</strong>más opciones, puesto que precisa <strong>de</strong> modificaciones importantes<br />

en el hogar <strong>de</strong> la cal<strong>de</strong>ra y en el sistema aire / <strong>gas</strong>es [4].<br />

Se <strong>con</strong>si<strong>de</strong>ra que los <strong>con</strong>ceptos <strong>de</strong> repotenciación que mejor se pue<strong>de</strong>n adaptar a las <strong>central</strong>es<br />

españolas son los <strong>repowering</strong> parciales agua <strong>de</strong> alimentación y paralelo. Permiten la<br />

<strong>con</strong>tinuidad en el uso <strong>de</strong>l carbón y el grado <strong>de</strong> modificación es pequeño, lo que implica menor<br />

coste <strong>de</strong> inversión y corto intervalo <strong>de</strong> tiempo para la realización <strong>de</strong> la reforma. Los aumentos<br />

<strong>de</strong> eficiencia que se <strong>con</strong>siguen son razonables y acor<strong>de</strong>s a los objetivos exigibles a <strong>una</strong> <strong>central</strong><br />

<strong>con</strong>vencional existente, así como la reducción <strong>de</strong> emisiones específicas <strong>de</strong> CO2 [4].<br />

La nueva potencia <strong>de</strong> la planta repotenciada es <strong>una</strong> <strong>de</strong> las variables a tener en cuenta. Los<br />

objetivos <strong>de</strong> la reforma pue<strong>de</strong>n ser aumentar la potencia por instalación o, como se busca en<br />

este caso, reducir al máximo las emisiones <strong>de</strong> CO2 sin reducir la potencia instalada. Para ello,<br />

es necesario seleccionar la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong> que mejor se adapte a la nueva <strong>con</strong>figuración,<br />

tendiendo en cuenta potencia, caudal másico, eficiencia y temperatura <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l <strong>gas</strong><br />

exhaustado por la <strong>turbina</strong>. En el <strong>repowering</strong> <strong>de</strong> agua <strong>de</strong> alimentación es a<strong>con</strong>sejable, siempre<br />

que sea posible, reducir al máximo las extracciones <strong>de</strong> la parte <strong>de</strong> alta presión <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong><br />

vapor. La energía sobrante se pue<strong>de</strong> aprovechar en reducir las extracciones <strong>de</strong> la parte <strong>de</strong> baja.<br />

En un <strong>repowering</strong> paralelo, la energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong>be ser <strong>de</strong>stinada, mayormente, a<br />

la formación <strong>de</strong> vapor, cediendo el exce<strong>de</strong>nte en la parte <strong>de</strong> baja presión [3].<br />

3. Central <strong>termoeléctrica</strong> <strong>con</strong>vencional<br />

La <strong>central</strong> térmica que se <strong>con</strong>si<strong>de</strong>ra como base para este estudio es <strong>una</strong> <strong>central</strong> <strong>con</strong>vencional<br />

<strong>de</strong> carbón pulverizado (figura 1). El ciclo <strong>de</strong> potencia que caracteriza a esta planta es similar<br />

al que se encuentra en el resto <strong>de</strong> <strong>central</strong>es <strong>con</strong>vencionales <strong>de</strong> carbón pulverizado <strong>de</strong>l parque<br />

<strong>de</strong> generación español. La planta <strong>con</strong>sta <strong>de</strong> <strong>una</strong> cal<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> vapor alimentada <strong>con</strong> carbón<br />

3


pulverizado que produce a carga nominal un flujo másico <strong>de</strong> vapor sobrecalentado <strong>de</strong> 307,1<br />

kg/s a <strong>una</strong>s <strong>con</strong>diciones <strong>de</strong> 538,9 ºC y 159,9 bar. A<strong>de</strong>más, proporciona 276,1 kg/s <strong>de</strong> vapor<br />

recalentado caliente a <strong>una</strong> presión <strong>de</strong> 38,8 bar y a <strong>una</strong> temperatura <strong>de</strong> 537,7 ºC. El ciclo <strong>con</strong>sta<br />

<strong>de</strong> <strong>una</strong> <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> vapor <strong>de</strong> tres secciones, sección <strong>de</strong> alta <strong>con</strong> <strong>una</strong> etapa, sección <strong>de</strong> media <strong>con</strong><br />

dos etapas y sección <strong>de</strong> baja <strong>con</strong> un total <strong>de</strong> 4 etapas. Se dispone <strong>de</strong> un total <strong>de</strong> 7 extracciones,<br />

