PRINCIPIOS BÁSICOS DEL CICLO DE LA TURBINA DE VAPOR
El ciclo de las turbinas de vapor corresponde al ciclo de Ranking y es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolución se produzcan cambios de fase. De forma simplificada, y para el ciclo básico, la evolución del fluido sigue las siguientes etapas !.
"na "na etap etapa a de e#p e#pan ansi sión ón del del flu fluid ido o en fase fase vap vapor or,, rea realiz lizad ada a en una una máq máqui uina na t$r t$rmi mica ca deno denomi mina nada da turbina de vapor y lo más isentrópica posible.
%.
& la la sali salida da de de la tur turbi bina na de de vapor vapor,, una una cesi cesión ón de de calo calorr resi residu dual al del del vap vapor or a pre presi sión ón con const stan ante te en en un dispositivo llamado condensador. En este dispositivo se realiza la condensación total del mismo y su paso a fase l'quida.
(.
"na "na o vari varias as eta etapa pass de ele eleva vaci ción ón de de la pre presi sión ón del del flu fluid ido. o. El El proc proces eso o se rea realiliza za con con el el flui fluido do en en fase l'quida, con bombas y fuera de la zona de cambio de fase. )sta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la má#ima eficiencia ser'a necesario realizar la compresión de un fluido bifásico, con la dificultad tecnológica que ello conlleva.
*.
"na "na etap etapa a de apo aport rtac ació ión n de cal calor or a pre presi sión ón con const stan ante te,, que que en los los cic ciclo loss combi combina nado doss se +ac +ace e en la caldera de recuperación de calor por los gases de escape de la turbina de gas. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo en fase l'quida, un proceso de cambio de fase y una elevación posterior de la temperatura del vapor en lo que se denomina sobrecalentador, motivada por la necesidad de disminuir la +umedad en el vapor en las ltimas etapas de e#pansión de la turbina. Esto ltimo constituye la segunda particularidad del ciclo de Ranking y otra diferencia fundamental con el ciclo de Carnot.
Figura 1. Ciclo básico de una turbina de vapor
El fluido motor empleado suele ser agua desmineralizada, fundamentalmente por su facilidad de mane-o, reposición y abundancia, aunque conceptualmente no es el nico y podr'an emplearse otros fluidos tales como mercurio o fluidos orgánicos.
ELEMENTOS CONSTITUYENTES DEL CICLO AGUAVAPOR.
& continuación se detalla el recorrido del aguavapor una vez sale de la turbina de vapor +asta que vuelve a entrar a la caldera de recuperación de calor, detallando por los elemento donde circula y lo que realiza en ellos.
/os pasos que sigue el fluido en esta parte son los siguientes, podemos guiarnos por la figura %
Figura 2. Esquema del funcionamiento del Ciclo Agua-Vapor
!.
Cond Conden ensa sado dorr 012 012 Es Es un int inter erca camb mbia iado dorr de cal calor or for forma mado do por por mul multititu tud d de tub tubos os,, a trav trav$s $s de de los los cuales circula el fluido refrigerante normalmente agua, su función es condensar el vapor que sale de la turbina de vapor, tambi$n se aprovec+a en este punto para eliminar gases incondesables y nocivos ya que algunos son muy corrosivos corrosivos como el o#'geno, o#'geno, se eliminan por m$todos f'sico o qu'micos como la +idracina. /os tubos del condensador deben estar especialmente preparados ya que van a traba-ar en unas condiciones muy duras, donde se producirán depósitos que podr'an atascarlos o
reducir sus propiedades para el intercambio t$rmico, tambi$n están e#puestos a agentes biológicos. /os tubos deben estar firmemente fi-ados para poder resistir las vibraciones provocadas por las vibraciones que provocan las altas velocidades del vapor al entrar en el intercambiador. %.
3ombas de condensado 0!(2 son son las encar cargadas das de enviar iar el agua condensada ada en el condensador al depósito de agua de alimentación.
(.
4anque nque de ali alime ment ntac ació ión n y Desga Desgasi sific ficad ador or 0!! 0!!2 2 Es Es el depó depósit sito o dond donde e almac almacen enamo amoss el agua agua de alimentación que ira a la caldera para convertirse en vapor y despu$s ser conducido a la turbina de gas. El tanque tambi$n puede llevar acoplado un desgasificador ya que aprovec+amos para eliminar los restos de o#'geno que no +emos podido quitar en el condensador, para eliminar el o#'geno calentamos el agua que +ay en el depósito por medio de vapor que +a sido e#tra'do de la turbina de vapor.
*.
3omb 3ombas as de alim alimen enta taci ción ón 0!%2 0!%2 son son las las enca encarg rgad ada as de envi enviar ar el agua agua desd desde e el tanq tanque ue de alimentación al economizador, para que as' vuelva a empezar el ciclo.
5ormalmente en los ciclos combinados +ay tres etapas de e#pansión en el lado de la turbina de vapor, están son de alta, media y ba-a presión, a continuación se pueden ver en la figura (.
Figura 3. Eemplo t!pico de un ciclo combinado.
En este sistema +ay ( turbinas de vapor para cada uno de los niveles de presión y ( calderines, con sus correspondie correspondientes ntes sistemas de bombeo y calentamient calentamiento, o, e#istiendo un solo tanque de alimentación alimentación desgasificador donde van a parar todos los condensados de las turbinas.
CONFIGURACIONES HABITUALES EN CENTRALES DE CICLO COMBINADO En la configuración de un ciclo combinado gasvapor es relativamente frecuente que varias turbinas de gas alimenten con el vapor que producen sus calderas de recuperación de calor a una nica turbina de vapor. Este +ec+o obliga a presentar una clasificación atendiendo al nmero de equipos principales e#istentes en la central. /a disposición relativa de los e-es de la turbina de gas y de la turbina de vapor, segn se encuentren alineados o no, +ace que se pueda establecer otra clasificación atendiendo al nmero de e-es principales de que consta el tren de potencia •
Centrales monoe-e
•
Centrales multie-e
&demás, en los monoe-e, el generador puede estar en el e#tremo del e-e mayor facilidad de mantenimiento o entre la turbina de gas y la de vapor. En este ltimo caso +ay un embrague que acopla la turbina de vapor con el e-e de la turbina de gas y el generador, permitiendo producir energ'a funcionando solo la turbina de gas /as configuraciones más comnmente empleadas en las centrales de ciclo combinado gasvapor en operación comercial +oy d'a son las siguientes •
Configuraciones !#! 0una turbina de gas que alimenta a una caldera de recuperación de calor y produce vapor para un nico ciclo de Rankine2,
•
Configuraciones %#! 0dos turbinas de gas que alimentan cada una de ellas a su correspondiente caldera de recuperación de calor y producen vapor para un nico ciclo de Rankine2
•
4ambi$n 4ambi$n son posibles las configuraciones (#!, *#!, etc.
Es importante destacar que, para las configuraciones %#! y (#!, cuando por una situación operativa de la central al menos una de las calderas está fuera de servicio y la otra funcionando, e#iste la posibilidad de que puedan producirse retornos de vapor desde el colector comn de vapor a las calderas que están fuera de servicio. 6i esto ocurre, pueden producirse da7os en los tubos y materiales no aleados de la caldera. 8ara evitarlo, y desde el proceso de especificación, se debe poner especial $nfasis en una alta calidad de las válvulas de retención y cierre.
Configuraci"n multiee 1#1 /as venta-as de esta configuración son las siguientes 8osibilidad de funcionamiento con sólo la turbina de gas, derivando los gases a la atmósfera si
•
fuese necesario. 9ayor disponibilidad de la turbina de gas, al poder operar $sta en caso de aver'a de la turbina de
•
vapor. •
&dmite el condensador con disposiciones a#ial e inferior.
•
&l disponer de dos alternadores puede suministrar energ'a el$ctrica con dos tensiones. :ácil mantenimiento de generadores y turbinas. ;nconvenientes
•
o
Requiere dos alternadores y dos transformadores con el consiguiente incremento de inversión.
o
9ayor necesidad de espacio.
o
8uente gra más grande.
