Generación Eléctrica Eficiente: Centrales Termoeléctricas a Gas Natural y el Ciclo Brayton

Resumen Ejecutivo

En el presente trabajo se exponen los resultados de una investigación de diseño bibliográfico realizada con el objetivo de determinar un marco teórico que fundamente el estudio sobre generación de energía eléctrica en una termoeléctrica a gas natural. También se ha analizado el ciclo de Brayton, que modela el comportamiento de una turbina, similar a las empleadas en aeronaves.

Para esta investigación, se consultaron antecedentes, específicamente dos tesis, con el fin de obtener un conocimiento previo relevante para el desarrollo del trabajo. La investigación reveló que el ciclo de Brayton presenta más ventajas que desventajas. Por ejemplo, su costo de instalación es muy bajo, sus mecanismos son menos complejos en comparación con los motores de combustión, y opera a presiones relativamente bajas.

Asimismo, se estableció una relación entre el ciclo de Brayton y el ciclo de Carnot para una mejor comprensión del estudio. Finalmente, se presentan conclusiones puntuales que satisfacen los objetivos planteados.

Introducción

El presente trabajo aborda la generación de energía eléctrica en una central termoeléctrica de gas natural, centrándose en el ciclo Brayton. Los antecedentes consultados para el desarrollo de este estudio incluyen diversas tesis, las cuales se describen a continuación.

Antecedentes de Investigación

1. Tesis: "Práctica de turbina de gas para el laboratorio de máquinas térmicas"

La primera tesis considerada es “Práctica de turbina de gas para el laboratorio de máquinas térmicas”, presentada por Diego Alfredo Cruz Hernández para la obtención del título de Ingeniero Mecánico. Esta tesis tiene como objetivo estudiar la operación y la generación de energía mediante una turbina de gas. Su desarrollo se fundamenta en la operación, la toma de datos teóricos y la memoria de cálculo de la práctica de laboratorio sobre la microturbina de gas.

Según Cruz Hernández (pág. 5), “El principio fundamental de operación de una turbina de gas es el ciclo Brayton, el cual se tomará en cuenta para la realización de esta tesis. Con ayuda de estos conceptos teóricos, se analizará la potencia entregada por la turbina, así como el intercambio de calor entre los gases y el agua.”

Asimismo, la tesis considera todos los componentes internos de una turbina que contribuyen a la operación óptima en la generación de energía eléctrica. Entre sus conclusiones, se destaca que, mediante cálculos teóricos, es posible proponer mejoras para una turbina, como la implementación de un intercambiador de calor agua-gases. Esto podría conducir a un ciclo combinado con un generador de vapor y a la obtención de datos con mayor exactitud, lo que a su vez permitiría un conocimiento más profundo sobre la generación de energía.

2. Tesis: "Modelado del ciclo Brayton de una turbina a gas en Colombia mediante ecuaciones de estado y relaciones isentrópicas"

Otra investigación relevante es “Modelado del ciclo Brayton de una turbina a gas en Colombia mediante ecuaciones de estado y relaciones isentrópicas”, realizada por Fredy A. Roldán F., Fabio E. Sierra V. y Carlos A. Guerrero F. Este estudio se centra en una turbina de gas terrestre que opera bajo condiciones ambientales relativamente estables y específicamente definidas.

Para comprender el proceso desarrollado en una turbina de ciclo de gas, se emplea un modelo teórico conocido como ciclo termodinámico de Brayton. Este ciclo presenta las características básicas que permiten el análisis de la operación de las turbinas de ciclo de gas. Se utilizó una turbina de generación eléctrica General Electric MS5001P. Los autores compararon los resultados de datos tomados durante 24 horas (midiendo la potencia entregada, la temperatura de descarga del compresor y la temperatura de descarga de la turbina cada 2 horas) con el modelo teórico del ciclo de Brayton.

En sus conclusiones, el trabajo resalta los aspectos fundamentales de un modelo térmico del ciclo Brayton con el propósito de impulsar investigaciones operativas y teóricas más avanzadas, que posibiliten estudios térmicos y de generación eléctrica con mayor alcance y una sólida base investigativa.