<strong>de</strong> las cuales 3 se dirigen a los calentadores cerrados <strong>de</strong>l tren <strong>de</strong> baja, dos al tren <strong>de</strong> alta, <strong>una</strong><br />

al <strong>de</strong>s<strong>gas</strong>ificador y <strong>una</strong> al <strong>con</strong><strong>de</strong>nsador. La regulación <strong>de</strong>l <strong>con</strong>trol <strong>de</strong> carga se realiza mediante<br />

presión fija, y la presión <strong>de</strong> <strong>con</strong><strong>de</strong>nsación se <strong>con</strong>si<strong>de</strong>ra que permanece invariable para esas<br />

variaciones <strong>de</strong> carga. La potencia bruta eléctrica <strong>de</strong> la planta es <strong>de</strong> 334,6 MWe <strong>con</strong> un<br />

<strong>con</strong>sumo en cal<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> 1003,5 MWt. La eficiencia bruta sobre el po<strong>de</strong>r calorífico superior es<br />

<strong>de</strong> 33,34 %, siendo las emisiones específicas <strong>de</strong> CO2 <strong>de</strong> 845,3 kg por MWeh producido. Las<br />

emisiones totales anuales <strong>con</strong>si<strong>de</strong>rando un factor <strong>de</strong> utilización <strong>de</strong> la <strong>central</strong> <strong>de</strong>l 70%<br />

correspon<strong>de</strong>n a 1980 kT <strong>de</strong> CO2.<br />

.<br />

1003,5 MWt<br />

845,3 kgCO2/MWh<br />

Figura 1. Esquema <strong>de</strong> la planta <strong>de</strong> generación sobre la que se estudia la repotenciación<br />

4. Repowering agua <strong>de</strong> alimentación<br />

4.1. Modificación <strong>de</strong> la planta<br />

307,1 kg/s<br />

159,9 bar<br />

538,9 ºC<br />

1<br />

2<br />

4<br />

5<br />

6<br />

1<br />

4<br />

276,1 kg/s<br />

38,8 bar<br />

537,7 ºC<br />

2 3<br />

ηplanta= 33,34 %<br />

4 5 6<br />

334,6 MWe


La nueva <strong>con</strong>figuración <strong>de</strong> la planta se incluye en la figura 2. La parte rayada <strong>con</strong>stituye la<br />

parte nueva <strong>de</strong> la instalación. Se aña<strong>de</strong> <strong>una</strong> <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong> y dos calentadores en los que se<br />

realiza la transferencia <strong>de</strong> calor entre el <strong>gas</strong> <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> y el agua <strong>de</strong>l ciclo. Los<br />

intercambiadores se disponen en paralelo a los trenes <strong>de</strong> calentadores dotando <strong>de</strong> flexibilidad<br />

<strong>de</strong> operación a la <strong>con</strong>figuración. El primer intercambiador recoge el agua by-paseada <strong>de</strong>l<br />

primer calentador <strong>de</strong>l tren y la <strong>de</strong>vuelve a la entrada <strong>de</strong>l <strong>de</strong>s<strong>gas</strong>ificador. El segundo<br />

intercambiador recoge el agua tras la bomba <strong>de</strong> alimentación y la <strong>de</strong>vuelve a la entrada <strong>de</strong> la<br />

cal<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> vapor. La temperatura <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> <strong>de</strong> La cal<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> recuperación se fija en<br />

105ºC<br />

4.2.Objetivo<br />

Figura 2. Repowering agua <strong>de</strong> alimentación<br />

La <strong>con</strong>figuración <strong>de</strong> la figura 2 <strong>con</strong>duce a la disminución <strong>de</strong> caudal extraído <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong><br />

vapor <strong>de</strong>stinado a regeneración. Según el objetivo <strong>con</strong>fiado al <strong>repowering</strong>, esta disminución<br />

pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>stinarse a un aumento <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> o a <strong>una</strong> reducción <strong>de</strong> la carga<br />

térmica necesaria en la cal<strong>de</strong>ra. En este caso se opta por la segunda opción.<br />

4.3. Planteamiento <strong>de</strong>l estudio.<br />

5<br />

Parte nueva


Se plantea el estudio <strong>de</strong> un modo general para observar los distintos beneficios <strong>de</strong>l <strong>repowering</strong><br />

atendiendo a: (1) la potencia <strong>de</strong> <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong> a instalar (tabla 1), (2) la potencia total <strong>de</strong> la<br />

planta tras la repotenciación y (3) la operación para distintos repartos <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong>.<br />

Tabla 1. Turbinas <strong>de</strong> <strong>gas</strong> utilizadas en el estudio<br />

MARCA MODELO<br />

6<br />

POT<br />

[kW]<br />

HR<br />

[kJ/kWh]<br />

CAUDAL<br />

[kg/s]<br />

T<br />

[ºC]<br />

TG1<br />

LM 6000Sprint 46.590 8.837 130,6 455,0<br />

TG2 PIGNONE ESPAÑA MS6001FA 70.140 10.530 196,4 597,0<br />

TG3 PIGNONE ESPAÑA MS9001E 123.400 10.650 403,7 538,0<br />

a<br />

ISO. 15ºC, Nivel <strong>de</strong>l mar, No pérdidas entrada/salida<br />

Datos <strong>de</strong> las TG cogidos <strong>de</strong> la revista Ingeniería Química, 2002<br />