Configuraci"n monoee 1#1 con embrague
•
o
Requiere un alternador menos que la configuración multie-e.
o
El generador, al estar ubicado entre la turbina de gas y la de vapor, proporciona un mayor equilibrio a todo el con-unto.
o
9enor coste de inversión que la configuración multie-e.
o
9enor coste de obra civil. Esto es debido a la menor altura necesaria del pedestal del turbogenerador, al poder disponer el condensador de forma a#ial.
o
8uente gra de menor luz que la configuración multie-e.
o
9enor espacio requerido que la configuración multie-e.
o
El embrague permite un sistema de arranque más sencillo al poder independizar el roda-e de la turbina de gas de la de vapor. & diferencia del monoe-e sin embrague, en esta configuración no es necesaria una caldera au#iliar para el calentamiento previo del vapor en el arranque de la turbina. ;nconvenientes
•
o
9enor fle#ibilidad de operación que la configuración multie-e, ya que en general esta configuración no suele llevar c+imenea de bypass.
o
Evacuación de energ'a a trav$s de un solo generador y por tanto, menor fiabilidad del con-unto. En la configuración multie-e cada alternador a trav$s de su transformador puede alimentar sistemas de transporte con diferentes tensiones.
o
9ayor dificultad en la revisión del generador, al tener que desplazarlo lateralmente para poder e#traer su rotor.
o
5o es posible el monta-e y la puesta en marc+a por fases, a diferencia de la configuración multie-e.
Configuraci"n monoee 1#1 sin embrague /as venta-as e inconvenientes con respecto a la configuración multie-e son similares a las descritas en la configuración monoe-e con embrague con los siguientes elementos diferenciadores •
•
El +ec+o de disponer el generador en un e#tremo facilita su revisión e inspección. &l no poder situar el condensador a#ialmente, esta configuración requiere un pedestal de mayor altura y mayor inversión en obra civil que en la configuración monoe-e con embrague.
•
:rente al resto de configuraciones, el arrancador estático de la turbina de gas es de mayor potencia, al tener que arrastrar la turbina de vapor en el inicio del roda-e.
•
Requiere una caldera au#iliar en los arranques para proporcionar vapor de cierres, vapor de vac'o si $ste se +ace con eyectores y refrigeración inicial de la turbina de vapor durante el roda-e.
Configuraci"n 2#1
•
9enor coste de inversión que dos monoe-es de la misma potencia 0apro#imadamente
o
un !=>2. 9ayor fle#ibilidad de operación, al posibilitar el funcionamiento con una turbina de gas y
o
una turbina de vapor y arrancar de forma rápida la segunda turbina de gas. 9e-or rendimiento a cargas parciales, y especialmente al ?=> de carga, al poderse
o
reducir la potencia en solo una de las turbinas de gas. o
:ácil acceso para el mantenimiento de los generadores.
o
Equipos de arranque estáticos de turbina de gas peque7os.
o
5o es necesaria caldera au#iliar.
o
8osibilidad de emplear alternadores refrigerados por aire, al ser estos de menor potencia ;nconvenientes
•
o
/a aver'a de la turbina de vapor de-a fuera de servicio todo el ciclo combinado si no se dispone de bypass de gases en las turbinas de gas.
¿Qué es un C($)%n'(*
Cen!"#
Té"$%&
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C%&#(
"na Central 4$rmica de Ciclo Combinado es un planta de producción energ'a el$ctrica basada en dos máquinas t$rmicas, con dos ciclos t$rmicos diferentes turbina de gas y turbina de vapor. El calor no utilizado por uno de los ciclos 0la turbina de gas2 se emplea como fuente de calor del otro 0el ciclo agua vapor que alimenta la turbina de vapor2. De esta forma los gases calientes de escape del ciclo de turbina de gas entregan la energ'a necesaria para el funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo de combustible, con rendimientos que superan el ??> 0es decir, más del ??> de la energ'a contenida en el combustible se convierte en energ'a el$ctrica2. /a energ'a obtenida en estas instalaciones puede ser utilizada, además de la generación el$ctrica, para calefacción a distancia y para la obtención de vapor de proceso. En la figura ! puede verse el esquema t'pico de una central de ciclo combinado. /a central detallada en el diagrama consta de dos turbinas de gas y una de vapor, en una combinación conocida como %#!.
Figura 1. Esquema Central de ciclo combinado.
¿C+$( es un &en!"# 'e &%&#( &($)%n'(*
En la figura % se muestra un esquema simplificado de un circuito t'pico de un ciclo combinado para generación de energ'a el$ctrica, de un sólo nivel de presión. El aire aspirado desde el ambiente ingresa a la turbina de gas, es comprimido por un compresor, a continuación se mezcla con el combustible en la cámara de combustión para su quemado. En esta cámara el combustible ingresa atomizado. /os gases de combustión calientes se e#panden luego en la turbina de e#pansión proporcionando el traba-o para la operación del compresor y del generador el$ctrico asociado al ciclo de gas.
Figura 2. Esquema de funcionamiento de una central de ciclo combinado.
/os gases de escape calientes salientes de la turbina de gas, a temperaturas superiores a los ?== @C ingresan a la caldera de recuperación. En esta caldera de recuperación se produce el intercambio de calor entre los gases calientes de escape y el agua a alta presión del ciclo de vaporA es decir, el aprovec+amiento del calor de los gases de escape llevando su temperatura al valor más ba-o posible. /os gases enfriados son descargados a la atmósfera a trav$s de una c+imenea. En relación con el ciclo de vapor, el agua proveniente del condensador se acumula en un tanque de alimentación desde donde se env'a a distintos calderines de alimentación de intercambiadores de calor de la caldera de recuperación, segn se trate de ciclos combinados de una o más presiones. En la caldera de recuperación el agua pasa por tres tipos de sectores !.
Economizadores, que elevan la temperatura del agua +asta casi la temperatura de ebullición
%.
/os sectores de evaporación, situado en la zona central de la caldera, donde se produce el cambio de fase l'quidovapor 0apenas se eleva la temperatura, sólo se vaporiza el agua2.
(.
/os sectores de sobrecalentamiento, que +ace que el vapor adquiera un mayor nivel energ$tico, aumente su entalp'a, aumentando su temperatura. Está situado en la zona más pró#ima al escape de la turbina, donde la temperatura es más alta, ?== @C o más.
El vapor producido se e#pande a+ora en una turbina de vapor. El vapor pierde su energ'a y se vuelve a condensar en el condensador, a presión inferior a la atmosf$rica. /a unión de los dos ciclos, la turbina de gas y la de vapor, permite producir más energ'a que un ciclo abierto, y por supuesto, con un rendimiento energ$tico mayor, pues aprovec+a el calor contenido en los gases de escape de la turbina de gas, que se tirar'an a la atmósfera a trav$s de la c+imenea. De esta forma, el rendimiento supera el ?? >, cuando una turbina de gas rara vez supera el *= >, los valores normales están entorno al (? >. &spectos positivos y limitaciones de los ciclos combinados. &demás de la fle#ibilidad de utilización, ya sea para generación de energ'a el$ctrica como para obtención de vapor, este tipo de configuración permite la conversión o Brepoering de instalaciones t$rmicas con turbinas de vapor con el consiguiente aumento de la eficiencia integral de las mismas. /os fabricantes de turbinas de gas y plantas de ciclo combinado indican las siguientes razones para -ustificar el mayor uso de los mismos !.
Disponibilidad de grandes volmenes de gas natural.
%.
8osibilidad de uso de otros combustibles, diesel, carbón gasificado, etc., con rendimientos elevados pero con limitaciones en el funcionamiento de los quemadores. El dise7o se optimiza para gas natural.
(.
Elevados rendimientos con buen factor de carga.
*.
3a-o impacto ambiental en relación con las emisiones de 5# y menor eliminación de calor al medio ambiente.
?.
9enores requerimientos de refrigeración respecto a una central convencional de igual potencia.
F.
3a-os costos de capital y cortos plazos de entrega de las plantas, para los niveles de eficiencia obtenidos.
G.
