Las plantas de ciclo combinado (CHP) instaladas entre los 90 y principios de la pasada década fueron diseñadas para operar con una carga base, con relativamente pocos arranques a lo largo del año. El boom de las plantas de ciclo combinado se basaba en un incremento de la demanda de energía en un periodo en el que el gas natural era barato. Pero las cosas cambiaron hace pocos años y las perspectivas futuras son aún más inciertas. Veamos qué está pasando.
La liberalización de los mercados eléctricos y la elevación de los costes del gas natural relegaron a muchas de aquellas plantas a ciclos diarios destinados a absorber los picos de carga. Algunas de estas plantas llegaban a tener dos ciclos diarios para cubrir los picos de la mañana y la tarde.
Estos modos de operación no planificados causaban mucha tensión en las plantas porque los ciclos diarios aumentaban el desgaste y la rotura de los componentes, haciendo que los costes de generación de electricidad aumenten. Pocos operadores de planta han cuantificado el efecto de incrementar los ciclos en la vida de los componentes y eso hace que aparezcan penalizaciones escondidas en la generación. Se trata de un problema difícil de cuantificar en un ciclo de vida largo de 30 años como el que tienen estas plantas.
Ciclos y arranques rápidos
Cada vez que la planta arranca se produce un ciclo y tienen lugar porque el operador consigue así un perfil de operación efectivo en costes. Cuando las unidades están funcionando lo hacen durante pocas horas o días. Así funcionan las plantas de ciclo combinado cuando el tiempo y la duración de la operación están bien definidas y son predecibles.
Pero las cosas no son tan sencillas pues las plantas de ciclo combinado se caracterizan por su flexibilidad y tienen por tanto un funcionamiento bastante más complejo en cuando a los ciclos de funcionamiento.
Las plantas CHP satisfacen la demanda de electricidad bajo un ciclo predecible pero a veces son forzadas a parar por situaciones imprevistas. Otro tipo de ciclo ocurre cuando la propiedad de la central desea tomar ventaja de una oportunidad en los precios del mercado. Las distribuidoras compran energía diariamente basándose en el precio del mercado y ello puede proporcionar beneficios rápidos.
Daños en componentes
Los arranques rápidos en las plantas CHP son necesarios pero también originan problemas pues las unidades están diseñadas para satisfacer ciclos predecibles. Es por ello que se producen daños en muchos mecanismos de las plantas CHP que afectan al ciclo de vida.
Comprender el efecto de los daños en componentes en los costes operacionales de las plantas CHP es vital para la propiedad pero no es nada sencillo. El impacto de un componente particular puede ser diferente en una misma planta. Componentes idénticos pueden tener una vida corta en una aplicación y larga en otras. La consideración más importante es conseguir cómo queda la vida de diseño de los componentes como consecuencia de estos arranques rápidos.
El diseño de componentes mecánicos se realiza cumpliendo códigos y normas de diseño. La mayoría de los códigos toman en consideración la fatiga para establecer los valores de tensión permitidos. Los criterios generales se aplican a los componentes principales, pero pueden no ser satisfactorios para puntos locales o sub ensamblajes. El problema no es el código sino las metodologías utilizadas para el cálculo de tensiones para geometrías de componentes complicadas. Por ejemplo, ASME contempla muy bien el diseño de un tubo pero evaluar la unión entre un tubo y un cabezal puede ser farragoso en geometrías no muy específicas. El método de elementos finitos empieza a dar problemas conforme aumenta la complejidad de las piezas por lo que debe combinarse con correlaciones empíricas como las dadas por American Petroleum Institute o Welding Research Council.
Cuando la fatiga es un problema por el aumento de los ciclos es necesario realizar un análisis detallado que nos permita averiguar cómo afectan los ciclos a los componentes y qué aumentos en los costes operacionales vamos a tener en la vida útil de la planta CHP. Este análisis, realizado según LCA, es sobre todo importante en los componentes críticos.
Una consideración importante al realizar un análisis LCA en una planta CHP es conocer que los análisis LCA son estáticos. Sin embargo el proceso de arranque es dinámico. Uno de los desafíos más grandes
Uno de los principales desafíos para cualquier LCA u otras técnicas de análisis es determinar cómo presión y temperatura cambiantes afectan a los componentes mientras están en operación. Para mejorar un LCA convencional, se requieres un programa dinámico que use datos de operación en tiempo real.
También es importante incluir un programa de inspección y control de componentes críticos para validar los resultados del programa y permitir la planificación de acciones correctoras que son necesarias para evitar paradas forzadas.
Bibliografía: Economic Operation of Fast-Starting HRSGs. Power vol. 154. Nº 6. June 2010c
Palabras clave: Operating data-based (ODB) methodology
Ver también Los costes en el ciclo de vida de los proyectos energéticos
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