Aunque en este estudio se hayan <strong>con</strong>si<strong>de</strong>rado las <strong>turbina</strong>s <strong>de</strong> <strong>gas</strong> incluidas en la tabla 1, en<br />

general, para el estudio <strong>de</strong> la repotenciación, es válida cualquier <strong>turbina</strong>.<br />

Las tres opciones <strong>con</strong>si<strong>de</strong>radas correspondientes al incremento <strong>de</strong> potencia que le supone al<br />

ciclo <strong>de</strong> vapor la incorporación <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong> son las siguientes:<br />

− Opción 1. Se aumenta la potencia instalada <strong>de</strong>jando la misma carga térmica <strong>de</strong>l ciclo<br />

<strong>con</strong>vencional, y sin reducir extracciones <strong>de</strong> <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> vapor. Hay que tener cuidado <strong>con</strong><br />

los aspectos <strong>con</strong>structivos <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> tales como compensación <strong>de</strong> empujes y estado <strong>de</strong><br />

los álabes <strong>de</strong>l rotor. El objetivo principal <strong>con</strong> esta opción sería aumentar al máximo la<br />

potencia instalada <strong>de</strong> la unidad <strong>de</strong> producción.<br />

− Opción 2. La potencia térmica <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> vapor se reduce para limitar la producción<br />

<strong>de</strong> potencia a la <strong>de</strong>l ciclo <strong>con</strong>vencional. La potencia bruta <strong>de</strong> la nueva <strong>con</strong>figuración será<br />

la que se tenía en el ciclo <strong>con</strong>vencional más la potencia añadida <strong>con</strong> la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong>. Se<br />

<strong>con</strong>siguen disminuir las emisiones <strong>de</strong> CO2 al aumentar la eficiencia <strong>de</strong>l ciclo y reducir el<br />

<strong>con</strong>sumo <strong>de</strong> carbón. El objetivo principal <strong>con</strong> esta opción sería el aumentar la potencia<br />

instalada y reducir las emisiones específicas (por kWh) <strong>de</strong> CO2.


− Opción 3. Se reduce aún más la potencia térmica <strong>con</strong>sumida por el ciclo <strong>de</strong> vapor<br />

hasta tener <strong>una</strong> potencia eléctrica neta <strong>de</strong> la planta repotenciada igual a la potencia<br />

eléctrica bruta <strong>de</strong>l ciclo <strong>con</strong>vencional. Se reduce más el <strong>con</strong>sumo <strong>de</strong> carbón <strong>con</strong> respecto<br />

a la opción 2 y por lo tanto se acentúa la disminución <strong>de</strong> las emisiones <strong>de</strong> CO2.<br />

En todas las opciones <strong>con</strong>si<strong>de</strong>radas se disminuyen las emisiones específicas <strong>de</strong> CO2. En<br />

cuanto al reparto <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong>, éste viene <strong>con</strong>dicionado por dos situaciones<br />

que limitan la energía a aprovechar <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> en cada tren <strong>de</strong> calentadores.<br />

− Temperatura <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> tras calentar el agua <strong>de</strong>l ciclo by-paseada <strong>de</strong>l tren <strong>de</strong><br />

calentadores <strong>de</strong> alta. La temperatura <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> al calentar el agua by-<br />

paseada <strong>de</strong>l tren <strong>de</strong> alta <strong>de</strong>be ser superior a la temperatura <strong>con</strong> la que entra el caudal <strong>de</strong>l<br />

ciclo <strong>de</strong> vapor<br />

− Anulación <strong>de</strong> los caudales <strong>de</strong> extracción <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> vapor. Se podrá utilizar, como<br />

máximo, la energía que las extracciones <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> vapor.<br />

El esquema <strong>de</strong> la figura 3 recoge los estudios <strong>con</strong>si<strong>de</strong>rados.<br />

Figura 3. Esquema <strong>de</strong> las distintas opciones en el estudio <strong>de</strong>l <strong>repowering</strong> <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong> alimentación<br />

4.4. Resultados <strong>de</strong>l estudio<br />

TG1<br />

Opción 1 Opción 2 Opción 3<br />

Porcentaje reparto energía<br />

Tren alta Tren Baja<br />

100%_______________X%<br />

La tabla 2 muestra los valores para cada <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong> <strong>con</strong>si<strong>de</strong>rada según las tres opciones<br />

planteadas. En el caso <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> TG3, la elevada energía <strong>de</strong> los <strong>gas</strong>es imposibilita la<br />