El rendimiento de los ciclos combinados nuevos que operan en la actualidad es del orden del ?G >. Este valor supera a los rendimientos de los ciclos abiertos de turbinas de gas y de los de vapor que traba-an en forma independiente. El desarrollo práctico de los ciclos combinados estuvo fuertemente vinculado al desarrollo tecnológico de los materiales para construir turbinas de gas capaces de operar a relaciones de presión relativamente altas, de !=! +asta !(!, y con temperaturas de entrada del orden de !=H= @C. Esto originó un retaso en
el avance de la utilización de estos ciclos. Esta situación me-oró en la d$cada de los 1= y en la actualidad en el mercado se encuentran turbinas que admiten temperaturas de entrada del orden de los !*== @C. /as me-oras en el dise7o de componentes y materiales +an permitido elevar la potencia y la eficiencia t$rmica de las turbinas de gas y por lo tanto del ciclo combinado. /a utilización de materiales cerámicos y monocristalinos en los álabes de la turbina +a contribuido enormemente a este avance. "na de las limitaciones que imponen los materiales y las temperaturas de traba-o asociadas, a los equipos y componentes del circuito de los gases de combustión, son los esfuerzos t$rmicos que aparecen cuando estos ciclos se operan en forma intermitente o Bse ciclan. Estos esfuerzos son mayores que los que se producen en operación continua, ya que cuando se efecta el ciclado los transitorios de arranque y parada son muc+o más frecuentes. En estos transitorios se produce fatiga termomecánica de los metales base. 4anto este tipo de paradas como las de emergencia afectan fuertemente la vida til de la turbina, ya que en este aspecto cada arranque equivale a apro#imadamente veinte +oras de operación en r$gimen continuo y cada parada de emergencia equivale a diez arranques normales 0unas doscientas +oras de funcionamiento2. 8or otra parte se +a comprobado que an en condiciones normales de operación muc+o de los componentes del citado circuito de gases de combustión no alcanzan el tiempo de vida til previsto. 8or e-emplo los álabes de la turbina de gas presentan frecuentemente fallas antes de cumplir la vida til establecida en el dise7o. tra limitación de estos ciclos es la respuesta de la turbina de gas de acuerdo con las condiciones ambientales. &s', en d'as calurosos la turbina traba-a con menor eficiencia que en los d'as fr'os. "na turbina de gas que se opera con una temperatura ambiente de = @C produce alrededor del !? > más de energ'a el$ctrica que la misma máquina a (= @C. &simismo los climas secos favorecen la eficiencia de estos equipos. 8or estas razones las eficiencias nominales e#presan los resultados de los cálculos de potencia basados en condiciones ambientales normalizadas ;6 0!?@C, !,=!( bar. y F=> de +umedad relativa2. En lo que respecta a la contaminación ambiental, los combustores de ba-a emisión de 5# fueron uno de los más importantes logros en la tecnolog'a de las turbinas de gas. 5o obstante implican la limitación de tener mayor inestabilidad de llama que los de difusión convencionales por la necesidad de usar mezclas airecombustible más pobres. /a oscilación de la llama puede producir vibraciones y ruido inaceptables y además afectar la vida til y la fiabilidad operativa de la turbina de gas.
Figura 3. Vista de una central de ciclo combinado
,. CICLO TERMODINÁMICO DE LAS TURBINAS DE GAS
El modelo termodinámico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de 3rayton, a pesar de que se generaliza como ciclo termodinámico, en realidad el fluido de traba-o no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este finaliza en un estado diferente al que ten'a cuando inició los procesos, se podr'a decir que es un ciclo abierto. /as turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de combustión interna para suministrar calor al fluido de traba-o y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de traba-o. El ciclo básico de 3rayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos •
!%. Compresión isentrópica en un compresor.
•
%(. &dición de calor al fluido de traba-o a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de combustión.
•
(*. E#pansión isentrópica en una turbina.
•
*!. Remoción de calor del fluido de traba-o a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera.
Figura 1. Ciclo termodinámico básico de las turbinas de gas.
En el ciclo 3rayton, el traba-o neto realizado por unidad de masa es la diferencia entre el traba-o obtenido en la e#pansión y el traba-o invertido en la compresión, es decir $net % $t - $c 8ara un gas ideal, el traba-o neto puede escribirse como $net % $t - $c
I el calor de adición por unidad de masa será
&l igual que en el ciclo Ranking, la eficiencia t$rmica del ciclo 3rayton es la relación entre el traba-o neto desarrollado y el calor adicionado
&ter % $net ' qA /a eficiencia t$rmica del ciclo 3rayton para un gas ideal puede escribirse como
En la figura se muestra una representación esquemática del ciclo 3rayton.
Figura 2. Esquema del ciclo básico de las turbinas de gas.
. MODIFICACIONES CICLO BÁSICO EN LAS TURBINAS DE GAS
/a eficiencia t$rmica del ciclo 3rayton ideal depende de la compresión. 6i se aumenta la relación de compresión en el ciclo será necesario suministrar más calor al sistema debido a que las l'neas de presión constante divergen +acia arriba y +acia la derec+a en el diagrama 4s y la temperatura má#ima del ciclo será mayor. Como el calor suministrado es mayor, la eficiencia t$rmica aumentará con el ratio de compresión.
Figura 3. Diagrama T-s de ciclos termodinámicos básicos de las turbinas de gas con diferentes relaciones de compresión.
6in embargo la temperatura má#ima del ciclo está limitada por los materiales en los cuales están construidos los componentes y por lo tanto se requerirán sistemas de refrigeración más eficientes. /a eficiencia del ciclo tambi$n se ve afectada por las p$rdidas en el compresor, en la turbina y en las ca'das de presión en la cámara de combustión y otros pasa-es. 8odemos verlo en el diagrama que representa estas condiciones en el ciclo, disminuyendo en consecuencia la eficiencia del ciclo.
Figura . Diagrama T-s del ciclo termodinámico básico real de las turbinas de gas.
& diferencia del ciclo Ranking, el proceso de compresión para elevar la presión en el ciclo 3rayton requiere un gran consumo de energ'a y gran parte del traba-o producido por la turbina es consumido por el compresor, en un porcenta-e que puede estar entre *=> y H=>. Esta desventa-a frente al ciclo Ranking +ace necesario prestar una mayor atención en el dise7o de turbinas de gas ya que cualquier p$rdida de presión en la cámara de combustión y demás componentes entre el compresor y la turbina debe compensarse con mayor traba-o en el compresor. &dicionalmente, la eficiencia del compresor y la turbina -uegan un papel muy importante, debido a que eficiencias cercanas al F=> en estos componentes ocasionar'an que todo el traba-o producido por la turbina sea consumido por el compresor y por tanto la eficiencia global ser'a cero. Es posible +acer algunas modificaciones al ciclo 3rayton básico para obtener valores más favorables de eficiencia t$rmica y traba-o neto. /as modificaciones que podemos +acer son las siguientes 2.1. C(C)* C*+ E+F,(A(E+* (+E,E/(* /E) A(,E Con este m$todo lo que +acemos comprimir los gases de admisión en dos etapas con una refrigeración intermedia, para sacar parte del calor que +an adquirido en la primera etapa de compresión. /a representación de estos procesos se muestra en la siguiente figura
Figura !. Ciclo "ra#ton con enfriamiento del aire.
De la secuencia anterior, es claro que el traba-o que debe realizar el compresor para elevar la presión desde el estado ! +asta el estado %J sin enfriador, es mayor que el traba-o que deben +acer los compresores con la misma eficiencia para elevar la presión del aire desde el estado ! al % y del estado ( al * con un enfriador de aire intermedio. Esta disminución en el traba-o total de compresión se debe a que las l'neas de presión divergen +acia la derec+a del gráfico 4s. 6e +a demostrado que el traba-o de compresión con enfriador es menor cuando la relación de presiones en las dos etapas es igual 08*K8(2L 08%K8!2 y la temperatura de entrada a la segunda etapa de compresión 04(2 es igual a la temperatura de entrada a la primera etapa de compresión 04!2. &l tener un menor traba-o de compresión, el traba-o neto del ciclo con enfriador será mayor que el traba-o neto del ciclo sin enfriador, siendo $net 0sin enfriado % Cpg 0 4 Cpa 025 1 $net 0con enfriado % Cpg 0 4 Cpa 002 1 6 07 3 Como, Cpa 002 1 6 07 2 8 Cpa 025 1 Entonces, $net 0sin enfriador 8 $net 0con enfriador
8or otro lado, se requiere suministrar una mayor cantidad de calor al ciclo con enfriador para aumentar la temperatura desde 04*2 +asta 0462 que en el ciclo sin enfriador, donde nicamente es necesario elevar la temperatura desde 04%J2 +asta 0462.
Figura $. Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con enfriamiento de aire.
