capitulo 3 centrales termoeléctricas

8/15/2019 Capitulo 3 Centrales Termoeléctricas

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CENTRALES TERMOELÉCTRICASComponentes

Preparado por: Dra. Jessica Guevara


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TIPOS PRINCIPALES DE CENTRALES

TERMOELÉCTRICAS• De acuerdo a la forma de producir vapor: - Combustibles Tradicionales- Combustibles Nucleares- Con Fuentes Geotérmicas

• Por el tipo de energía suministrada como central:- Suministra energía eléctrica- Suministra energía calórica en forma de vapor o agua caliente

• Por la clase de combustible:

- Petróleo y derivados- Gas Natural- Carbón de piedra

• Por el tipo de turbina:- Vapor (200MW o más)

- Gas (100 – 200 MW)


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TIPOS PRINCIPALES DE CENTRALESTERMOELÉCTRICAS• Según el ciclo termodinámico: - Vapor de presión subcrítica (200 MW o menores)- Vapor o presión supercrítica (200 MW o más)

• Según el tipo de generador de vapor (Caldera):

- Tambor de circulación natural- De corriente directa

• Por el tipo de estructura: - Turbina Simple en un solo cuerpo- Sistema centralizado

- Sistema seccionado

• Por la disposición de las turbinas: - Turbina Simple- Turbina de dos cuerpos- Turbina de tres cuerpos

- Turbina de cuatro cuerpos con dos ejes


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EficienciaTérmica


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Ciclo ranking• El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del

proceso termodinámico que tiene lugar en una centraltérmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo quealternativamente evapora y condensa, típicamente agua.

▫ Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua esproducido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a unaturbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje(este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el quegenerará la electricidad en la central térmica).

▫ El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un

condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estadolíquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corrientede refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago).

▫ Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión delfluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en lacaldera, cerrando de esta manera el ciclo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmica


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Diagrama T-s del ciclo • El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor

de alta presión sobrecalentado.

• El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal estáformado por cuatro procesos: dos isoentrópicos ydos isobáricos.

• La bomba y la turbina son los equipos que operan

según procesos isoentrópicos (adiabáticos einternamente reversibles).

• La caldera y el condensador operan sin pérdidasde carga y por tanto sin caídas de presión.

• Los estados principales del ciclo quedan definidos

por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s :▫ 1: vapor sobrecalentado;▫ 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor

húmedo;▫ 3: líquido saturado;▫ 4: líquido subenfriado.

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura


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Diagrama T-S


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Procesos• Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal

(procesos internamente reversibles):

• Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde lapresión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbinade vapor y se genera potencia en el eje de la misma.

• Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo

hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza elestado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador decalor), idealmente sin pérdidas de carga.

• Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquidamediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta lapresión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.

• Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constanteen la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calientahasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido- vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentadode alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (lapotencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la

bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse)


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Mejoras del Ciclo Rankine• La idea para mejorar un ciclo rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2, es decir, el

trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centralestérmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son:

• Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuyeautomáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, unadisminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentarocasionando erosión en los álabes de la turbina.

• Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presiónaumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina porende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.

• Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapora altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que lahumedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar

altas temperaturas.• Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener

varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalendatores(Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Esteescalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.

• Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación ala caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que

no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica queconllevan.

http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labehttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Sobrecalentamiento&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Economizadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Economizadorhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Sobrecalentamiento&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labehttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa


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SistemaCentralizado

Generadores

de Vapor

PequeñaPotencia


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Sistema

Seccionado


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de la turbina

Turbina Simple


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Turbina de 2 cuerpos sobreun mismo eje: para altas ybajas presiones conrecalentador en el medio.


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Generador de vapor• Componentes:

• Cámara de Combustión• Cámara de Precalentamiento• Instalaciones para el

tratamiento de agua• Sección de Precalentamiento de

agua de alimentación• Sobrecalentadores de vapor• Válvulas• Bombas• Tuberías de interconexión y de

procesos

• Clasificación Industrial de losGeneradores

• Fijos y semifijos• Con Domo Interno y Externo• De gran superficie y pequeña

superficie• De alta presión y de baja presión

• La eficiencia del generador de vapordepende del tipo de combustibleusado

• 0.70 – 0.80 Combustible líquido• 0.80 – 0.90 Gas o Carbón

pulverizado• 0.55 – 0.75 Combustibles sólidos


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3

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1.Domo de vapor

2. Domo de agua

3.Sobrecalentadore 4.Quemadores

5.Economizador

6.Precalentador deaire

7.Abanicos de tiroforzado

8.Ducto dealimentación deaire a losquemadores

9.Chimenea

Generador de vapor


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Auxiliares del generador de vapor• Economizador: Aprovecha el calor de los gases de la chimenea

para calentar el agua. Son un juego de tubos conectados a la salidade los gases a través de los cuales para el agua de alimentación.