7<br />

TG2 TG3


utilización <strong>de</strong> los mismos para operaciones distintas a la opción 1, en la que el ciclo <strong>de</strong> vapor<br />

funciona a carga nominal.<br />

Opción<br />

Energía<br />

tren<br />

alta<br />

Tabla 2. Parámetros <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong> la planta repotenciada<br />

Energía<br />

tren<br />

baja<br />

Peb<br />

[kW]<br />

ηplanta<br />

PCS<br />

[%]<br />

CO2<br />

[g/kWh]<br />

8<br />

Aumento<br />

Peb<br />

[kW]<br />

Aumento<br />

ηplanta<br />

[puntos]<br />

Reducción<br />

CO2<br />

[%]<br />

Reducción<br />

Qcald<br />

[%]<br />

CO2<br />

Tot.<br />

7.000<br />

h/año<br />

[Mtn/año]l<br />

TG1<br />

1 79,00 21,00 396.214 35,29 777,4 61.584 1,94 8,04 -0,470 2,16<br />

2 79,51 20,49 381.220 35,45 772,9 46.590 2,10 8,56 4,249 2,06<br />

3 80,00 20,00 366.634 35,59 768,9 32.004 2,24 9,03 8,750 1,97<br />

TG2<br />

1 85,32 14,68 438.970 35,99 748,8 104.340 2,64 11,42 -1,101 2,30<br />

2 86,16 13,84 404.770 36,35 738,0 70.140 3,00 12,69 9,484 2,09<br />

3 76,60 23,40 364.018 36,42 732,3 29.388 3,08 13,37 20,860 1,87<br />

TG3<br />

1 50,00 50,00 502.166 36,38 721,1 167.536 3,03 14,70 -1,916 2,53<br />

2 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- -----<br />

3 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- -----<br />

Ciclo Vapor<br />

<strong>con</strong>vencional<br />

334.630 33,35 845,3 0,0 0,0 0,0 0,0 1,98<br />

La TG1, permite obtener un aumento <strong>de</strong> la capacidad <strong>de</strong> producción <strong>de</strong> 61.584 kW <strong>con</strong> la<br />

opción 1 y un aumento <strong>de</strong> la eficiencia <strong>de</strong> 2,24 puntos <strong>con</strong> la opción 3. La reducción máxima<br />

<strong>de</strong> emisiones específicas <strong>de</strong> CO2 <strong>con</strong>seguida <strong>con</strong> esta <strong>turbina</strong> es <strong>de</strong> 9,03%.<br />

Con la TG2, el aumento <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong> la planta pue<strong>de</strong> llevarse hasta 104.340 kW y la<br />

eficiencia elevarla unos 3,08 puntos, correspondiendo a <strong>una</strong> disminución <strong>de</strong> las emisiones<br />

específicas <strong>de</strong> CO2 <strong>de</strong> 13,37%.<br />

En cuanto a la TG3, limitada por la excesiva energía <strong>de</strong> los <strong>gas</strong>es, incrementa la potencia <strong>de</strong> la<br />

instalación en 167.536 kW y la eficiencia en 3,03 puntos, reduciendo las emisiones<br />

específicas <strong>de</strong> CO2 en un 14,70%.


Retomando uno <strong>de</strong> los beneficios intrínsecos <strong>de</strong>l <strong>repowering</strong> <strong>con</strong> <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong>, (la reducción<br />

<strong>de</strong> emisiones específicas <strong>de</strong> CO2), la <strong>de</strong>cisión a tomar <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> los resultados expuestos,<br />

correspon<strong>de</strong>ría a la selección <strong>de</strong> <strong>una</strong> TG <strong>de</strong> potencia intermedia <strong>con</strong> la opción 3. En este caso<br />

se disminuyen tanto las emisiones específicas <strong>de</strong> 845,3 g/kWh a 732,3 g/kWh como las<br />

emisiones totales, produciendo potencia extra, en un 5,5%. La TG3, aunque presenta <strong>una</strong><br />

ligera mayor reducción <strong>de</strong> las emisiones específicas, presenta el in<strong>con</strong>veniente <strong>de</strong> estar<br />

limitado su rango <strong>de</strong> actuación <strong>de</strong>bido a la elevada energía <strong>de</strong> los <strong>gas</strong>es <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong>. A<strong>de</strong>más,<br />

las emisiones totales se elevan <strong>de</strong>masiado <strong>de</strong>bido al incremento <strong>de</strong> potencia tan elevado. La<br />