En el diagrama 4s, puede apreciarse que la cantidad de calor adicional agregada al sistema, es mayor que la equivalente en calor del traba-o a+orrado por el compresor cuando traba-a con el enfriador de aire y por lo tanto la eficiencia t$rmica del ciclo con enfriador será menor que sin enfriador. &ter 0sin enfriador 9 & ter 0con enfriador
2.2. C(C)* C*+ ,ECA)E+A(E+* (+E,E/(* /a e#pansión de los gases en el ciclo 3rayton puede configurarse de tal forma que se realice en dos etapas. /a primera e#pansión ocurre en lo que se conoce como turbina de alta presión 0M82 o turbina del compresor 0C42 acoplada al compresor mediante un e-e. 4odo el traba-o desarrollado por la turbina de alta presión es consumido por el compresor. /a segunda e#pansión tiene lugar en la turbina de ba-a presión 0/82 o turbina de potencia 0842 acoplada a un e-e diferente al de la turbina del compresor y produce el traba-o neto aprovec+ado en varias aplicaciones, como para mover el generador. En el ciclo con recalentamiento se instala una segunda cámara de combustión a la salida de la turbina de alta presión para elevar la temperatura de los gases que entran a la turbina de ba-a presión, y como estos gases todav'a son ricos en o#igeno no suele +acer falta un aporte e#tra de comburente. /a representación de estos procesos se muestra en la siguiente secuencia.
Figura %. Ciclo "ra#ton con recalentamiento intermedio.
En la secuencia anterior, se puede observar que el traba-o de compresión es el mismo para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo sin recalentamiento y en consecuencia el traba-o desarrollado por la turbina de alta presión será tambi$n igual para los dos ciclos. 6in embargo, el traba-o desarrollado por la turbina de ba-a presión es claramente mayor para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo sin recalentamiento, debido a que las l'neas de presión divergen +acia la derec+a del diagrama 4s siendo mayor la diferencia entre las temperaturas 04?2 y 04F2 que entre las temperaturas 04*2 y 04*J2. El traba-o neto desarrollado por cada unidad de masa de gas en el ciclo es el traba-o desarrollado por la turbina de ba-a presión e igual a
$net 0sin recalentamiento % Cpg 07- 75 $net 0con recalentamiento % Cpg 0 4
Debido a que 4? N 4F O 4* N 4*J, entonces
$net 0sin recalentamiento 8$net 0con recalentamiento
& pesar de que +ay un incremento en el traba-o neto desarrollado en el ciclo con recalentamiento por cada unidad de masa de gas, una cantidad de calor adicional debe suministrarse al sistema para elevar la temperatura de los gases que salen de la turbina de alta presión.
Figura &. Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con recalentamiento.
En el diagrama 4s, puede apreciarse que la cantidad adicional de calor Cp 046 4*2 suministrada al ciclo con recalentamiento es mayor que el aumento del traba-o neto desarrollado por la turbina y por lo tanto, la eficiencia t$rmica del ciclo con recalentamiento será menor que sin recalentamiento. &ter 0con recalentamiento 9 & ter 0sin recalentamiento
2.3. C(C)* ,E:E+E,A(V* En ocasiones se presenta que la temperatura de los gases a la salida de la turbina en el ciclo 3rayton es mayor que la temperatura del aire a la salida del compresor. El ciclo regenerativo aprovec+a esta diferencia de temperaturas para transferir a un regenerador o intercambiador de calor, energ'a t$rmica de los gases que salen de la turbina, al aire que sale del compresor.
Figura '. Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con regeneración.
En el caso representado en el diagrama 4s, la temperatura 04s2 de los gases que salen de la turbina en el estado ? es mayor que la temperatura 04%2 del aire que sale del compresor en el estado %. En el regenerador, los gases ceden su calor al aire comprimido desde el estado ? +asta el estado F cuando son evacuados a la atmósfera. En el caso ideal, el aire comprimido en el estado % tendrá la misma temperatura de los gases en el estado F y de igual manera la temperatura del aire en el estado ( será la misma que la de los gases en el estado ?. En consecuencia, el calor suministrado en la cámara de combustión será nicamente el necesario para elevar la temperatura de 04(2 a 04*2 y no de 04%2 a 04*2.
El traba-o neto desarrollado en el ciclo regenerativo !%(*?F, es el mismo que en el ciclo 3rayton simple !%*! ya que le traba-o realizado por el compresor y el traba-o producido por la turbina no var'a en los dos casos. 6in embargo, al requerirse un menor calor de adición para elevar la temperatura al valor má#imo del ciclo 04*2, se obtendrán eficiencias t$rmicas más favorables para el ciclo regenerativo. 6iendo & ter% $net ' qA $net 0con regeneraci"n % $net 0sin regeneraci"n qA 0con regeneraci"n 8 qA 0sin regeneraci"n
Entonces &ter 0sin regeneraci"n 9 & ter 0con regeneraci"n En el caso ideal, se considera que una diferencial infinitesimal en la diferencia de temperatura es suficiente para que el calor fluya en el regenerador de los gases que salen de la turbina al aire que sale del compresor. En el caso real, se requiere más que una diferencia infinitesimal y por lo tanto no se puede
decir que 04(2 es igual a 04?2, ni que 04%2 es igual a 04F2. /a diferencia de temperaturas 04( N 4#2 requerida por el regenerador para transferir energ'a t$rmica de un fluido al otro define su eficiencia
6i el flu-o másico y los calores espec'ficos del aire y el gas se suponen similares, es decir, ma P mb y CpaP Cpg, entonces ® % 0# 2' 0-2 Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas 04( N 4#2, menor será la diferencia 04# N 4%2 y en consecuencia la eficiencia del regenerador será menor. /a selección del regenerador o intercambiador de calor debe ser un e-ercicio cuidadoso ya que la eficiencia de $ste puede me-orarse aumentando el área de transferencia y en consecuencia la ca'da de presión será mayor per-udicando la eficiencia t$rmica del ciclo.
EL CICLO RANINE
El ciclo que sigue el ciclo de vapor en las centrales de ciclo combinado corresponde al llamado Ciclo de ,an;ine y es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolución se produzcan cambios de fase. De forma simplificada, y para el ciclo básico, la evolución del fluido sigue las siguientes etapas !.
"na etapa de e#pansión del fluido en fase vapor, realizada en una máquina t$rmica denominada turbina de vapor y lo más isentrópica posible.
%.
& la salida de la turbina de vapor, una cesión de calor residual del vapor a presión constante en un dispositivo llamado condensador. En este dispositivo se realiza la condensación total del mismo y su paso a fase l'quida.
(.
"na o varias etapas de elevación de la presión del fluido. El proceso se realiza con el fluido en fase l'quida, con bombas y fuera de la zona de cambio de fase. )sta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la má#ima eficiencia ser'a necesario realizar la compresión de un fluido bifásico, con la dificultad tecnológica que ello conlleva.
*.
"na etapa de aportación de calor a presión constante, que en los ciclos combinados se +ace en la caldera de recuperación de calor por los gases de escape de la turbina de gas. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo en fase l'quida, un proceso de cambio de fase y una elevación posterior de la temperatura del vapor en lo que se denomina sobrecalentador, motivada por la
necesidad de disminuir la +umedad en el vapor en las ltimas etapas de e#pansión de la turbina. Esto ltimo constituye la segunda particularidad del ciclo de Ranking y otra diferencia fundamental con el ciclo de Carnot.
Figura 1. Ciclo básico de una turbina de vapor
El fluido motor empleado suele ser agua desmineralizada, fundamentalmente por su facilidad de mane-o, reposición y abundancia, aunque conceptualmente no es el nico y podr'an emplearse otros fluidos tales como mercurio o fluidos orgánicos.
ELEMENTOS CONSTITUYENTES DEL CICLO AGUAVAPOR
& continuación se detalla el recorrido del aguavapor una vez sale de la turbina de vapor +asta que vuelve a entrar a la caldera de recuperación de calor, detallando por los elemento donde circula y lo que realiza en ellos. /os pasos que sigue el fluido en esta parte son los siguientes, podemos guiarnos por la figura %
Figura 2. Esquema del funcionamiento del Ciclo Agua-Vapor
!.
Condensador 0< Es un intercambiador de calor formado por multitud de tubos, a trav$s de los cuales circula el fluido refrigerante normalmente agua, su función es condensar el vapor que sale de la turbina de vapor, tambi$n se aprovec+a en este punto para eliminar gases incondesables y nocivos ya que algunos son muy corrosivos como el o#'geno, se eliminan por m$todos f'sico o qu'micos como la +idracina. /os tubos del condensador deben estar especialmente preparados ya que van a traba-ar en unas condiciones muy duras, donde se producirán depósitos que podr'an atascarlos o reducir sus propiedades para el intercambio t$rmico, tambi$n están e#puestos a agentes biológicos. /os tubos deben estar firmemente fi-ados para poder resistir las vibraciones provocadas por las vibraciones que provocan las altas velocidades del vapor al entrar en el intercambiador.
%.
