ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... ........................................................................................................................... ............. 2 CAPÍTULO 1: EL PROBLEMA .................................................................................... .................................................................................................... ................ 3 1.1
Descripción de la situación problema ......................................................... .................................................................................... ........................... 3
1.2 Formulación del problema problema ................................................................. ....................................................................................................... ...................................... 3 1.2.1 Problema General .............................................................................................................. ............................................................................................................. 3 1.2.2 Problemas Específicos ..................................................................................................... ...................................................................................................... .. 3 1.3 Objetivos ............................................................................................................................. .................................................................................................................................. ..... 3 1.3.1 Objetivo General ............................................................................................................... 3 1.3.2 Objetivos Específicos Específicos ....................................................................................................... 3 1.4 Justificación e importancia ....................................................................................................... ...................................................................................................... 3
CAPÍTULO 2: MARCO TEORICO .............................................................................. .............................................................................................. ................ 4 2.1 Antecedentes de la investigación i nvestigación ............................................................................................. 4 2.2 Base Teórica ............................................................................................................................. ............................................................................................................................ 7 2.3 Definición de Términos .......................................................................................................... ......................................................................................................... 13
CAPÍTULO 3: VARIABLES E HIPÓTESIS .............................................................................. 14 3.1 Variables de la investigación .................................................................................................. ................................................................................................. 14 3.2 Operacionalización de variables ............................................................................................. ............................................................................................ 14 3.3 Hipótesis general e hipótesis específicas específicas..................................................................... ................................................................................ ........... 14
CAPÍTULO 4: METODOLOGÍA ................................................................................................ ............................................................................................... 15 4.1 Tipo de investigación ............................................................................................................. 15 4.2 Técnicas e instrumentos de recolección de datos ................................................................... 15 4.3 Organización y procesamiento de datos ................................................................................. ................................................................................ 15 4.4 Presentación de resultados ................................................................. ..................................................................................................... .................................... 15
CAPÍTULO 5: CONCUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................... 27 6.1 Conclusiones ............................................................... .......................................................................................................................... ........................................................... 27 6.2
Recomendaciones ............................................................................................................. ............................................................................................................ 27
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................ ........................................................................................................................... 27 ANEXOS ......................................................................................................................................... ........................................................................................................................................ 28
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INTRODUCCIÓN El ciclo Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas a vapor, las cuales producen en la actualidad la mayor parte de la energía eléctrica que la humanidad consume.
La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento representan grandes ahorros en los requerimientos del combustible. La idea básica detrás de todos los cambios para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador.
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INTRODUCCIÓN El ciclo Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas a vapor, las cuales producen en la actualidad la mayor parte de la energía eléctrica que la humanidad consume.
La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento representan grandes ahorros en los requerimientos del combustible. La idea básica detrás de todos los cambios para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador.
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CAPÍTULO 1: EL PROBLEMA 1.1 Descripción de la situación problema En esta época, a pesar de la existencia de diferentes accesos que nos conllevan hacia informaciones importantes, aún muchos desconocen los conceptos que abarca el ciclo rankine, luego se les presentarán muchos obstáculos en el entendimiento del funcionamiento de una central térmica a vapor. 1.2 Formulación del problema 1.2.1 Problema General En la actualidad, una gran cantidad de personas desconocen el c iclo fundamental asociado al funcionamiento de las centrales térmicas a vapor. 1.2.2 Problemas Específicos
Muchos textos no explican de manera didáctica el ciclo rankine, luego es dificultoso el entendimiento por parte del lector.
En diversas entidades educativas, los docentes no ponen el énfasis necesario en la enseñanza del ciclo mencionado.
1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo General Lograr que el lector se familiarice con los diversos conceptos que incluye el ciclo rankine. 1.3.2 Objetivos Específicos
Conocer el funcionamiento de manera detallada de una central térmica a vapor.
Conocer las ventajas, así como las desventajas que puede presentar una planta térmica a vapor.
1.4 Justificación e importancia Es de suma importancia el desarrollo de este trabajo de investigación ya que las plantas térmicas a vapor tienen como fin aprovechar la energía calorífica de un determinado combustible para convertirla en energía eléctrica, siendo esta aprovechada de diferentes formas.