<strong>con</strong>figuración <strong>de</strong> la nueva instalación repotenciada <strong>con</strong> los valores más característicos <strong>de</strong><br />

funcionamiento se recoge en la figura 4.<br />

205,2 MWe<br />

76,60% E<strong>gas</strong><br />

228,5 ºC<br />

23,40% E<strong>gas</strong><br />

105,0 ºC<br />

ηplanta= 36,42 %<br />

70,14 MWe<br />

794,2MWt<br />

161,4 ºC<br />

231,1 kg/s<br />

159,9 bar<br />

538,9 º1<br />

Pplanta = 364,02 MWe<br />

Figura 4. Repowering agua <strong>de</strong> alimentación<br />

La <strong>con</strong>figuración elegida en este caso, prestando especial atención a las emisiones específicas<br />

<strong>de</strong> CO2, incluye a la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong> <strong>de</strong> 70 MW como la i<strong>de</strong>al <strong>de</strong> las estudiadas para instalar en<br />

9<br />

230,4 kg/s<br />

30,7 bar<br />

538,0 ºC<br />

Emisplanta = 732,3 kgCO2/MWh<br />

293,88 MWe


un <strong>repowering</strong> <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong> alimentación en la <strong>central</strong> evaluada. La energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> <strong>de</strong> la<br />

<strong>turbina</strong> se reparte según los porcentajes incluidos en la figura, un 76,60% en el tren <strong>de</strong> alta y<br />

un 23,40% en el tren <strong>de</strong> baja presión. El mejor modo <strong>de</strong> regulación es reducir la carga <strong>de</strong>l<br />

ciclo <strong>de</strong> vapor hasta <strong>con</strong>seguir obtener <strong>una</strong> potencia total, ciclo <strong>de</strong> vapor más <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong>,<br />

<strong>de</strong> 364 MWe, correspondiente a la potencia <strong>de</strong>l ciclo <strong>con</strong>vencional y el <strong>con</strong>sumo <strong>de</strong> auxiliares.<br />

La carga térmica <strong>de</strong> la cal<strong>de</strong>ra se disminuye <strong>de</strong> 1003,5 a 794,2 MWt, lo que representa un<br />

20,86%. El vapor vivo, mantiene prácticamente las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> presión y temperatura, y<br />

disminuye el caudal másico <strong>de</strong> 307,1 a 231,1 kg/s. El vapor recalentado caliente disminuye su<br />

presión <strong>de</strong> 38,8 a 30,7 bar y el caudal másico pasa <strong>de</strong> 276,1 a 230,4 kg/s.<br />

Las emisiones específicas <strong>de</strong> CO2 se reducen <strong>de</strong> 845,3 kg/MWh hasta 732,3 kg/MWh, un<br />

13,37% mientras que las emisiones totales se reducen 110 kT CO2/año produciendo un 9%<br />

más <strong>de</strong> energía eléctrica. Un estudio a diferentes <strong>de</strong>mandas <strong>de</strong> potencia seguramente requerirá<br />

<strong>de</strong> otros repartos <strong>de</strong> la energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> a fin <strong>de</strong> no rebajar en <strong>de</strong>masía la carga térmica <strong>de</strong> la<br />

cal<strong>de</strong>ra, o simplemente por no po<strong>de</strong>r recuperar toda la energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> exhaustado.<br />

5. Repowering paralelo<br />

54.1. Modificación <strong>de</strong> la planta<br />

Este <strong>con</strong>cepto requiere la incorporación <strong>de</strong> <strong>una</strong> cal<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> recuperación para producir vapor<br />

en paralelo a la cal<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> carbón pulverizado. Se siguen by-paseando los flujos <strong>de</strong> los trenes<br />

<strong>de</strong> calentadores para optimizar la energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong>. La <strong>con</strong>exión <strong>de</strong> ambos ciclos aparece<br />

recogida en la figura 5. La extracción <strong>de</strong>l caudal <strong>de</strong> agua <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> vapor <strong>de</strong>l tren <strong>de</strong> baja se<br />

realiza a la entrada <strong>de</strong>l primer calentador y se introduce a la salida <strong>de</strong>l calentador anterior al<br />

<strong>de</strong>s<strong>gas</strong>ificador. El by-pass <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong> alimentación a cal<strong>de</strong>ra se recoge tras la salida <strong>de</strong> la<br />

bomba <strong>de</strong> alimentación <strong>con</strong> el objeto <strong>de</strong> no utilizar <strong>una</strong> bomba auxiliar para elevar la presión<br />

hasta la necesaria a la entrada <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>ra. La extracción <strong>de</strong>l caudal para la formación <strong>de</strong> vapor<br />

10


se realiza directamente <strong>de</strong>l <strong>de</strong>s<strong>gas</strong>ificador, <strong>de</strong>biéndose incorporar <strong>una</strong> bomba adicional para<br />

elevar la presión hasta la correspondiente al vapor recalentado caliente. El incremento <strong>de</strong><br />

temperatura <strong>de</strong>bido a la compresión no se <strong>con</strong>si<strong>de</strong>ra, así como el <strong>con</strong>sumo eléctrico <strong>de</strong>l<br />

equipo. El <strong>gas</strong> exhaustado por la <strong>turbina</strong> ce<strong>de</strong> su energía enfriándose <strong>de</strong> nuevo hasta 105ºC.<br />