=ombas de condensado 013 son las encargadas de enviar el agua condensada en el condensador al depósito de agua de alimentación.
(.
anque de alimentaci"n > /esgasificador 011 Es el depósito donde almacenamos el agua de alimentación que ira a la caldera para convertirse en vapor y despu$s ser conducido a la turbina de gas. El tanque tambi$n puede llevar acoplado un desgasificador ya que aprovec+amos para eliminar los restos de o#'geno que no +emos podido quitar en el condensador, para eliminar el o#'geno calentamos el agua que +ay en el depósito por medio de vapor que +a sido e#tra'do de la turbina de vapor.
*.
=ombas de alimentaci"n 012 son las encargadas de enviar el agua desde el tanque de alimentación al economizador, para que as' vuelva a empezar el ciclo.
5ormalmente en los ciclos combinados +ay tres etapas de e#pansión en el lado de la turbina de vapor, están son de alta, media y ba-a presión, a continuación se pueden ver en la figura (.
Figura 3. Eemplo t!pico de un ciclo combinado
En este sistema +ay ( turbinas de vapor para cada uno de los niveles de presión y ( calderines, con sus correspondientes sistemas de bombeo y calentamiento, e#istiendo un solo tanque de alimentación desgasificador donde van a parar todos los condensados de las turbinas.
L !u")%n 'e /s
/a turbina de gas, para el caso de un ciclo combinado gasvapor, es un motor de combustión interna que transforma en energ'a mecánica la energ'a de combustión de un gas o de un l'quido, y que sigue como ciclo termodinámico el ciclo 3rayton, tal y como se describió en el te#to dedicado a los fundamentos.
En las turbinas de gas empleadas en los ciclos combinados, en la versión más sencilla, el aire se filtra, se comprime en el compresor y se introduce como comburente en la cámara de combustión. &simismo, parte del aire comprimido se emplea para la refrigeración de partes calientes de la cámara de combustión y de las primeras etapas de la turbina de gas. /os gases resultantes de la combustión ceden parte de su energ'a en las ruedas de la turbina transformando la energ'a asociada a la presión, temperatura y velocidad de la corriente de gases en energ'a mecánica en el e-e. /a má#ima temperatura admisible por los gases tanto en la cámara de combustión como a la entrada de la primera rueda está limitada por consideraciones de resistencia t$rmica y mecánica de los materiales empleados. En el escape de la turbina los gases llevan una considerable energ'a 0apro#imadamente el F=> de la energ'a aportada en forma de combustible2 que se recupera en su mayor parte en la caldera de recuperación de calor.
L !u")%n 'e 01("
Ciclo de trabao > equipos principales en un ciclo de ,an;ine de una central de ciclo combinado gas-vapor /a turbina de vapor para el caso de un ciclo combinado gasvapor es el elemento principal de un motor de combustión e#terna que sigue como ciclo termodinámico el ciclo de Rankine, tal y como se describió en el te#to dedicado a los fundamentos termodinámicos. En las turbinas de vapor empleadas en los ciclos combinados, en su configuración más sencilla, el vapor a alta presión generado en la caldera de recuperación de calor se e#pande en los cuerpos de la turbina +asta la presión de condensación. /a energ'a del vapor no aprovec+able en forma de energ'a mecánica en el proceso de e#pansión se cede en parte al foco fr'o en el condensador, donde el vapor de agua se transforma en agua l'quida y as' facilitar el proceso de elevación de presión posterior. & la salida del condensador, una o dos etapas de bombeo se encargan de elevar la presión del agua desde el pozo de condensado +asta la caldera de recuperación de calor, donde se produce el calentamiento, vaporización del agua y sobrecalentamiento del vapor a presión constante. & la salida de la caldera, el vapor producido se introduce en la turbina de vapor, repitiendo de nuevo los procesos ya descritos. /as turbinas de vapor empleadas en los ciclos combinados son en esencia similares a las empleadas en centrales convencionales, aunque presentan ciertas particularidades espec'ficas. 8ara concluir esta breve descripción de los elementos constitutivos necesarios para efectuar el ciclo de Rankine, en la mayor'a de las centrales de ciclo combinado gasvapor e#iste, como parte del equipo básico, un cambiador de calor de mezcla denominado desgasificador. Este cambiador se instala no tanto con el ob-etivo de calentar el agua a la entrada del economizador como para eliminar los gases disueltos en el agua y evitar fenómenos de corrosión en los tubos de la caldera.
L &#'e" 'e "e&u1e"&%+n 'e &#("
/a caldera de recuperación de calor en un ciclo combinado es el elemento que aprovec+a la energ'a de los gases de escape de la turbina de gas transformándola en vapor. Con posterioridad, ese vapor puede transformarse en electricidad en el turbogrupo, ser utilizando directamente 0en todo o en parte2 en procesos industriales o bien emplearse en la producción de calor en sistemas de calefacción centralizados. /as calderas de recuperación de calor 0Meat Recovery 6team Qenerator o M.R.6.Q. sus siglas en ingles2 pueden clasificarse segn sean calderas con o sin postcombustión y a su vez, cada una de ellas, atendiendo a su configuración geom$trica, en calderas +orizontales o verticales. Calderas de recuperaci"n de calor con > sin postcombusti"n /a caldera sin postcombustión es el tipo más comn de caldera utilizada en los ciclos combinados. Esencialmente es un intercambiador de calor en el que se transfiere el calor de los gases al circuito agua vapor por convección En lo que se refiere a las calderas con postcombustión, aunque pueden construirse calderas de recuperación con quemadores y aporte de aire adicional, las modificaciones constructivas normalmente se limitan a la instalación de quemadores en el conducto de gases a la entrada de la caldera. Ello permite que se pueda utilizar el e#ceso de o#'geno de los gases de escape de la turbina, sin sobrepasar temperaturas admisibles para la placa de protección interna del aislamiento 0temperaturas inferiores a H==@C2 y sin modificar, de forma importante, la distribución de superficies de intercambio de la caldera sin postcombustión. Estas calderas normalmente llevan atemperadores de agua pulverizada para regular la temperatura del vapor.
La Función del Ciclo Agua-Vapor Sed en omi n ac i c l oa gu av a po ra lc o nj u nt od ee qu i p os ,t u be r í a s yel e me nt o se nc a r g ad os d el ac on du cc i ónd ela gu ayel v a po re nt r ee lg en er ad ord ev a po rh a s t al at u r b i n ad ev a po r yv i c ev er s a.
Laf unc i óndel c i c l oaguav aporespuest r ans por t arener gí aenf or madepo t enc i al( v apora u nac i e r t ap r e s i ó nyt e mp er a t u r a )d e s d ee ll u g ard on des eg en er aydo nd ea ume nt as u n i v e le ne r gé t i c oh as t al amá qu i n ac on su mi d or ad ee sae ne r g í a,l at u r b i n ad ev a po r .L a t r ans f or mac i ó ndel aener gí apo t e nc i alc on t en i daenelv aporenener gí ame cán i c ar o t at i v a s u p on el af u en t ed eg en er a c i ó nd emá sd el6 0% d el ae ne r g í ae l é c t r i c aq ues ec o n s ume enelmundo. L au t i l i z ac i ó nd el ag uac omofl ui doc a l o po r t a do rs eba sae nt r eo t r a sr a zo ne s,e nq uee su n fl u i d ob ar a t o ,a b un da nt e yp er f e c t a me nt ec o no c i d o,d ef o r ma q ue e sp os i b l ec o nt r o l a r per f ec t ament es ut emper at ur aypr es i ón.Lospr i nc i p al e si nc on v eni ent eses t ánenl asal t as p r e si on esn ec es ar i a sp ar ae lma nej od ev a po ra a l t at e mp er a t u r a ye le s t r i c t oc on t r o l q uí mi c oaq ue e sn ec e s ar i os o me t e r l op ar ae v i t a rc or r o s i o ne se i n c r u s t a c i o ne se nl o s me t a l e sq uec o mp on enl o se qu i p osde lc i c l oa gu av a po r . L an ec e s i d add ec o nd en s ac i ó nd elv a po ru nav e zu t i l i z a dop ar ac o nv e r t i r l od en ue v oe n a gu ae st ámo t i v a dopr i n ci p al me nt epo rdo sr a zon es :
•
•
L ad i s mi n uc i ó nd ep r e s i ó ne ne lc o nd en s ad orq ueo r i g i n al ac o nd en s ac i ó n,yqu e hac eaument arel s al t odepr es i ónent r el aent r adayl as al i dadel at ur bi na La necesi dad de aument arl a pr esi ón delvapornuev ament e.Elaument o de p r e s i ó ne smá sec o nó mi c oenf o r madea gu al í q ui d a.
