1. GUIA Nº 3. CENTRALES TERMICAS A GAS.
PROFESOR: ING. GREGORIO BERMUDEZ
ASIGNATURA. GENERACION DE POTENCIA
CENTRALES TÉRMICAS
Las centrales térmicas son las que transforman energía térmica en energía
mecánica, la cual a su vez produce electricidad mediante la rotación del rotor
de un generador. Este tipo de centrales se puede clasificar por el tipo de
turbina (vapor o gas) y por el tipo de combustible que utilizan.
Los costos en que incurren las diferentes centrales se pueden clasificar en
inversión y operación, y dentro de estos últimos:
- costos fijos: que se refieren a personal, impuestos y seguros,
- costos variables: principalmente el combustible, pero también mantenimiento,
lubricantes y costo de partida entre otros.
Las centrales que vamos a analizar para efecto de este trabajo serán las Turbo
gas ciclo abierto y las Centrales a vapor, una pequeña descripción de cada una
se presenta a continuación.
3.3.1.- CENTRALES TURBO GAS CICLO ABIERTO DIESEL/G.N.
Este tipo de centrales se caracteriza por tener una turbina especialmente
diseñada para transformar la combustión de un gas a alta presión en el
movimiento de un eje solidario al rotor del generador, con la consiguiente
generación de energía eléctrica. Un dibujo simplificado de los elementos que
participan en el proceso que se lleva a cabo en este tipo de central se presenta
en la figura 6.
Figura 6: Turbina Ciclo abierto

2. Como se puede observar el compresor toma aire de la atmósfera, lo comprime
y lo deposita en la cámara de combustión, donde al mismo tiempo se inyecta
combustible y se provoca la combustión. Esta combustión provoca la rápida
expansión de los gases, lo que hace mover la turbina y a través de ésta el eje
del generador. Luego de este proceso el aire es devuelto a la atmósfera, por
esta razón es llamada de “ciclo abierto”.
El combustible que se utiliza para hacer la mezcla en la cámara de combustión
es principalmente gas natural, pero en general se presenta la flexibilidad de
utilizar diesel como sustituto. Al final, aproximadamente sólo un 34% de la
energía térmica es transformada en energía eléctrica.
Se han diferenciado dos mercados dentro de las turbinas de gas, basándose
en las potencias:
a) Turbinas de gas industriales de baja potencia (con una potencia inferior a
10-13 MW)
b) Turbinas de gas industriales de alta potencia (con una potencia superior a
los 10-13 MW).
El costo de inversión en este tipo de centrales es bajo, con un costo unitario
aproximado de 450 US$/kW en una central de 240 MW de potencia.
3.3.2.- CENTRAL TÉRMICA VAPOR CARBÓN Y/O GAS NATURAL
Este tipo de centrales corresponde a las que obtienen la energía mecánica
necesaria para mover el rotor del generador a partir del vapor formado al hervir
el agua en una caldera. El agua es tomada por una bomba y depositada en la
caldera a una alta presión. En este lugar el agua hierve debido al aumento de
temperatura que provoca la quema del combustible. Luego, este vapor a alta
presión se hace llegar a la turbina donde su expansión provoca el movimiento
de ésta última. El vapor que ha sido utilizado se transforma en agua al pasar
por un condensador y es tomado por la bomba para empezar nuevamente el
ciclo. Un dibujo simplificado del proceso que se lleva a cabo en este tipo de
centrales se puede ver en la figura 7.

3. Figura 7: Central térmica a vapor
El costo de inversión en este tipo de centrales es alto, con un costo unitario
aproximado de 1100 US$/kW en una central de 300 MW de potencia.
3.3.3.- CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Este tipo de centrales térmicas corresponden a las que tienen dos tipos
diferentes de turbinas, a gas y de vapor. La idea de combinar estos dos tipos
de tecnologías es la de aprovechar al máximo el combustible, o sea, aumentar
la eficiencia del complejo en su totalidad.
El funcionamiento de este tipo de centrales se puede esquematizar como en la
siguiente figura:

4. Figura 8: Esquema Central Ciclo Combinado
En la figura se observa que el gas que fue utilizado para hacer girar la turbina a
gas sale a una alta temperatura de la cámara de combustión, por lo que es
posible reutilizarlo para calentar el agua y transformarla en vapor, el cual se
puede utilizar para hacer girar la segunda turbina, que es a vapor. La eficiencia
de estas centrales es cercana al 55%, lo que explica porque es tan utilizada en
generación térmica.
El número de turbinas a gas por turbina de vapor en las centrales de ciclo
combinado puede variar desde uno a cuatro, además de esto puede tener otras
variantes como que la turbina de gas y de vapor tengan un solo eje solidario, o
que por el contrario cada una tenga su propio eje.
Una de las grandes ventajas de este tipo de centrales es que permiten ser
construidas por parte, ya que la turbina a gas puede funcionar por sí sola, con
lo que al momento de construir estas centrales puede construirse la turbina a
gas, empezar a operar, y luego completar la construcción de la central de ciclo
combinado agregándole la turbina a vapor.
Para hacer una correcta evaluación de una central térmica es necesario tener
una buena estimación de los costos, tanto en la etapa de construcción como en
la etapa de operación.
En cuanto a los costos de construcción, se debe tener en cuenta el precio de
las turbinas y equipos necesarios para el buen funcionamiento de la central,
incluyendo el terreno, líneas eléctricas, transformadores, etc.
En los costos de operación, el costo más relevante es el del combustible, pero
también existen costos fijos, costos de personal, costos de partida y de parada,
costos de cambio entre estados o de setup. En relación al costo del

5. combustible hay que tener en cuenta la eficiencia de la central, y qué
combustible se está utilizando, ya que en general las centrales térmicas
pueden utilizar dos o más tipos de combustibles distintos.
Flexibilidad en centrales térmicas:
- Las pequeñas turbinas de gas (1-15 MW) compiten de forma efectiva con las
grandes (de hasta 60 MW). Por lo tanto, las centrales multi-unidad ofrecen
una flexibilidad que resulta ventajosa cuando los clientes tienen
necesidades diversas de potencia.
- La licencia para construir una central puede ser vista como una opción call
sobre el valor de la central.
- Puede existir la opción para posponer la construcción.
- Los flujos de caja de la central dependen de la diferencia entre el precio de la
electricidad y el precio del combustible, por lo que está la opción de producir o
no producir electricidad dependiendo de los distintos precios que se presenten.
Este punto se aplica principalmente a las centrales que operan en “punta”, ya
que son las que corren riesgo de perder dinero en ese caso. En caso de no
generar se debe comprar a precio spot a otra central para cumplir con sus
contratos.
- Existe la opción de utilizar distintos combustible. En nuestro caso se puede
elegir entre diesel/GN y carbón/GN.
- Está la opción de abandonar la central.
Las turbinas son máquinas rotativas. En forma global se clasifican en tres
grandes familias:
• Las turbinas hidráulicas: son las más antiguas. Usan agua como fluido
de trabajo. Sus antepasados directos son los molinos de agua. Hoy
existen varios modelos básicos: Pelton, Francis y Kaplan (o hélice de
paso variable). A estos modelos básicos se debe agregar la Mitchell-
Banki que es muy utilizada en instalaciones de microhidráulica. La típica
turbina hidráulica se usa en centrales de generación eléctrica sea
centrales de pasada o centrales de embalse.
• Las turbinas a vapor: en este caso el fluido de trabajo es vapor de
agua (típicamente). Aunque también hay instancias en que se han