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CAPÍTULO 2: MARCO TEORICO 2.1 Antecedentes de la investigación
Título: “MODELO PARA DETERMINAR LA MEJOR OPERACIÓN DE LAS UNIDADES DE LA CENTRAL
TERMICA ILO1”
Autor: José miguel Ramírez Arías
Marco de Referencia Para el caso específico al cual está orientado este trabajo, producción de energía a partir de petróleo residual, su utilización ha venido disminuyendo con el pasar de los años esto debido al elevado costo del petróleo y a la utilización de otras fuentes de energía más baratas tales como el carbón y el gas. En la actualidad las centrales que operan con este tipo de combustible urgen de una nueva reestructuración o modificación en el proceso de operación realizando en la mayoría de los casos conversiones de petróleo a gas. En el mundo la distribución de la producción de energía según el tipo de combustible muestra que la utilización de petróleo como fuente de energía para la generación de energía eléctrica ha disminuido considerablemente y ha sido reemplazada por otros tipos de energía. Según la Agencia Internacional de Energía sólo el 6.9% de la energía eléctrica producida en el Mundo en el 2003 utilizó petróleo como fuente de energía. En el Perú así como sucede en los demás países, la generación de energía eléctrica utilizando el petróleo como fuente de energía eléctrica ha disminuido significativamente, en la actualidad sólo 3 empresas generadoras cuentan con turbinas que utilizan vapor el cual es suministrado por calderas que consumen petróleo residual como combustible, siendo estas unidades solamente requeridas en épocas de estiaje o cuando ocurren eventos que afectan el suministro de energía del SEIN. Un caso particular son las unidades a vapor de la empresa EnerSur, las que deben operar durante todo el año debido a un tema de aprovechamiento del vapor generado por Southern Perú el cual veremos con mayor detalle más adelante. Según el COES para el año 2004 sólo el 23.8% de la energía eléctrica 21,901 GWh fue producida por centrales térmicas y sólo el 3,3 % se generó utilizando petróleo como fuente de energía.
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Las empresas generadoras en el Perú, y sus capacidades de generación se observan en la tabla.
Justificación Debido a la tendencia a seguir incrementándose los precios de los combustibles la mayoría de las centrales térmicas que en la antigüedad operaban la mayor parte del año han sido desplazadas por centrales de bajo costo tales como las centrales hidroeléctricas y a gas, por lo tanto existe la necesidad de minimizar los costos en la operación de la central. En la medida en que se pueda establecer un mejor control en los consumos utilizados para la producción de energía será posible que las empresas generadoras logren mayores eficiencias de producción con menores consumos de combustibles, todo lo cual debiera resultar finalmente, entre otros, en una disminución importante en los costos de producción y mayores ganancias. Los principales sistemas en los cuales este trabajo se enfocará son dos, el sistema de generación de vapor y el sistema de generación de energía eléctrica. En ambos casos ocurre la transformación de la energía, en el primero los gases calientes productos de la combustión del combustible transfieren su energía al agua tratada que recorre los tubos del hogar de la caldera convirtiéndose en vapor y en el segundo sistema el vapor obtenido de la caldera impulsa los alabes de la turbina el cual se encuentra acoplado a un generador eléctrico donde la energía mecánica se convierte en energía eléctrica. Por lo que la oportunidad de mejora se enfocará en la forma de operación en conjunto de las unidades de la central.
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CONCLUSIONES 1. La futura operación de la central se verá afectada debido a los cambios que se vienen realizando en la fundición y la instalación de la nueva planta desalinizadora debido a ello la operación de los calderos de fuego directo será con mayor continuidad por lo que la implementación del modelo planteado significará un ahorro en consumo de combustible importante.
2. La diferencia entre el costo real de producción de energía contra el gasto calculado según el modelo para el 2004 y 2005 equivale a un ahorro de 1,177 kUSD debido a un menor consumo de R500 con un error del ± 5.2%. A continuación se presenta el . cuadro comparativo:
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3. El error del modelo planteado se determina en los casos donde las condiciones de operación teórica y la real son semejantes (menores a 50 MW) este error varía entre los ± 100 barriles diarios de combustible lo que equivale a un ± 5.2 %. Para las demás cargas, la variación corresponde al ahorro que se obtendría si la central operara siguiendo el método planteado.
2.2 Base Teórica
Ciclo Rankine El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará 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 estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente e n la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. [7]
Etapas del ciclo Rankine
Figura.1. Diagrama T-s del ciclo Rankine. Fuente: www.monografías.com El diagrama T-S de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isóbaricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de 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). 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 la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor o una máquina de vapor reciprocante en las cuales se genera potencia en el eje de las mismas.
Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el f luido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga, el calor rechazado puede utilizarse en la mayoría de los procesos para otros usos tecnológicos en el caso específico de las industrias.
[8]
Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquidovapor y finalmente se obtiene vapor saturado. Este vapor puede ser sobrecalentado en la mayoría de los casos aprovechando la energía de los gases efluentes del horno en equipos llamados sobrecalentadores, este vapor de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).
Fluido ideal para un ciclo Rankine Las principales características que debe tener un fluido para que pueda ser utilizado eficientemente en un ciclo de Rankine, son:
Alta valor del calor latente de vaporización a la temperatura a que ocurre la vaporización.
Bajo valor de la capacidad calorífica del líquido.
Temperatura crítica superior a la temperatura de funcionamiento más alta.
No tener un valor demasiado alto de presión de vapor a la máxima temperatura de funcionamiento.
Tener un valor de presión de vapor superior a la presión atmosférica para las temperaturas inferiores de funcionamiento.
Bajo valor del volumen específico a las temperaturas inferiores de funcionamiento.
Estar en estado líquido a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente.
Poca variación de la Entropía con la presión.
Alto valor de conductivita térmica.
Ser barato, estable, abundante, no inflamable, no explosivo, no corrosivo y no venenoso.
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No existe una sustancia que cumpla todos los requisitos enumerados anteriormente. El agua es el fluido normalmente utilizado en los ciclos de potencia debido a que es barata y abundante, aunque tiene una temperatura crítica baja, una presión crítica alta y una baja presión de vapor a la temperatura de condensación y el líquido tiene una alta capacidad calorífica.
Procedimientos para aumentar la eficiencia termodinámica de un ciclo ideal de 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 centrales térmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son:
Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los alabes de la turbina.
Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.
Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad 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. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.
Realizar extracciones de vapor en la turbina, calen tando el agua de alimentación a la 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 que conllevan. [10]
Ciclo de Rankine con recalentamiento
Figura.2. Esquema del ciclo Rankine con recalentamiento Fuente: www.unet.edu.ve El recalentamiento es un procedimiento mediante el cual no sala mente puede lograrse un ligero aumento de la eficiencia termodinámica de un ciclo de Rankine, sino también una reducción del grado de condensación en las turbinas. El ciclo con recalentamiento en su forma más simple consiste en permitir que el vapor de la caldera inicialmente sobrecalentado, se expanda primero en una turbina de alta presión hasta una presión a la cual apenas comience la condensación, luego volver a calentar el vapor mediante un proceso a presión constante, en un equipo llamado recalentador (generalmente un haz de tubos en el interior de horno de la caldera) y finalmente expandirlo hasta la presión del condensador en una turbina de baja presión, este ciclo se puede representar como se muestra en la figura.
[11]
Ciclo de Rankine regenerativo
Figura.3. Esquema del ciclo Rankine Regenerativo Fuente: www.unet.edu.ve
En un ciclo de Rankine el condensado a la temperatura existente en el condensador es enviado a la caldera donde se produce un calentamiento (del agua) altamente irreversible. Precisamente la eficiencia del ciclo de Rankine es menor que la del de Carnot, fundamentalmente por estas irreversibilidades que se presentan en la caldera. Por lo tanto si el agua de alimentación a la caldera se puede calentar hasta la temperatura existente en la caldera, se eliminarían los efectos irreversibles del ciclo de Rankine. Lo anterior se puede hacer mediante el efecto regenerativo mostrado en la figura.
Ciclo real de Rankine Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasiestático y sin efectos disipativos. En
[12]
un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían exactamente isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentálpico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.
2.3 Definición de Términos
Fuel-Oil: Derivados del petróleo preparados mediantes mezclas de fracciones pesadas.
Fluidización: Proceso por el cual una corriente ascendente de fluido (líquido, gas o ambos) se utiliza para suspender partículas sólidas.