ELVAPORDEAGUA ENLAI NDUSTRI A Elvapores uno de l os flui dos más comúnment e ut i l i zados par a cal ent arequi pos o i n s t a l a ci o ne s e n c u al qu i e rt i p o d e i nd us t r i a :q uí mi c a, pe t r o qu í mi c a, a l i me nt a ci ó n, f a r ma cé ut i c a,e np r o ce so sd ec omoe ld ep r od uc c i ó nd ep ap el ,l a v an de r í a ,h umi di fi c ac i óny ent odosaquel l ospr oc es osenl osques er equi er at r ans por t arc al oracor t asdi s t anc i as . Las r azones porl as que se usa vaporcomo flui do t r anspor t adorde ener gí a son l as s i gui ent es :
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L a pr o du cc i ó n de v a po re su np r o ce so s en ci l l o :b as t ac al e nt a r l op orc u al qu i e r me di o .Par ao bt e ne rv a po rap r e si ó nb as t aañ ad i ru nav á l v ul aqu el i mi t ee lc au da lde s al i d a,d ef or maqu el ac an t i d addev ap org en er a dos eame no rq ueel v a po rqu ed ej al a c al der a. No necesi t a bombas par a sert r anspor t ado desde elgener adorde vaporen adel ant e . Noescombus t i bl e,yporl ot ant o,t i enepel i gr odei nc endi o. Esunfl u i d omu yc o no c i d oyme di a nt ev á l v u l a se sp os i b l ec o nt r o l a rd ef o r mamu y pr ec i s al apr es i ónyl at emper at ur aenc ual qui erpunt odel ai ns t al ac i ón. Aa l t ap r e s i ó na l ma c en ag r a nc a nt i d add ee ne r g í ae nf o r mad ee ne r g í ap ot e nc i a l , q ue p ue de t r a ns f o r ma r s ec o nf a c i l i d ad e ne ne r g í ac i n ét i c ap r i me r o ye ne ne r g í a mec áni c ades pués .Es epot enc i alener gé t i c opuedes erut i l i z adopar apr oduc i rt r abaj o ent ur bi nas( pr oduc i rener gí ael éc t r i c a)obo mbas( pr odu ci rener gí amec áni c a) . Elv a po rt i e neu ne l e v a doc a l o re s pe c í fi c o .Elc a l o re s pe c í fi c oe su nama gn i t u d f í s i c aq ues ed efi nec omol ac an t i d add ec a l o rq ueh ayques umi n i s t r a ral au ni d add e masade una sust anci apar ael evarsut emper at ur aen una uni dad ( un Kel vi noun gr adoCel s i us ) .Engener al ,elv al ordelc al ores pec í fi c odependededi c hat emper at ur a i ni c i al .
Co mo e lc a l o re s pe c í fi c ov a r i ac o nl ap r e s i ó n yc o nl at e mp er a t u r a ,h a bi t u al me nt es e p r e fie r e ele mp l e od el ae nt al p í ad elv a po rpar ar e al i z arc á l c ul o st e r mo di n ámi c os .L a e nt a l p i as ed efi n ec o mol ac a n t i d add ee ne r g í ad eu ns i s t e mat e r mo di n ámi c oq ueé s t e p ue dei n t er c amb i a rc ons ue nt o r n o,s uuni da dmá sha bi t u al e sel KJ / Kgys er e pr e se nt apo r l al e t r a H.L ae nt a l pí ad elv a po rpu ed ee nc on t r a r s ef á ci l me nt ee nt a bl a s.T en i e nd oe n c ue nt aquel aen t a l p í adel v a po ra31 4º Ce sd e2 . 7 18, 9 8KJ / Kg ,yl adel v a po ra38 0º Ce s
d e30 29, 1 2KJ / Kg ,e sp os i b l ec al c ul a rf á ci l men t ec ua nt ae ne r gí a( KJ )e sn ec es ar i ap ar a el evaruna det er mi nada masa o caudalde vapordesde una t emper at ur a al a ot r a.Si q ui s i é r a mo se l e v a ru nc au da ld e5 4Kg / sdev a po ra3 14º Ch as t a3 80º Cs e r í an ec e s ar i o el s i gui ent efl uj odeener gí a: Fl uj odeEn er g í a( KJ / s )=5 4x( 3 . 0 29 , 14 —2 . 7 18 , 9 8)=1 6. 9 13KJ / s Ol oqu ee sl omi s mo ,t e ni e nd oe nc u e nt aqu eKJ / s=KW xs/ s=KW,e ls o b r e c a l e nt a do r d ev a po rd eb er í at e ne ru nap ot e nc i at é r mi c ad e1 6. 9 00KW.
•
Ti en eu ne x c el e nt ec o efi c i e nt edet r a ns f e r e nc i at é r mi c a( 2 , 3a2 , 9k W/ m²° C) .O s ea,r es ul t af ác i l queel v aporc edael c al orquet r ans por t aenunpunt omásf r í o. Medi ant el osequi posnec es ar i ospued es erut i l i z adopar apr oduc i rv ac í o.
•
INDICE COMPLETO DEL CURSO CICLO AUA-VAPOR EN CENTRALES TERMOEL!CTRICAS E) VA?*, C** F)@(/* CA)*?*,A/*, •
El vapor en la industria
•
Calor sensible y calor latente
•
4ipos de vapor o
o
o
E) C(C)* ,A+(+E •
8rocesos del ciclo rankine
•
Conceptos básicos de termodinámica o
Diagrama termodinámicos
o
Diagrama presión temperatura
o
Diagrama temperaturavolumen espec'fico
o
Diagrama presiónvolumen espec'fico
o
Diagrama 8<4 tridimensional
o
Diagrama temperaturaentrop'a
o
Diagrama entalp'aentrop'a
•
Entrop'a, energ'a y temperatura en un ciclo rankine
•
Diagrama ts del ciclo rankine o
Ciclo Rankine simple
o
6obrecalentamiento
o
Recalentamiento
o
Regeneración
o
8$rdidas
•
Ciclo rankine completo
•
Ciclo rankine en una central termosolar ccp
E) C(C)* A:@A-VA?*, E+ CE+,A)EB E,*B*)A,EB •
Esquema general del ciclo aguavapor
•
El inicio del ciclo el condensado
•
El tanque de agua de alimentación
•
/as bombas de agua de alimentación
•
El tren de generación de vapor
•
<álvulas de bypass
•
4urbina de vapor de alta presión
•
Circuito de ba-a presión el recalentador
•
/a turbina de vapor de ba-a presión
•
El condensador
•
Resumen de los principales equipos del ciclo aguavapor
E) C*+/E+BA/*, •
/a función del condensador
•
4ipos de condensadores
•
8rincipales partes del condensador
•
/a ubicación del condensador
•
El sistema de limpieza en continuo del condensador
•
El aporte de agua al condensador
•
El sistema de vac'o o
3ombas de anillo l'quido
o
Eyectores
E) C(,C@(* /E C*+/E+BA/* •
El sistema de condensado
•
/as bombas de condensado
•
:iltros
•
El condensador del vapor de sellos o
/a función del condensador del vapor de sellos
o
/a necesidad del vapor de sellos
•
/os precalentadores de ba-a presión
•
8recalentadores de alta presión
•
tros consumidores de condensado
E) A+@E /E A:@A /E A)(E+AC(D+ •
/a función del tanque de agua de alimentación
•
8rincipales elementos del tanque de agua de alimentación
•
El desaireador o desgasificador
•
Entradas y salidas del tanque de agua de alimentación
=*=AB /E A)(E+AC(D+ /E A)A ?,EB(D+ •
:unción de las bombas de alta presión
•
4ipo de bomba
•
4ipo de motor
•
8arámetros caracter'sticos o
Caudal
o
586M requerido
o
4ipo de bomba
o
5@ de etapas
o
4ipo de motor
o
4ensión de alimentación
o
4ipo de regulación
o
4ipo de cierre
o
8otencia el$ctrica o potencia t$rmica
o
8otencia +idráulica
o
<ura manom$trica, o presión en la descarga
o
Rendimiento o eficiencia
o
Curva caracter'stica Configuración
•
E) ,E+ /E :E+E,AC(D+ /E VA?*, •
El ciclo rankine
•
Equipos que forman parte del tren de generación de vapor
•
Configuración del tren de generación de vapor
•
Reparto de fluido
•
El economizador
•
Evaporador
•
El sobrecalentador
•
Recalentador
•
V)V@)AB /E =-?ABB /E @,=(+A •
/a función de la válvula de bypass
•
8artes de un con-unto bypass o
<álvula de corte
o
&ctuador +idráulico de la válvula de regulación
o
4uber'a de entrada de vapor
o
<ástago
o
bturador
o
&siento
o
/aberintos
o
<álvula de control de agua de atemperación
o
&temperadores
o
4uber'a de salida
o
Dump tube
o
Drena-es
o
Qrupo +idráulico
o
;nstrumentación
•
8arámetros caracter'sticos de una válvula de bypass
•
:uncionamiento en modo bypass en transitorios o
El bypass durante el arranque fr'o
o
El bypass durante el arranque templado
o
El bypass durante el arranque caliente
o
Rec+azo de carga y rearranque rápido
o
8arada de emergencia de la turbina
o
3a-ada rápida de carga /azos de control de presión y temperatura
•
o
Control de presión de bypass de turbina de alta presión
o
Control de temperatura de atemperación de bypass &.8.
o
Control de presión de bypass de turbina de ba-a presión
o
Control de temperatura de atemperación de bypass 3.8.