6. fabricado usando otro vapor de trabajo (Mercurio, Propano u otro). Las
típicas turbinas de vapor se dividen en de acción y de reacción. La
turbina a vapor típicamente se usan en centrales térmicas de generación
eléctrica. Estos son sistemas de combustión externa (el calor se usa
para calentar el fluido de trabajo en forma indirecta en caldera).
• Las turbinas a gas: Son las más recientes. Si bien hay intentos de
fabricarlas a inicios de este siglo, el primer ensayo exitoso es solo de
1937. Difieren de las anteriores en el sentido de que se realiza
combustión dentro de la máquina. Por lo tanto el fluido de trabajo son
gases de combustión (de allí su nombre).
Si bien la turbina a gas es un motor de combustión interna y su ciclo tiene
puntos en común con los ciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental.
Se trata (igual que todas las turbinas) de máquina de funcionamiento continuo.
Es decir, en régimen permanente cada elemento de ella está en condición
estable.
ANTECEDENTES BÁSICOS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO:
Ciclo Utilizado:
El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la
figura T.1. en un diagrama p-V y uno T-S. En la figura T.2, se ilustra el ciclo en
diagrama de bloques. Consta de las siguientes evoluciones:
• En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime
hasta 2 según una adiabática (idealmente sin
roce, normalmente una politrópica con roce).
o Luego el aire comprimido se introduce a
una cámara de combustión. Allí se le
agrega una cierta cantidad de combustible
y este se quema. Al producirse la
combustión se realiza la evolución 2-3.
Típicamente esta es isobárica (o casi
isobárica, pues se pierde un poco de
presión por roce). Como a la cámara de
combustión entra tanto fluido como el que
sale, la presión casi no varía. La
temperatura T3 es una temperatura crítica,
pues corresponde a la mayor temperatura
en el ciclo. Además también es la mayor
presión. Por lo tanto los elementos
sometidos a T3 serán los más solicitados.

7. • A continuación viene la expansión de los gases
hasta la presión ambiente. Esta expansión la
debemos dividir en dos fases. En la primera (de 3
a 3') el trabajo de expansión se recupera en una
turbina que sirve para accionar el compresor. En
la segunda fase (de 3' a 4) existen dos opciones:
o Si entre 3' y 4 se instala una turbina, el
trabajo de expansión se convierte en
trabajo mecánico. Se trata de un
turbopropulsor o lo que comúnmente se
llama turbina a gas.
o Si entre 3' y 4 se sigue con la expansión
de los gases en una tobera, el trabajo de
expansión se convierte en energía cinética
en los gases. Esta energía cinética sirve
para impulsar el motor. Se trata de un
turboreactor o lo que comúnmente se
llama un motor a reacción.
• Finalmente los gases de combustión se evacúan
a la atmósfera en 4. La evolución 4-1 es virtual y
corresponde al enfriamiento de los gases hasta la
temperatura ambiente.
Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible
realizarlo como ciclo cerrado. Es decir tener un fluido de trabajo que siga las
evoluciones del ciclo. Entre 2 y 3 se le aporta calor externo y entre 4 y 1 se le
extrae. También es posible realizarlo sin combustión interna, haciendo un
aporte de calor entre 2 y 3. Esto se ha hecho en algunos motores solares en
que se opera según un ciclo Brayton.
Diagrama de Bloques:
A continuación veremos como se visualiza el ciclo de Joule en un diagrama de
bloques. Las componentes principales de la máquina son:
• Un turbocompresor que toma el aire ambiente
(a p1 y T1) y lo comprime hasta p2 (evolución 1 -
2). Este proceso se puede suponer adiabático.
Idealmente es sin roce, pero en general es
politrópica con roce.
• Luego el aire comprimido a p2 pasa a la cámara
de combustión. Allí se le agrega una cierta
cantidad de combustible el que se quema. Al
quemarse la mezcla, la temperatura de los gases
sube hasta T3. La combustión es prácticamente
isobárica (evolución 2 - 3).
• A continuación los gases calientes y a alta