5.2. Objetivo<br />

Ealta*porcentaje<br />

Ealta*(1-porcentaje)<br />

Cal<strong>de</strong>ra<br />

Q<strong>gas</strong>-Ealta<br />

105,0ºC<br />

Figura 4. Repowering paralelo<br />

Cuando se <strong>de</strong>ci<strong>de</strong> añadir un grado mayor <strong>de</strong> complejidad a la instalación se <strong>de</strong>be estar seguro<br />

<strong>de</strong> que realmente es necesario, bien por mayor reporte <strong>de</strong> beneficios e<strong>con</strong>ómicos, bien porque<br />

no hay otra solución a un posible problema que se hubiera planteado. De este modo, el<br />

<strong>repowering</strong> paralelo, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> los beneficios que reporta el <strong>repowering</strong> <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong><br />

alimentación, incluye la producción <strong>de</strong> <strong>una</strong> parte <strong>de</strong> vapor en la cal<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> recuperación. Este<br />

aspecto <strong>con</strong>duce a la disminución <strong>de</strong>l <strong>con</strong>sumo <strong>de</strong> la cal<strong>de</strong>ra <strong>con</strong>vencional y por en<strong>de</strong> a la<br />

disminución <strong>de</strong> emisiones inherentes al proceso <strong>de</strong> combustión <strong>de</strong>l carbón.<br />

5.3. Planteamiento <strong>de</strong>l estudio<br />

baux<br />

C<br />

11<br />

balim<br />

mvapor


Un esquema gráfico que recoge los distintos estudios que se han realizado <strong>con</strong> el <strong>repowering</strong><br />

paralelo es el incluido en la figura 6. De las tres <strong>turbina</strong>s incluidas en la tabla 1 y<br />

<strong>con</strong>si<strong>de</strong>radas para el estudio <strong>de</strong>l <strong>repowering</strong> <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong> alimentación, la única <strong>turbina</strong> válida<br />

para el <strong>repowering</strong> paralelo es la TG2, <strong>con</strong> <strong>una</strong> temperatura <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> acor<strong>de</strong> <strong>con</strong> las<br />

necesida<strong>de</strong>s para la producción <strong>de</strong> vapor (mayor <strong>de</strong> 540ºC). Para esta <strong>turbina</strong> se plantean tres<br />

opciones, al igual que en el <strong>repowering</strong> agua <strong>de</strong> alimentación, según la potencia total a<br />

proporcionar por la planta. Existen otras <strong>turbina</strong>s <strong>de</strong> <strong>gas</strong>, que como la TG2, disponen <strong>de</strong> <strong>una</strong><br />

temperatura <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> <strong>de</strong> combustión elevada suficiente como para producir vapor<br />

recalentado caliente, pero no se han tenido en cuenta por comparar <strong>con</strong> el <strong>repowering</strong> <strong>de</strong>l<br />

agua <strong>de</strong> alimentación. Para cada opción, se calculan los datos <strong>de</strong> la nueva <strong>con</strong>figuración<br />

<strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> cómo se reparta la energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> <strong>de</strong> combustión.<br />

Figura 6. Esquema <strong>de</strong> las distintas opciones en el estudio <strong>de</strong>l <strong>repowering</strong> paralelo<br />

A<strong>de</strong>más <strong>de</strong> las restricciones incluidas para el <strong>repowering</strong> <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong> alimentación hay que<br />

añadir <strong>una</strong> nueva. Esta correspon<strong>de</strong> a la temperatura <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> tras ce<strong>de</strong>r su energía<br />

para la formación <strong>de</strong> vapor, que <strong>de</strong>be ser superior a la temperatura <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l flujo másico<br />

entrante a la cal<strong>de</strong>ra <strong>con</strong>vencional.<br />

5.4. Resultados<br />

TG2<br />

Opción 1 Opción 2 Opción 3<br />

Reparto energía Tren alta(Tma)<br />

Producción. Vapor<br />

mv=0________mv,ma________mal=0<br />

12


TG2..<br />

En la tabla 4 se recogen los mismos parámetros <strong>con</strong>si<strong>de</strong>rados en el <strong>repowering</strong> <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong><br />

alimentación.<br />

mvapor<br />

[kg/s]<br />

Tabla 7. Parámetros <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong> la planta repotenciada<br />