(+B,@E+AC(D+ /E) C(C)* A:@A-VA?*,
•
9ediciones de temperatura
•
9ediciones de presión
•
9ediciones de caudal
•
9edición de nivel
•
9edición de variables qu'micas
•
/a importancia de la calibración periódica
E) C*+,*) /E) C(C)* A:@A-VA?*, •
El sistema de control
•
/a arquitectura del sistema y el prot. De comunicación &larmas y disparos
•
•
El lazo de control del evaporador
•
/azo de nivel del tanque de agua de alimentación
•
/azo de control de nivel del condensador
•
/azo de los bypass de la turbina de alta y ba-a presión
•
Control de presión de la l'nea de vapor sobrecalentado
•
Control de presión deslizante
•
Control por potencia en el generador
•
/azo de temperatura de vapor sobrecalentado
•
Control de conductividad del evaporador
•
tros lazos
B(BEAB A@G()(A,EB 0=*? 6istema de refrigeración principal
•
o
Circuito abierto
o
Circuito semiabierto con torre de refrigeración
o
Circuito cerrado, con aerocondensador
•
6istema de refrigeración de equipos
•
8lanta de tratamiento de agua 0pta2
•
8lanta de tratamiento de efluentes
•
6istema de aire comprimido
•
6istema contraincendios
El Ciclo Agua - Vapor 5D;CE !. :"5C;S5 DE/ C;C/ &Q"&<&8R. %. 8R;5C;8&/E6 E/E9E546 DE/ C;C/ &Q"&<&8R.
!. :"5C;S5 DE/ C;C/ &Q"&<&8R.
/a principal función del ciclo aguavapor es transportar vapor desde el tren generador +asta la turbina de vapor, y retornar +asta la caldera el agua condensada. 6e utiliza vapor como fluido calorportador principalmente porque es un fluido barato y accesible en casi cualquier parte, es posible a-ustar con gran precisión su temperatura, por la relación e#istente entre presión y temperatura, controlando $sta a trav$s de válvulas reguladoras, es capaz de transportar grandes cantidades de energ'a con poca masa y es capaz de realizar ese transporte a cierta distancia, entre los puntos de generación y consumo. /os principales inconvenientes de usar vapor de agua son, sus altas presiones, necesita de un tratamiento muy estricto para que no sea corrosivo ni produzca incrustaciones y es necesario un gran volumen. 4abla !. 8arámetros caracter'sticos de una planta termosolar de ?= 9T.
%. 8R;5C;8&/E6 E/E9E546 DE/ C;C/ &Q"&<&8R.
%.! <álvulas de bypass. 6on dos, de alta presión y de ba-a presión, su función es simular a la turbina, ya que a la salida de estas debe +aber la misma presión y temperatura que si el vapor +ubiera atravesado la turbina, para a-ustar la presión se ayudan de una e#pansión, pero la temperatura es más alta por ello deben tener un atemperador, tambi$n deben evacuar todo el caudal de forma constante, el a-uste de estas válvulas es muy sensible, debe estar coordinado con la válvula de admisión a la turbina, el commissioning de esta válvula es muy delicado.
Figura 1. /ocalización de las válvulas de bypass. %.% El condensador. Esta situado a la salida de la turbina de vapor de ba-a presión su función principal es condensar el vapor, tambi$n se aprovec+a en este punto para eliminar gases incondesables y nocivos ya que algunos son muy corrosivos como el o#'geno, se eliminan por m$todos f'sico o qu'micos. /a turbina va unida al condensador a trav$s de una -unta de e#pansión, además el condensador esta protegido contra las sobre presiones con sus correspondientes válvulas, tambi$n tiene protección catódica para evitar su corrosión. E#isten diferentes configuraciones de salida de la turbina al condensador pueden ser en dirección a#ial o radial, segn la salida del vapor sea en la dirección del e-e o en la dirección radial, la principales venta-as de la salida a#ial son una menor altura de cimentación y más eficiencia, su inconveniente es la dificultad para el acceso a uno de los co-inetes. 6i la salida es radial su principal venta-a es la facilidad constructiva y sus inconvenientes son la gran altura de la cimentación y el mayor coste de la obra civil. /os gases condensables son el 11 > del total, para su condensación se emplea agua fr'a que se +ace pasar por un +az tubular del condensador, a una temperatura menor que la temperatura de saturación. 8ara la eliminación de los gases incondensables que son el otro !> se utilizan dos sistemas o bien bombas de vac'o el$ctricas, que pueden ser de lóbulos rotativos, anillo l'quido o de pistón oscilante y tambi$n se pueden utilizar eyectores de vapor. /os eyectores de vapor se basan en el principio de 3ernouilli y su principal venta-a es que son simples.
Figura 2. El condensador.
Figura 3. 3omba de lóbulos rotativos
Figura 7. 3omba de vac'o de anillo l'quido.
:igura ?. Eyector de vapor.
%.( E#tracciones de la turbina. En la turbina e#isten diferentes tomas por donde se saca vapor para ser usado principalmente en el condensador y en el desgasificador para eliminar los gases incondensables y para precalentar el agua. Dependiendo de la zona de la turbina de donde se saque el vapor este tendrá unos valores de presión y temperatura determinados.
:igura F. E#tracciones de la turbina. %.* 8recalentadores. 6on intercambiadores de carcasatubos, en forma de ", su función es precalentar el agua del desgasificador, lo precalientan por medio del vapor que se e#trae de las turbinas. %.? El desgasificador. 6u función consiste en eliminar los gases que no +a sido posible eliminar en el condensador, principalmente o#igeno y dió#ido de carbono, lo +ace por medio de una desgasificación t$rmica, complementaria de la desgasificación del condensador, de la adición de productos secuestrantes de o#igeno y tambi$n se encarga de precalentar el agua aprovec+ando la desgasificación t$rmica. /a desgasificación t$rmica es más efectiva que la desgasificación qu'mica, que tambi$n se realiza en el condensador, se basa en que el o#'geno es menos soluble en el agua caliente, por lo que al aumentar la temperatura se desprende, algunas plantas no tienen este elemento, la desgasificación se realiza en el condensador, para ello el condensador esta equipado con unas boquillas en el fondo para calentar el agua con vapor procedente de la l'nea de vapor vivo.
:igura G.Desgasificador. %.F 3ombas de alimentación a la caldera. 6on las bombas encargadas de impulsar el agua desde el deposito de agua de alimentación a la caldera, elevando su presión a la de traba-o. 5ormalmente son bombas centr'fugas multietapa, varias bombas centrifugas en serie, y generalmente están duplicadas como medida de seguridad. El principal problema que pueden sufrir estas bombas es el de la cavitación, ya que cuando la presión ba-a el l'quido puede vaporizarse, las burbu-as formadas en la aspiración de la bomba crecen y e#plotan, provocando cráteres, vibraciones, y un desgaste acelerado de la voluta y del rodete, para evitar la cavitación, +ay que asegurar que el 586M 0altura m'nima de aspiración2 sea el correcto, tambi$n +ay que asegurar que la entrada de l'quido no está estrangulada y es suficiente.