8. presión se expanden en la turbina T1. Esta
Alternativa 1: Turbopropulsor turbina acciona el turbocompresor por medio de
un eje. La expansión en la turbina es hasta las
condiciones 3'. Idealmente es expansión
adiabática sin roce, pero en general es politrópica
con roce (evolución 3 - 3').
• Luego los gases de escape se siguen
expandiendo a través de una segunda turbina de
potencia hasta alcanzar la presión ambiente (p4,
evolución 3' - 4).Esta turbina de potencia entrega
trabajo al exterior. Típicamente el trabajo se usa
para accionar un generador o bien otro
mecanismo (hélice en el caso de aviones con
turbopropulsor o aspas en un helicóptero).
Este caso es similar al anterior hasta el punto 3'. La
diferencia estriba en que de allí en adelante, la segunda
turbina es reemplazada por una tobera. El potencial de
presión de los gases de escape en 3' es convertido en
energía cinética. Los gases salen a C4.
Es decir el trabajo de expansión se convierte en energía
cinética y los gases salen del motor a gran velocidad,
produciendo un empuje por efecto del principio de
acción y reacción.
El caso se ilustra en la figura de al lado, la que
representa un turboreactor de flujo simple. Esto quiere
Alternativa 2: Turboreactor decir que todoel aire pasa por la cámara de combustión
y turbina.
Cogeneración
Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de
electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de
un único combustible. El gas natural es la energía primaria más utilizada para
el funcionamiento de las centrales de cogeneración de electricidad calor, las
cuales funcionan con turbinas o motores de gas. No obstante, también se
pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o
residuos que se incineran.
En un proceso de cogeneración, el calor se presenta en forma de vapor de
agua a alta presión o en forma de agua caliente. Por ejemplo, se puede utilizar
el vapor caliente que sale de una turbina de producción de energía eléctrica,

9. para suministrar energía para otros usos. Hasta hace poco lo usual era dejar
que el vapor se enfriara, pero con esta técnica, con el calor que le queda al
vapor se calienta agua para distintos usos.
El aprovechamiento del calor residual, los sistemas de cogeneración presentan
rendimientos globales del orden del 85%, lo que implica que el
aprovechamiento simultáneo de electricidad y calor favorezca la obtención de
elevados índices de ahorro energético, así como una disminución importante
de la factura energética, sin alterar el proceso productivo, ahorro energético
que se incrementa notablemente si se utilizan energías residuales.
En una central eléctrica tradicional los humos salen directamente por la
chimenea, mientras que en una planta de cogeneración los gases de escape se
enfrían transmitiendo su energía a un circuito de agua caliente/vapor. Una vez
enfriados los gases de escape pasan a la chimenea.
Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un
rendimiento energético del orden del 90%. El procedimiento es más ecológico,
ya que durante la combustión el gas natural libera menos dióxido de carbono
(CO2) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo o el carbón. El desarrollo de
la cogeneración podría evitar la emisión de 127 millones de toneladas de CO2
en la UE en 2010 et de 258 millones de toneladas en 2020, ayudando a cumplir
los objetivos fijados en el Protocolo de Kioto.
La producción de electricidad por cogeneración representó en la UE en 1998 el
11% del total. Si se lograra aumentar hasta un 18%, el ahorro de energía
podría llegar a ser del 3-4% del consumo bruto total de la UE. Además, son
cada vez más numerosas las aplicaciones que se le está dando a esta técnica,
tanto en usos industriales, como en hospitales, hoteles, etc.
• VENTAJAS:
o Ahorra energía y mejora la seguridad del abastecimiento.
o Disminuye las pérdidas de la red eléctrica, especialmente porque
las centrales de cogeneración se suelen situar próximas a los
lugares de consumo
o Aumenta la competencia entre los productores
o Permite crear nuevas empresas

10. o Se adapta bien a las zonas aisladas o ultraperiféricas
• SISTEMAS DE COGENERACIÓN
Plantas con motores alternativos
Utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes
eléctricamente, pero son poco eficientes térmicamente. El sistema de
recuperación térmica se diseña en función de los requisitos de la
industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión
(hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de
alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también
adecuadas la producción de frío por absorción, bien a través del vapor
generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando
directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple
efecto.
Plantas con turbinas de vapor
En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del
vapor de alta presión procedente de una caldera convencional.
El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración. Actualmente su
aplicación ha quedado prácticamente limitada como complemento para
ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles
residuales, como biomasa o residuos que se incineran.
La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo
que se denomina " Ciclo Combinado".
Plantas con turbinas de gas
En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un
turbogenerador, cediendo parte de su energía para producir energía
mecánica. Su rendimiento de conversión es inferior al de los motores
alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una recuperación
fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en
sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea
para producir vapor en un generador de recuperación.
Se diferencian 2 tipos de ciclos: (1) simple, cuando el vapor se produce a
la presión de utilización del usuario; y (2) combinado, cuando el vapor se
produce a alta presión y temperatura para su expansión previa en una
turbina de vapor.
• Ciclo simple
Es la planta clásica de cogeneración y su aplicación es adecuada
cuando los requisitos de vapor son importantes (>10 t/h), situación
que se encuentra fácilmente en numerosas industrias (alimentación,
química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y