• • Sobrecalentador o Recalentador: Está a la salida del domo y se

utiliza para sobrecalentar el vapor.• • Precalentador: Sirve para calentar el aire que se va a utilizar en la

combustión.• • Sistema de Control • • Sistema de Seguridad • • Sistema de Regulación de Alimentación


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Caldera y sus Auxiliares

Calentador de Aire Precipitador


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Sobrecalentador Economizador


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Depósito de Carbón Cintas Transportadoras deCarbón


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Quemador Chimenea


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Molinos Pulverizadores Tolva de Cenizas


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Diagrama Esquemático delSistema de Agua y Vapor


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Turbina de Vapor


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Tipos de turbinas de vapor•

Turbinas de Acción: Son aquellas en las que ladiferencia de presión entre la entrada y la salida dela turbina se transforma completamente en energíacinética en el distribuidor de la turbina.

• Turbinas de Reacción: La caída termodinámica

provoca una doble transformación de energíatérmica residual en energía cinética y de energíacinética en energía mecánica en el árbol de lamáquina.

•

Turbinas Mixtas de Acción y Reacción: Reúnela ventajas de las turbinas de acción y reacción, yestán constituidas de una o más ruedas de acción dealta presión y media presión acompañadas de ungrupo reacción que opera a presión reducida.

• Accesorios de lasTurbinas de Vapor

• Sistemas de Regulación• Válvulas de Alimentación• Condensadores• Bombas de extracción de

agua de condensación


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La velocidad del vapor aumenta a medidaque el vapor pasa a travésde toberas en el impulso de la

turbina de vapor.


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Torres de Enfriamiento

Tiro Mecánico Tiro Natural


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Torres de enfriamiento

• Tiro Mecánico: Se fuerza el aire a pasar por el agua,por ejemplo: con abanicos.

• Ventajas: • Ofrece mayor enfriamiento• Mayor flexibilidad en su operación• Menor inversión inicial

• Desventajas • Para su operación se requiere del

uso de ventiladores; esto implica

un consumo adicional de energía• Requiere mayor mantenimiento• Paros para la revisión de partes en

movimiento.

• Tiro Natural:

• Ventajas: • Estructura estática sin partes en

movimiento, por lo que elfuncionamiento es seguro.

• Requiere de poco mantenimiento.

• Desventajas: • Por lo general, la construcción de

estas torres requiere de unasuperficie mayor en su base que la

de tiro mecánico• Su inversión inicial es mayor.• La temperatura del agua de

enfriamiento es más elevada, lo quepuede traer como consecuencia unincremento en el consumo decombustible.


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TURBINAS DE GASCiclo Brayton


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VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS

• Las centrales de turbinas de gas tienden a ser más ligeras y compactasque las centrales térmicas de vapor

• Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño• Bajo costo de instalación• Rápida puesta en servicio• Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los

movimientos roto alternativos de los motores de combustión interna)• Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente

perfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativos• Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión

interna)• Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en

movimiento• Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente


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• Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica quefunciona a más baja presiones)

• El proceso de combustión es continuo y se realiza apresión constante en la cámara de combustión (diferentea los motores de combustión interna)

• Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s decombustión y turbina propiamente dicha

• No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que

requieren de un condensador)• Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como

kerosene, gasoil, gas natural, carbón pulverizado,siempre que los gases de combustión no corroan losálabes o se depositen en ellos

VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS


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DESVENTAJAS DE LA TURBINA A GAS

• Bajo rendimiento térmico (alto consumo específicode combustible) debido a:

1. Alta pérdida de calor al ambiente que se traducepor la alta temperatura de salida de los gases deescape por chimenea, entre 495ºC a 560 ºC.

2. Gran parte de la potencia generada por la turbinaes demandada por el compresor axial,


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Ciclo BraytonLas etapas del proceso son lassiguientes:

Diagrama P-v

Admisión:El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de laturbina

CompresorEl aire es comprimido y dirigido hacia la cámara decombustión mediante un compresor (movido por laturbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modelamediante una compresión adiabática A →B.C

Cámara de combustiónEl aire es calentado por la combustión del combustible.Puesto que la cámara está abierta el aire puedeexpandirse, por lo que el calentamiento se modela comoun proceso isóbaro B→C.

TurbinaEl aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. Eneste paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que

se describe mediante una expansión adiabática C→

D.


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Ciclo BraytonEscape:

Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale alexterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es elmismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la mismacantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación.

• En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve aentrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento apresión constante D→ A.

• Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamenterecircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo delciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto.


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Ciclos en una Turbina de Gas


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Ciclos en una Turbina de Gas


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Según el Ciclo

Motor de turbina de gas de ciclo abierto.

Motor de turbina de gas de ciclo cerrado


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Turbina de Gas de Ciclo Cerrado

• Ventajas• Previene la erosión den las paletas de la

turbina debida a los gases contaminados ylastima las paletas del compresor debido

al polvo.• La necesidad de filtrado del aire entrante,

esta eliminado.• La densidad del medio de trabajo se

puede mantener alta incrementando elrango de presión interna por lo tanto elcompresor y turbina son mas pequeños

para su potencia de salida.• El costo del mantenimiento es menor y

confiable y la confiabilidad es alta debidoa que tiene una vida útil mas larga.