[13]
CAPÍTULO 3: VARIABLES E HIPÓTESIS 3.1 Variables de la investigación Son los tipos de combustibles que se usan en la industria de la planta t érmica. En nuestro caso serían: carbón, petróleo y sus derivados (Fuel-Oíl), gas natural, gas y vapor (siclo combinado), carbón y caliza (lecho fluidizado), gasificación del c arbono (Gicc). 3.2 Operacionalización de variables Para apreciar en forma más didáctica el tema haremos un cuadro comparativo en términos generales: Variable( pta.
costo
térmica)
Eficiencia de
Contaminación
energía
ambiental
(n)provechada Carbón
moderado
(n)<40%
alta co2 otros
petróleo y sus
No es estable
(n)<43%
alta co2 otros
derivados (Fuel-Oíl)
debido al petróleo
gas natural
bajo
(n)<35%
baja co2 otros
gas y vapor ( ciclo
alto
(n)<60%
medio co2 otros
alto
(n)<50%
baja co2 otros
alto
(n)<45%
Más Baja que todas
combinado) carbón y caliza (lecho fluid izado) gasificación del carbono (Gicc)
co2 otros
3.3 Hipótesis general e hipótesis específicas
El estudio de las plantas térmicas de vapor y gas a ciclo combinado (más eficiente).
Alcanzar la máxima eficiencia.
Aprovechar el combustible usado al máximo para no perder la energía t érmica.
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CAPÍTULO 4: METODOLOGÍA 4.1 Tipo de investigación Investigación Descriptiva 4.2 Técnicas e instrumentos de recolección de datos Se recurrió a libros tanto virtuales como físicos relacionados con el funcionamiento de las centrales térmicas. Asimismo también se tuvo que recurrir a portales virtuales con el fin de extraer gráficas que faciliten el entendimiento por parte del lector. 4.3 Organización y procesamiento de datos La información se ha incluido en algunos casos en las figuras, esto con el fin de lograr una mayor didáctica, por ende una compresión adecuada por parte del lector. El procesamiento de datos que se empleó fue el m anual, que es el más común. 4.4 Presentación de resultados
[15]
Aplicación:
Central Térmica
1. Definición Una central térmica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo. El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera.
Figura.4. Esquema de una central térmica convencional Fuente: Los autores
[16]
2. Componentes 2.1 Caldera En el tienen lugar las siguientes conversiones de energía:
Energía calorífica del vapor a energía cinética en las toberas de la turbina.
Energía cinética del vapor a energía mecánica en los álabes, la que se recoge en la flecha de la turbina.
Energía mecánica o energía eléctrica, de la flecha al embobinado del generador.
Figura.5. Generador de vapor o caldera Fuente: www.monografías.com El término de generador de vapor o caldera se aplica normalmente a un dispositivo que genera vapor para producir energía, para procesos o dispositivos de calentamiento. Las calderas se diseñan para transmitir calor de una fuente externa de combustión a un fluido (agua) contenido dentro de ella La caldera está compuesta por equipos como ventiladores de aire y gases, precalentadores de aire, ductos, chimenea, economizador, domo, hogar, sobrecalentador, recalentador, quemadores, accesorios, instrumentos, etc.
[17]
2.2 Condensador La condensación el vapor de escape de la turbina y drenes se efectúa en el condensador, además de la extracción de algunos gases inconfensables.
Figura.6. Esquema de un condenador de vapor Fuente: Los autores
2.3 Torre de Enfriamiento Las torres de enfriamiento son dispositivos de enfriamiento artificial de agua. Se clasifican como cambiadores de calor entre un volumen en circuito cerrado de agua y aire atmosférico. Básicamente las torres de enfriamiento son cambiadores de calor de mezcla, efectuando la transmisión de calor por cambio de sustancia y convección entre los medios. El agua cede calor al aire sobre todo por evaporación, lo hace también por convección, pero en forma secundaria.
[18]
Figura.7. Esquema de una torre de enfriamiento Fuente: docplayer.es
2.4 Bombas De acuerdo con el mecanismo que mueve el flujo, las bombas se clasifican en:
centrífugas
rotatorias
alternativas
Figura.8. Esquema de una bomba centrífuga Fuente: http://hidraulicas-informes.blogspot.pe/ [19]
2.5 Cambiador de calor Después de la resistencia de los materiales, los problemas que involucran flujo de calor son los más importantes en la ingeniería. El calor se transfiere mediante aparatos llamados cambiadores de calor; los principales de estos equipos, son los siguientes:
calentadores de agua de alimentación
calentadores de combustible
generador de vapor / vapor
evaporadores
enfriadores de agua
enfriadores de aceite
enfriadores de hidrógeno
condensador
generador de vapor
2.7 Compresores de aire El aire comprimido se utiliza en las plantas termoeléctricas para instrumentos, control, servicio, sopladores de la caldera y subestación eléctrica.