11. económicamente rentables cuando están diseñadas para una
aplicación determinada.
El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental,
pues su economía está directamente ligada al mismo, ya que a
diferencia de las plantas con motores alternativos el precio del calor
recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas.
• Ciclo combinado
Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado
en el ciclo simple y permite, por ello, mejorar la recuperación
térmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuya
recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el
vapor en una segunda turbina de contrapresión.
En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr
la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura
del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor
seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de
eficiencia y economía. Por ello se requiere la existencia de
experiencias previas e "imaginación responsable" para crear
procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo
dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en
situaciones alejadas del punto de diseño.
Una variante del ciclo combinado, es el ciclo combinado a
condensación
• Ciclo combinado a condensación
Variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, se basa en
procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran
capacidad de regulación ante demandas de vapor muy variables.
El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración
consiste en evacuar gases a través del by-pass cuando la demanda
de vapor es menor a la producción y utilizar la post-combustión
cuando sucede lo contrario.
Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptación a
la demanda de vapor, debido a una importante bajada en el
rendimiento de recuperación, ya que los gases de escapa
mantienen prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su
temperatura. Por ellos, las pérdidas de calor se mantienen
prácticamente constantes, y la planta deja de cumplir los requisitos
de rendimiento.
Por contra, un ciclo de contrapresión y condensación permite
aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la

12. condensación del vapor que no puede usarse en el proceso,
produciendo una cantidad adicional de electricidad.
Trigeneración
Se basa en la producción conjunta de calor, electricidad y frío.
Una planta de trigeneración es similar a una de cogeneración, a la que se
le ha añadido un sistema de absorción para la producción de frío. No
obstante existen una serie de diferencias.
La trigeneración, permite a la cogeneración, que inicialmente, no era
posible en centros que no consumieran calor, acceder a centros que
precisen frío que se produzca con electricidad. Facilita a la industria del
sector alimentario ser cogeneradores potenciales. Asimismo, permite la
utilización de cogeneración en el sector terciario (hoteles, hospitales,
etc.) donde además de calor se requiere frío para climatización, y que
debido a la estacionalidad de estos consumos (calor en invierno, frío en
verano) impedía la normal operación de una planta de cogeneración
clásica.
Esta modalidad de cogeneración tiene más aplicaciones:
• Aplicaciones de secado. Especialmente en industria cerámica que
utilizada atomizadores. Son plantas muy simples y económicas, ya
que los gases calientes generados por una turbina o un motor se
utilizan directamente en el proceso de secado.
• Aplicaciones en la industria textil.
• Calefacción y refrigeración.
• Aplicaciones para industrias medioambientales, como plantas
depuradoras de tipo biológico, o de concentración de residuos o de
secado de fangos, etc, al demandar calor son potencialmente
cogeneradoras. En estas aplicaciones puede ser un factor
importante para la reducción del coste de tratamiento de os
residuos.
Motor alternativo
En los sistemas basados en motores alternativos, el elemento motriz es
un motor de explosión. El calor recuperable se encuentra en forma de
gases calientes y agua caliente ( Circuito Refrigeración ).
Tipo Ventajas Desventajas
Turbina de Amplia gama de
gas aplicaciones
Muy fiable Limitación en los combustibles
Elevada temperatura de
la energía térmica
Rango desde 0,5 a 100 Tiempo de vida relativamente
MW corto

13. Gases con alto
contenido en oxígeno
Rendimiento global muy
alto Baja relación electricidad/calor
Extremadamente segura
Posibilidad de emplear
Turbina de todo tipo de No permite alcanzar altas
vapor combustibles potencias eléctricas
Larga vida de servicio
Amplia gama de
potencias Pues en marcha lenta
Coste elevado
Elevada relación
electricidad/calor
Alto rendimiento Alto coste de mantenimiento
eléctrico
Motor
alternativo Bajo coste
Tiempo de vida largo
Energía térmica muy
Capacidad de distribuida y a baja
adaptación a variaciones temperatura
de la demanda