mal<br />

[kg/s]<br />

Peb<br />

[kW]<br />

ηplanta<br />

[%]<br />

CO2<br />

[g/kWh]<br />

13<br />

∆ Peb<br />

[kW]<br />

∆ηplanta<br />

[puntos]<br />

↓CO2<br />

[%]<br />

↓Qcald<br />

[%]<br />

CO2<br />

Tot.<br />

7.000 h/año<br />

[Mtn/año]<br />

Opción 1 32,8 0,0 411.461 36,49 735,7 76.831 3,14 12,96 8,08 2,12<br />

Opción 2 32,8 0,0 404.770 36,58 733,2 70.140 3,23 13,27 10,18 2,08<br />

Opción 3 32,8 0,0 364.018 37,08 718,6 29.388 3,73 14,99 22,62 1,83<br />

Ciclo Vapor<br />

<strong>con</strong>vencional<br />

334.630 33,35 845,3 0,0 0,0 0,0 0,0 1,98<br />

Como es evi<strong>de</strong>nte, <strong>de</strong> las tres opciones planteadas la mejor <strong>de</strong> las alternativas <strong>con</strong>siste en<br />

aprovechar la máxima cantidad <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> en producir vapor y la energía sobrante se<br />

<strong>de</strong>be <strong>con</strong>sumir en calentar el agua by-paseada <strong>de</strong>l tren <strong>de</strong> baja presión. A car<strong>gas</strong> parciales<br />

resulta necesario variar el reparto <strong>de</strong> la energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong>. Tomando como objetivo el parámetro<br />

<strong>de</strong> emisiones específicas <strong>de</strong> CO2, la mejor <strong>de</strong> las opciones es la 3, don<strong>de</strong> la reducción presente<br />

es <strong>de</strong> 14,99%. A<strong>de</strong>más, es la única que <strong>con</strong>sigue disminuir también las emisiones totales.<br />

Como pue<strong>de</strong> observarse, la disminución <strong>de</strong> la carga térmica es <strong>de</strong> un 22,62%, importante y<br />

factor limitante seguramente cuando la <strong>con</strong>figuración <strong>de</strong>ba trabajar a <strong>una</strong> carga inferior a la<br />

nominal. En cualquiera <strong>de</strong> los casos, <strong>una</strong> disminución <strong>de</strong> la potencia a proporcionar por la<br />

planta podría salvar los posibles in<strong>con</strong>venientes repartiendo la energía <strong>de</strong> los <strong>gas</strong>es <strong>de</strong> un<br />

modo diferente.La <strong>con</strong>figuración a escoger sería la opción 3, representada en la figura 5.<br />

La potencia <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong> escogida es <strong>de</strong> nuevo 70 MW, <strong>con</strong> un <strong>con</strong>sumo térmico <strong>de</strong><br />

205,2 MW. El porcentaje <strong>de</strong> la energía <strong>de</strong>l <strong>gas</strong> <strong>de</strong>stinada a la producción <strong>de</strong> vapor es <strong>de</strong>l<br />

86,55%, siendo el resto <strong>de</strong>dicado al calentamiento <strong>de</strong>l agua by-paseada <strong>de</strong>l tren <strong>de</strong> baja<br />

presión. El <strong>con</strong>sumo <strong>de</strong> la cal<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> vapor se ve reducido <strong>de</strong> 1003,5 MW a 776,5 MW. La<br />

presión y temperatura <strong>de</strong>l vapor vivo permanecen invariables <strong>de</strong>bido a la regulación en<br />

presión fija y diseño <strong>de</strong> los equipos <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> calor para proporcionar la temperatura


a<strong>de</strong>cuada en la entrada <strong>de</strong> la <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> vapor. El flujo másico disminuye en la cantidad <strong>de</strong><br />

vapor formado en la cal<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> recuperación y en la disminución <strong>de</strong> carga circulante por el<br />

ciclo para proporcionar la potencia necesaria. El vapor recalentado caliente <strong>con</strong>serva<br />

prácticamente la temperatura original y disminuye en 5,3 bar la presión. En cuanto al caudal<br />

másico la disminución se <strong>de</strong>be a la disminución <strong>de</strong> carga <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> vapor para reducir la<br />

potencia <strong>de</strong>l ciclo original a la necesaria <strong>con</strong> esta <strong>con</strong>figuración. El factor <strong>con</strong>si<strong>de</strong>rado<br />

