central térmica (Índice)

7/18/2019 Central Térmica (Índice)

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“PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES”

ii

ÍNDICE

Introducción

Antecedentes

Generalidades de las Centrales Termoeléctricas

Ventajas y Desventajas

CAPÍTULO 4 PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES 1

4.1 Esquema tecnológico de la planta 2

I. Esquema tecnológico de una planta termoeléctrica

convencional 3

II. Funcionamiento y características principales de cada

III.

una de las partes de una central térmica de carbón de

ciclo convencional 4

4.1.1 Circuito Agua-Vapor 14

4.1.2 Plantas condensadoras y termoeléctricas 16

1. Condensador 16

1.1 Proceso de circulación de agua de un

condensador 18

2. Termoeléctrica 19

3.1 Esquema de una central térmica de ciclo

combinado 22

4.1.3 Servicios Auxiliares 22

I. Accesorios 22

II. Accesorios Complementarios 23

4.2 Generadores de vapor (Calderas) 244.2.1 Descripción de las calderas 25

I. Calderas acuotubulares 25

II. Sobrecalentadores de vapor 25

III. Economizadores 26

IV. Precalentadores de aire 26




iii

V. Manómetros 27

VI. Quemadores 27

VII. Indicadores de nivel 27

VIII. Válvulas de seguridad 28

IX. Medidores de cauda 28

X. Medidor de temperatura 28

XI. Válvula de cierre 28

4.2.2 Combustibles 28

4.2.2.1 Gas natural 31

4.2.2.2 Biomasa 32

4.2.2.3 Derivados líquidos del petróleo 33

4.2.2.4 Carbones 334.2.2.5 Sistema diésel 44

4.2.3 Regulación y protección de las calderas sistema de

quemadores 46

4.2.3.1 Sistema aire gases 48

4.3 Turbinas de vapor 51

I. Introducción 52

4.3.1 DEFINICIÓN DE TURBINA 534.3.2 PRIMERAS TURBINAS DE VAPOR 54

4.3.2.1 Primera turbina de vapor 54

4.3.2.2 Primera aplicación industrial 54

4.3.2.3 Primeras turbinas de reacción y de repulsión 55

4.3.3 PARTES QUE COMPONEN UNA TURBINA 56

4.3.3.1 Partes principales 571. Rotor 57

2. Toberas 57

3. Carcasa 58

4. Álabes 58

5. Estator 59




iv

6. Válvulas de regulación 59

4.3.3.2 Partes secundarias 59

7. Escape de la turbina 59

8. Secciones de extracción o reinyección 59

9. Cierres laberínticos de vapor 59

10. Reductor 60

11. Generador 60

4.3.4 CLASIFICACIÓN 61

4.3.4.1 Turbina de acción (Laval) 61

4.3.4.2 Turbina de reacción (Parsons) 62

4.3.4.3 Según el número de etapas 63a) Turbina monoetapa 63

b) Turbina multietapa 63

4.3.4.4 Según la dirección del flujo del vapor 64

a) De flujo axial. 64

b) De flujo radial 64

4.3.4.5 Según la presión de salida del vapor 64

a) Con extracción de vapor 64

b) De compresión 64

c) De condensación 64

4.3.5 PRINCIPIO DE OPERACIÓN 65