• La eficiencia térmica crece y en la medidaque esta se aumenta, a relación de presióndisminuye

• Desventaja• El sistema es dependiente de medios

externos, así como de una considerablecantidad de agua de enfriamientorequerida para el pre-enfriador.

• Las presiones internas mas altasinvolucran diseños complicados paratodas las componentes y se requierenmateriales de alta calidad, lo queincrementa el costo de la planta.

• La respuesta a las variaciones de cardaes pobre en comparación con las plantas

de ciclo abierto.• Se requiere de grandes

intercambiadores de calor en la medidaque la calefacción del fluido de trabajose hace en forma indirecta, el espaciorequerido para el intercambiador decalor es considerablemente grande. Elcalor total del combustible no se usa

también en estas plantas.

Estas plantas son preferidas sobre las de CA, cuando el combustible usado es decalidad inferior o se dispone de combustibles sólidos y también de suficiente agua de

enfriamiento en el sitio.


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Ciclo de una Turbina de Gas

Esquema con refrigeraciones en la compresión y unrecalentamiento, con las etapas de expansión y compresión

(turbinas y compresores) montadas sobre el mismo eje.


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La turbina de gas está constituida por cuatro secciones principales:compresor, cámara de combustión, turbina y conducto de salida


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Motor de turbina de gas de ciclo

abierto


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CICLOS TÍPICOS DE LAS TURBINAS DE

GASCiclo

Razón Optima de

Presiones

Eficiencia Térmica

(%)

Simple

Alta

30 – 40

Regenerativo

Mediana

35 – 38

Cerrado Baja 30 – 33

Combinado

Moderado

48 – 54


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CICLO COMBINADO • Definición:

• La combinación de la turbina de gas con la central térmica a vapor conduce almejoramiento del rendimiento total de dicha central.

• Combinaciones Posibles:

• Utilizando:

▫ El escape de las turbinas de gas para calentar el agua de alimentación.

▫ Calderas que aprovechan el calor de escape de las turbinas.

▫ Calderas que queman combustible empleando el escape de las turbinas comoaire para la combustión.

▫ Calderas sobrealimentadas, sobrecargadas; o sea, alimentadas con vapor apresión, en las cuales la calderas de alta presión se convierte en el combustoro cámara de combustión de la instalación de la turbina gas.


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En el cual se eleva la presion de alimentación


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En la cual utilizan la de gas para suministrar a la

caldera aire de combustion precalentado


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SISTEMA ELECTROHIDRÁULICO BÁSICO DE

CONTROL DE VELOCIDAD/CARGA • El sistema de control consta de:

• Un generador de imán permanente o un captor de reluctancia de

tipo digital para proporcionar una señal de la velocidad de la flecha.• Circuitos electrónicos para comparar la señal de la velocidad con lade referencia.

• Una servo-válvula de alta ganancia para convertir la señal eléctricaresultante en señal hidráulica.

• Un conjunto actuador de poder para el mecanismo de la válvula,capaz de operar en elementos hidráulicos de alta presión al recibir laseñal de la servoválvula.

• Un transductor de retroalimentación en el actuador de poder pararestaurar la servoválvula a una condición estable al alcanzar laposición deseada de la válvula.

• Un sistema hidráulico de alta presión para proporcionar la fuerzarequerida.


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COGENERACIÓN

• Definición

• Producción eficiente de dos formas de energía útil a partir del mismo recursocombustible mediante la utilización de la energía de escape o de desecho de unsistema de producción como insumo para el otro. Por lo general, la forma de

energía primaria es térmica y la forma secundaria es eléctrica o mecánica.

• Tipos de Sistemas de Cogeneración

▫ - Ciclo Superior o Sistema Superior

▫ - Ciclo Inferior


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Ciclo Superior o Sistema Superior

• El calor de desecho de la producción de electricidad se utiliza para proporcionarcalentamiento de espacios; calentamiento de un proceso industrial;acondicionamiento de aire por absorción u otras necesidades térmicasrelacionadas. El objetivo principal es producir electricidad y los desechos seemplean para otros procesos.

• El recurso de calor de desecho es procedente ya sea de:

• Escape de la turbina• Gases de escape o calor de las chaquetas recuperado de los motores de

combustión interna.

• El calor de este ciclo es utilizado para:

• Secado de madera• Recalentamiento de metales• Calentamiento de agua, aire• Producción de vapor en calderas de recuperación de calor


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Ciclo inferior

Aquí se utiliza el calor expulsado por un procesoindustrial para producir electricidad. El objetivoprincipal es producir calor o vapor para unproceso.

Ciclo Inferior con

Turbina de Vapor:

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