<strong>de</strong>cisivo en este estudio, correspondiente a las emisiones específicas <strong>de</strong> CO2, aparece<br />

disminuido <strong>de</strong> 845,3 g/kWh hasta 718,6 g/kWh en la planta repotenciada, mientras que las<br />

emisiones totales se reducen en 150 kT CO2 produciéndose un 9% <strong>de</strong> energía eléctrica<br />

adicional.<br />

.<br />

6. Conclusiones<br />

205,2 MWe<br />

0 kg/s<br />

32,8 kg/s<br />

(86,55%)<br />

41,22 kg/s<br />

(13,45%)<br />

105,0<br />

ηplanta= 37,08 %<br />

70,14 MWe<br />

776,5 MWt<br />

ba<br />

224,8 kg/s<br />

159,9 bar<br />

538,3 ºC<br />

Pplanta = 364,02 MWe<br />

Figura 5. Repowering paralelo<br />

14<br />

bal<br />

242,2 kg/s<br />

33,5 bar<br />

537,9 ºC<br />

Emisplanta = 718,6 kgCO2/MWh<br />

293,88 MWe


Se ha podido comprobar cómo el <strong>repowering</strong> <strong>con</strong> <strong>turbina</strong> <strong>de</strong> <strong>gas</strong> ofrece un gran abanico <strong>de</strong><br />

posibilida<strong>de</strong>s frente a diferentes necesida<strong>de</strong>s <strong>con</strong> las que se pudiera en<strong>con</strong>trar un ciclo<br />

<strong>con</strong>vencional. A<strong>de</strong>más, en comparación <strong>con</strong> la eliminación <strong>de</strong> las <strong>central</strong>es <strong>de</strong> carbón a favor<br />

<strong>de</strong> la instalación <strong>de</strong> ciclos combinados <strong>con</strong> <strong>turbina</strong>s <strong>de</strong> <strong>gas</strong>, presenta la gran ventaja <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r<br />

seguir utilizando carbón nacional. Esto se traduce en po<strong>de</strong>r seguir utilizando un combustible<br />

más abundante y barato y, a<strong>de</strong>más, autóctono.<br />

Existen varias <strong>con</strong>figuraciones posibles y <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> las <strong>con</strong>figuraciones varios modos <strong>de</strong><br />

operación que aumentan la flexibilidad <strong>de</strong> funcionamiento. Por un lado permite aumentar la<br />

capacidad <strong>de</strong> producción aumentando a<strong>de</strong>más la eficiencia <strong>de</strong> generación. También posibilita<br />

el alargamiento <strong>de</strong> la vida útil <strong>de</strong> la instalación, particularmente <strong>de</strong> la cal<strong>de</strong>ra, la cual pue<strong>de</strong><br />

ver reducida su carga.<br />

La <strong>con</strong>figuración <strong>de</strong>l <strong>repowering</strong> paralelo ofrece un mayor aumento <strong>de</strong> la eficiencia <strong>de</strong> la<br />

planta, 37,08% frente a 36,42% <strong>con</strong>seguido <strong>con</strong> el <strong>repowering</strong> <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong> alimentación. Con<br />

ello, las emisiones específicas <strong>de</strong> CO2 son también inferiores, llegando a reducirse en un 15%.<br />

Las emisiones totales se reducen en menor cantidad al producirse un incremento <strong>de</strong> potencia<br />

bruta generada.<br />

Repotenciando un 50% <strong>de</strong> la potencia eléctrica <strong>de</strong> carbón instalada en España <strong>con</strong> <strong>repowering</strong><br />

paralelo, se evitarían 2,9 millones <strong>de</strong> toneladas <strong>de</strong> CO2 anuales, y la potencia eléctrica<br />

instalada aumentaría en 660 MWe.<br />

Agra<strong>de</strong>cimientos<br />

Este trabajo forma parte <strong>de</strong> un proyecto referencia FIT-120000-2004-51 y ha sido<br />

subvencionado por el Ministerio <strong>de</strong> Educación y Ciencia – Plan Nacional <strong>de</strong> Investigación<br />

Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica en la parte <strong>de</strong>dicada al Fomento <strong>de</strong><br />

Investigación Técnica (PROFIT) <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l Programa Nacional <strong>de</strong> Energía.<br />

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Bibliografía<br />

[1] Protocolo <strong>de</strong> Kyoto. 1997. United Nations Framework Convention on Climate Change.<br />

[2] H. G. Stoll, R. W. Smith, L. O. Tomlinson. 1994. Performance and E<strong>con</strong>omic<br />

Consi<strong>de</strong>rations of Repowering Steam Power Plants. GE Industrial & Power Systems Report.<br />

[3] G. Bauer, J. Joyce. 1996. The Benefits of Parallel Repowering Existing Steam Turbines<br />

with Gas Turbines. Siemens AG. Power Generation Group.<br />

[4] Escosa, J.M., Romeo, L.M., Valero, A. 2004. Repowering y transformación a ciclo<br />

combinado <strong>de</strong> <strong>central</strong>es térmicas para la reducción <strong>de</strong> emisiones <strong>de</strong> CO2. Acción y efecto<br />

inteligentes <strong>de</strong> la generación española frente a Kyoto. Energía. Revista <strong>de</strong> Ingeniería<br />

Energética y Medioambiental, nº 179, julio-agosto, pp. 58-62.<br />

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