4.3.5.1 De acción 65

4.3.5.2 De repulsión 65

4.3.5.3 Ciclo Rankine 65

4.3.5.4 Proceso del vapor dentro de la turbina 66

4.3.6 ESCALONAMIENTOS 69

4.3.6.1 Los de presión (RATEU) 69

4.3.6.2 Los de velocidad (CURTIS) 70




v

4.3.7 CICLO DE RANKINE 72

4.3.7.1 Definición del ciclo 72

4.3.7.2 Operación 72

4.3.7.3 Rendimiento ideal 734.3.7.4 Etapas del ciclo 73

4.3.8 APLICACIONES 76

4.3.8.1 Campos de aplicación 77

4.3.9 REGULACIÓN DE LAS TURBINAS 77

4.3.9.1 Por presión de admisión 77

4.3.9.2 Por número de toberas 784.3.9.3 Inconvenientes usando la variación por número de

toberas 79

4.3.9.4 Problemas en la regulación 79

4.3.9.5 Regulación en centrales eléctricas 80

4.3.9.6 Regulación de una turbina de condensación 81

4.3.9.7 De una turbina de contrapresión 82

4.3.10 PÉRDIDAS EN LAS TURBINAS DE VAPOR 83

4.3.10.1 Pérdidas en los álabes 83

4.3.10.2 Pérdidas mecánicas 84

4.3.10.3 Clasificación de pérdidas 84

4.3.11 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS TURBINAS DE

VAPOR 85

4.3.11.1 Ventajas más importantes 854.3.11.2 Desventajas del uso de estas turbinas 85

4.3.11.3 Impacto ambiental 86

4.3.12 MANTENIMIENTO PREVENTIVO A TURBINAS 86

4.3.12.1 Principales averías 86




vi

4.3.12.2 Mantenimiento diario 87

4.3.12.3 mantenimiento quincenal 87

4.3.12.4 Mantenimiento de carácter mensual 88

4.3.12.5 Principales repuestos 88

4.3.13 Tratamiento químico del agua 90

4.3.13.1 Incrustaciones 90

4.3.13.2 Corrosión 92

4.3.13.3 Parámetros químicos 95

I. Control del oxígeno disuelto 95

II. Control de PH 96

III. Control de la concentración de salesdisueltas 98

4.3.14 Condensadores 98

4.3.15 Desgasificación del agua 101

4.3.15.1 Procesos de desgasificación 102

4.3.15.2 Desgasificación por vacío 103

4.3.16 Esquemas de servicios propios 105

Fuentes Bibliográficas 106Cibergrafías 106




vii

ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS

Introducción

Figura 1 Central Termoeléctrica x

Antecedentes

Figura 2 Planta Termoeléctrica en el año 1976 xi

Generalidades de las Centrales Termoeléctricas

Ventajas y Desventajas

Figura 3 Planta Termoeléctrica en Tuxpan, Veracruz xv

CAPÍTULO 4 PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES

4.1 Esquema tecnológico de la planta

Figura 4 Diagrama de una central térmica de carbón de ciclo

convencional 3

Figura 5 Ventilador de aire forzado mostrado físicamente

en partes 10

Figura 6 Representación del Circuito Agua/Vapor 15

Figura 7 Condensador 16

Figura 8 Representación del vacío de un Condensador 18Figura 9 Proceso de circulación de agua de un Condensador 19