:igura H. 3omba de alimentación. %.G 3ombas de condensado. 6on las bombas encargadas de enviar el agua condensada del condensador al depósito de agua de alimentación
Func i onami ent odel c i c l oc ombi nadoenc ent r al es t ér mi c as 2 0 1 1 0 7 1 4 Funci onami ent odelci cl ocombi nadoenl ascent r al est ér mi cas El p r o ce s od eg en er a ci óndee ner g í ame di a nt eel c i c l oco mb i n ad os eba s ae nl aut i l i z ac i ó nd eu na t u r b i n ad eg as ,u nat u r b i nad ev a po ryu nac al d er ad er e cu pe r a ci ó n. El c i c l ot ér mi c odel c i r c ui t oaguav aporc omi enz ac onl aas pi r ac i óndel ai r edes deel e xt er i or ,el c ual esc onduc i doal c ompr e sordel at ur bi nadegasat r a vé sd eunosfi l t r os .Pos t er i or ment eel ai r ese c o mp r i meys ec omb i n ac o ne lc o mb us t i b l eenun ac á ma r ado nd es er e al i z al ac omb us t i ó n, p r o du ci e nd ou nfl u j od eg as e sc al i e nt e sq uea le x pa nd i r s eh ac eng i r a rl at u r b i n ad eg as .Me di an t ee l gener ado ra copl ad oal ej ecomúns ec on vi er t ees t et r abaj oenen er gí ael éc t r i c a. L osg as esqu es al e nd el at u r b i n ad eg asp as anal ac al d er ader e c upe r a ci ó nd ec al o r .Enes t as e e x t r a ee lc al o rd el o sg as espr o du c i e nd ov a po rd ea gu aap r e si ó np ar al at u r b i n ad ev a po r .Pa r a fi na l me nt ed ev o l v e rl o sg as esal aat mó sf e r a . El v a po rq ues al ed el at u r b i n ad ev a po r ,p as ap oru nc o nd en s ad ord on des et r a ns f o r maenag ua . Po st er i o r me nt eel ag uapr od uc i d ap ore lc o nde ns ado re sbo mb ea daaa l t apr e si ó nh as t al ac al d er a der ec uper ac i ónpar ai ni c i arnue v ament eel c i c l o.
Enl as i g ui e nt ei ma ge ns emu es t r ael d i ag r a mabá si c ode lc i c l oc omb i n ad o;
Tur bi nadeVapor Enes t at ur bi nas et r ans f or mal aener gí adel v aporenener gí ac i nét i c adel r ot or .Lat ur bi naes t á f o r mad ap oru nase r i edev ál v ul a sfi j a symó vi l e sat r a v ésdel o sc ua l e ss ee x pa nd ee lv a po ryha ce gi r arel r ot ordel at ur b i na. 1.)Generador 2.)Entrada a turbina de Alta Presión (AP) 3.)Entrada a caldera de recuperación 4.)Entrada a turbina de Media y Baja Presión (MPBP) !.)"alida a caldera de recuperación #.)"alida del condensador
L at u r b i n ad ev a po re smá sr o bus t aqu el at u r b i n ad eg as ,y aq uel ap r e si ó nd el v a po ral ae nt r a da del at ur bi naesmá sal t aquel apr es i óndeent r adadel gas .Noobs t ant el ar ef r i ger ac i óndel at ur bi na n oe sn ec e s ar i ap or q uel at e mp er a t u r ad el v a po re sme no rq uel at e mp er a t u r ad el g as . El v a po rp r o du ci d oe ne lg en er a do rd ev a po rd ea l t ap r e si ó np as aal at u r b i n ad ea l t ad on des e e x pa nd e,ac on t i n ua ci ó nv ue l v eal ac al de r ader e cu pe r a ci ónypa s aal at u r b i n ad eme di ado nd e t a mb i é ns ee x pa nd e.Al as al i d ad el at u r b i n ad eme di ap r e si ó n,e lv a po rp as aal at u r b i n ad eb aj a pr es i óndondes er eal i z al aúl t i mae xpans i ónhas t aunapr es i óni nf er i oral aat mos f ér i c a.Al as al i da d el at u r b i n ad eb aj a ,e lv a po rp as ad i r e ct a me nt eal c on de ns ad ord on des ee nf r í a .Ene st ep un t oe l a gu av ue l v eae mp ez arel c i c l oat r a v ésdel ac al d er ad er e cu pe r a c i ó n. L at u r b i n ad eg asyl at u r b i n ad ev a po re s t á na c op l a da sau nmi s moge ne r a do rme di a nt eun embr a gueh i dr ául i c o,es t adi s pos i c i ónper mi t eel f unc i onami ent oi ndep endi ent edel at ur bi nadeg as .
T ur bi nadega s Lat ur bi nad eg asc ons t i t uy eeln úc l eodel ac ent r al dec i c l oc ombi nado.Set r at adeunat ur bi nade c ombus t i óni nt er naqueut i l i z aelgasnat ur al c omocombus t i bl epr i nc i pal .
1.)Generador 2.)$o%presor 3.)&urbina AP 4.)&urbina BP !.)Entrada aire #.)'ue%adores .)"alida de ases de co%bustión
Lat ur bi nad eg asc ons t i t uy eeln úc l eodel ac ent r al dec i c l oc ombi nado.Set r at adeunat ur bi nade c ombus t i óni nt er naqueut i l i z aelgasnat ur al c omocombus t i bl epr i nc i pal . L ac o mb us t i ó ns er e al i z ae nd osan i l l o sq ue ma do r e s ,d ef o r maq uel o sp r o du c t o sd ec o mb us t i ó nd el p r i me r oc on s t i t u y enel a i r edeco mb us t i ó nd el s eg un do .Es t at é cn i c a,c o no ci d ac omoco mb us t i ó n s ec ue nc i a l ,p er mi t emi n i mi z arl aemi s i ó nd ep r o du ct o sc ont a mi n ant e s. El mododef un ci onami ent odel at ur bi n adegass ebas aenel pr i nc i pi odelc i c l oBr a yt on.Enelc ual e la i r ec o mp r i mi d os eme z c l ac o ne lc o mb us t i b l eys ep r o du c el ac o mb us t i ó ne nc o nd i c i o ne sd e p r e si ó nc on st a nt e.L osga se sc al i e nt e s,p r od uc i d ospo rl ac omb us t i ón ,s ee x pan de nat r a v ésdeu na t u r b i n a,p r o v oc an doel mo v i mi e nt odel ami s mayl ac on s ec ue nt ege ner a ci ó nd ee ne r g í a .Del a ener gí age ner ada,apr o xi ma dament e2/ 3seut i l i z apar ac ompr i mi rel ai r ey1/ 3quedadi s poni bl epar a pr oduc i rener gí ael éc t r i c a. *na turbina de as si%ple consta de tres secciones principales+ Compresor: El co%presor consta de 22 etapas y es de tipo a,ial. Est- or%ado por una serie de /-l/ulas ijas y %ó/iles a tra/0s d e las cuales se co%pri%e el aire des de la presión at%os0rica (. bar) asta la presión ópti%a para la co%bustión (2 bar).
El aire co%pri%ido se utili5a principal%ente co%o co%burente en la co%bustión y una parte %uy pe6ue7a se utili5a para rerierar alunas partes de la turbina de alta presión de la turbina de as.
Cámar adecombust i ón:Enes t az on as eme z c l ael c o mb us t i b l ec o ne la i r ec omp r i mi d oys e p r o du c el ac o mb us t i ó n.Ene li n t e r i o rd el ac á ma r ad ec o mb us t i ó ne nc o nt r a mo sl o sq ue ma do r e s , d i s p ue s t o sendo san i l l o sde24qu ema do r e sc ad au no .Eld i s e ñoydi s p os i c i ó nd el o squ ema do r e s e sd ev i t a li mp or t a nc i ap ar at e ne ru nabue nac o mb us t i ó nymi n i mi z arl a se mi s i o nes . T ur bi na : Lat ur bi nac ons t ad edi f er ent eset apasdev ál v ul asfi j asymóv i l e sat r a vé sd el a sc ual ess e e x pa nd enl o sga s esge ne r a do senl ac omb us t i ó nypr o v oc a nl ar o t a ci ó nd el ej ede lmo t o r . Cal der ader ecuper aci ón L osg as e sg en er a do se nl ac o mb us t i ó ns a l e nd el at u r b i n ad eg asat e mp er a t u r a ss u pe r i o r e sa 6 00 º C,Es t eh ec h os ea pr o v e c hap ar ar e c up er a re s t ae ne r g í ae nl ac a l d er ad er e c up er a c i ó np ar a pr o duc i rv aporques eut i l i z ar ác omoal i ment ac i ónenl at ur bi nadev apor .