Figura 10 Esquema de una central térmica de ciclo combinado 22

4.2 Generadores de vapor (Calderas)

Figura 11 Diagrama simplificado de una central termoeléctrica

de combustión externa 30

Figura 12 Funcionamiento de las turbinas a gas (TG) 30

Figura 13 Representación de un ciclo 31

Figura 14 Uso del gas natural en una termoeléctrica 32

Figura 15 Derivados líquidos del petróleo almacenado 33

Figura 16 Carbones minerales 35




viii

Figura 17. Configuración de las canastas de los calentadores

regenerativos 45

Figura 18 Circuito del combustible general en una central

termoeléctrica convencional 47

Figura 19 Sistema aire gases 49

Figura 20 Ventilador de tiro forzado del tipo flujo axial 50

4.3 Turbinas de vapor

Figura 21 Esquema interno de una turbina de vapor 53

Figura 22 Primera turbina de vapor 54

Figura 23 Turbina con escalonamientos de presión y de

velocidad (Curtis) 53Figura 24 Turbina de reacción (Pearson) 55

Figura 25 Turbina con recalentamiento de la General Electric 56

Figura 26 Rotor de una turbina de vapor 57

Figura 27 Tobera de acción(a) y de repulsión (b) 57

Figura 28 Carcasa de una turbina de vapor 58

Figura 29 Ejemplo de la forma de los alabes 58

Figura 30 Estator de la turbina 59

Figura 31 Turbina de vapor de tres etapas 60

Figura 32 Disposición turbina Laval 62

Figura 33 Esquema de una turbina Parsons 62

Figura 34 Funcionamiento esquemático de una turbina de

Reacción 63

Figura 35 Describe brevemente el funcionamiento de una

turbina de vapor 66

Figura 36 El vapor entra desde la caldera y activa la turbinade alta presión 67

Figura 37 El vapor entra desde la sección de alta presión y

la turbina de presión media se encarga de comprimirlo 67

Figura 38 El vapor procedente del escape del cuerpo de




ix

media presión entra a través de la sección cruzada en la

turbina de baja presión, desde donde es empujado e

introducido en el capacitor 68

Figura 39 Turbina Rateau (Lee) 70

Figura 40 Escalonamiento de presión 70

Figura 41 Se muestra los escalonamientos de presión (4 pares

tobera-rodete) 71

Figura 42 Esquema de escalonamiento de velocidad 71

Figura 43 Representación gráfica del ciclo de Rankine 73

Figura 44 Proceso del ciclo de Rankine 74

Figura 45 Esquema a bloques del ciclo de Rankine 75

Figura 46 Líneas de expansión (Regulación por laminado en laválvula de admisión) 78

Figura 47 Línea de expansión (Regulación por admisión parcial) 79

Figura 48 Regulación de una turbina con recalentamiento

intermedio 80

Figura 49 Esquema de regulación de una turbina de

condensación 82

Figura 50 Esquema de regulación de una turbina de

contrapresión 83

Figura 51 Grafica de pérdidas y punto de operación económica 85

Figura 52 Inspección visual de una turbina de vapor 89

Figura 53 Incrustaciones en las paredes internas de tuberías 91

Figura 54 Incrustaciones en las paredes internas de tuberías 91

Figura 55 Corrosión Provocada por falta de Tratamiento y

Acondicionamiento del Agua 93

Tabla 1 Principales contaminantes y sus efectos perjudiciales 94

Figura 56 Medidor de pH para calderas y torres de refrigeración 97

Figura 57 Condensador de paso simple o de un solo paso 99

Figura 58 Desgasificador Térmico 103

Figura 59 Esquema de servicios propios 105




x

INTRODUCCIÓN

Una Central Termoeléctrica es una instalación en donde la energía mecánica que

se necesita para mover el rotor del generador y, por tanto, obtener la energía

eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. Elvapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las turbinas para que en

su expansión sea capaz de mover los álabes de las mismas.

Una central termoeléctrica clásica se compone de una caldera y de una turbina que

mueve el generador eléctrico. La caldera es el elemento fundamental y en ella se

produce la combustión del carbón, fuel o gas.

Figura 1. Central Termoeléctrica




xi

ANTECEDENTES

Las plantas termoeléctricas en México han pasado por etapas, que comprenden los

siguientes aspectos:

Se inició con plantas pequeñas de hasta 33,000 KW (entre 1948 y 1960).

Posteriormente, desde el año 1958 hasta 1964, se practicó la construcción de

plantas mediante el sistema “llave en mano” (turn key) o “Plantas paquete” que

consiste en comprar a un fabricante la planta completa, así se construyeron

unidades de hasta 150,000 kW.

Después, en 1965 (y hasta 1970) CFE empezó a contratar compañías de ingeniería

extranjeras para que diseñaran las plantas, adquirió los equipos de diferentes

fabricantes mediante concursos y contrató la construcción y montaje de las plantas

con compañías nacionales, construyéndose hasta de 158,000 KW

A partir de 1971 y hasta 1976, CFE continúo utilizando indistintamente contratistas

mexicanos y extranjeros, así como recursos propios. Sin embargo se siguió

adquiriendo equipo de diferentes fabricantes mediante concursos. De esta forma se

construyeron plantas con una capacidad de hasta 300,000 KW

A mediados de 1976, CFE decidió diseñar plantas con recursos propios, sinembargo se continuó utilizando contratistas extranjeros.

Figura 2. Planta Termoeléctrica en el año 1976




xii

GENERALIDADES DE LAS CENTRALES

TERMOELÉCTRICAS

El objeto de las centrales térmicas es aprovechar la energía calorífica de un

combustible para transformarla en electricidad. Es decir, utilizan la energía

mecánica obtenida de un ciclo termodinámico para convertirla en electricidad.

El proceso que sigue dicha transformación es el siguiente:

a) La energía contenida en el combustible se transforma, por combustión (en

las centrales térmicas convencionales) o por fisión (en las nucleares), en

energía calorífica,

b) La energía calorífica que absorbe el fluido de trabajo se convierte alexpansionarse en la turbina o motor de energía mecánica, y

c) La energía mecánica es transformada en energía a través del generador

eléctrico

Atendiendo al tipo de fluido motor que emplean en el ciclo termodinámico, las

centrales térmicas se clasifican:

a) Centrales de vapor,

b) Centrales de turbinas de gas, y

c) Centrales diesel

Las centrales termoeléctricas modernas son similares en todo el mundo porque los

diseñadores buscan la alta eficiencia al mínimo costo. Esto significa que los

materiales son llevados a sus límites de seguridad así como de temperatura, presión

y fuerzas centrífugas. Como los mismos materiales son accesibles para todos, esto

resulta en plantas termoeléctricas necesariamente similares

Una gran central térmica se compone de:

Un parque de almacenamiento del combustible, con las instalaciones para

las descargas y alimentación del mismo,

Un cuarto de calderas, con los dispositivos relativos a las mismas,




xiii

Una sala de máquinas o edificio de turbinas,

Un departamento eléctrico, con los locales para los cuadros de maniobra y

medida y la subestación transformadora elevadora, y

Los edificios de servicios

El cuarto de calderas, integrado por:

La caldera o el generador de vapor,

El economizador o precalentador del agua,

El alimentador de agua a la caldera, y

El depurador del agua de alimentación

El edificio de turbinas o sala de máquinas, formado por:

El grupo turbo-alternador, y

El condensador

La sala de control, compuesta por:

Los cuadros de maniobra y medida, con todos los dispositivos y aparatos de

medición, maniobra y regulación que son necesarios para la explotación de

la central

El departamento eléctrico, conformado por:

El parque de transformadores (cuando se hallan en la central), y

La aparamenta de alta tensión, con sus interruptores, seccionadores,

transformadores de medida, pararrayos, etc.

En las instalaciones modernas este departamento está generalmente al aire libre y

el departamento de servicios auxiliares, constituido por:

El parque de transformadores de servicios auxiliares, y

La aparamenta de media y baja tensión

El consumo propio de energía eléctrica de las centrales de vapor es muy elevado




xiv

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas:

Son las centrales más baratas de construir (teniendo en cuenta el precio por

megavatio instalado), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad

(comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma

masiva.

Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más eficientes

(alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía

eléctrica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad decombustible, y rebajando las emisiones citadas más arriba en un 20%, 0,35 kg de

CO2, por kWh producido.

Desventajas:

El uso de combustibles fósiles genera emisiones de gases de efecto invernadero y

de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes (en el caso del carbón)

que pueden contener metales pesados.

Al ser los combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a la

duración de las reservas y/o su rentabilidad económica.

Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclima local.

Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua

caliente en estos.

Su rendimiento (en muchos casos) es bajo (comparado con el rendimiento ideal), a

pesar de haberse realizado grandes mejoras en la eficiencia (un 30-40% de la

energía liberada en la combustión se convierte en electricidad, de media).




xv

Figura 3. Planta Termoeléctrica en Tuxpan, Veracruz

central térmica (Índice)

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