Figura.9. Esquema de un compresor de aire Fuente: www.sitenordeste.com
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2.8 Turbinas de vapor La turbina de vapor es una máquina térmica de combustión externa, giratoria que transforma la energía cinética del vapor en energía de rotación.
Figura.10. Esquema de una turbina a vapor Fuente: docplayer.es
[21]
3. Clasificación 3.1 Centrales térmicas clásicas o convencionales 3.1.1
Centrales Térmicas de Carbón Las centrales térmicas que usan como combustible carbón, pueden quemarlo en trozos o pulverizado. La pulverización consiste en la reducción del carbón a polvo finísimo (menos de 1/10 mm de diámetro) para inyectarlo en la cámara de combustión del generador de vapor por medio de un quemador especial que favorece la mezcla con el aire comburente. Con el uso del carbón pulverizado, la combustión es mejor y más fácilmente controlada. La pulverización tiene la ventaja adicional que permite el uso de combustible de desperdicio y difícilmente utilizado de otra forma. En estas se requiere instalar dispositivos para separar las cenizas producto de la combustión y que van hacia el exterior, hay incremento de efecto invernadero por su combustión, altos costos de inversión, bajo rendimiento y arranque lento
Figura.11. Esquena de una central térmica convencional de carbón Fuente: www.aulatecnología.com
[22]
3.1.2
Centrales Térmicas de Fuel-Oil En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidez óptima para ser inyectado en los quemadores. Las de fuel-óil presentan como principal inconveniente las oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen tratamientos de desulfuración de los humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida. El consumo de un millón de litros de gasolina emite a la atmósfera 2,4 millones de kilogramos de Dióxido de Carbono (CO2), el principal causante del cambio climático mundial. Arranque lento y bajo rendimiento.
3.1.3
Centrales Térmicas de Gas Natural En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por un generador. El uso de gas en las centrales térmicas, además de reducir el impacto ambiental, mejora la eficiencia energética. Menores costos de la energía empleada en el proceso de fabricación y menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera. La eficiencia de éstas no supera el 35%.
3.2 Centrales térmicas no convencionales 3.2.1
Centrales Térmicas de Ciclo Combinado Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un ciclo de vapor. Sus componentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperación la turbina de vapor y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el c ondensador. La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38 por ciento normal de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas equivalentes al año. [23]
Uno de los principales problemas que plantean las centrales térmicas es que se trata de un proceso relativamente complejo de conversión de energías. Utilizan combustible de alto grado de calidad. Provocan contaminación con la alta emisión de gases. 3.2.2
Centrales Térmicas de Combustión de Lecho Fluidizado Consiste en quemar carbón en un lecho de partículas inertes, a través del cual se hace pasar una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partículas y las mantiene en suspensión, de modo que da la impresión de que se trata de un líquido en ebullición. Permitiría obtener rendimientos de hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la emisión de anhídrido sulfuroso. Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la tecnología de lecho fluidizado se inyecta caliza directamente dentro de la caldera para capturar y remover el azufre del combustible como un subproducto seco. La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820°C a los 840°C, lo cual determina su diseño y el arreglo de las superficies de transferencia de calor. Este tipo de calderas puede ser atmosférico o presurizado.
3.2.3
Centrales Térmicas Gicc Gasificación de Carbón Integrada en ciclo combinado La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón sólido en un gas sintético compuesto principalmente de CO e hidrógeno (H2). El carbón es gasificado controlando la mezcla de carbón, oxígeno y vapor dentro del gasificador. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional. Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas. En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%, una eliminación de 99% de azufre. Bajos costos de combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo grado de emisiones, alto rendimiento, tecnología sin completa prueba de eficiencia, altos costos de inversión, plantas complejas, arranque lento.
[24]
4. Funcionamiento En las centrales térmicas convencionales, la energía química ligada por el combustible fósil (carbón, gas o fuel -óil) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las
centrales
térmicas
convencionales
es
prácticamente
el
mismo,
independientemente de que utilicen carbón, fuel -óil o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de combustible empleado. El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado). Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La turbina consta de tres cuerpos; de alta, media y baja presión respectivamente. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente. Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de rotación. El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres de enfriamiento. La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador asíncrono acoplado a la turbina.
[25]
Figura.12. Esquema a grandes rasgos del funcionamiento de una planta térmica Fuente: www.aulatecnología.com
[26]
CAPÍTULO 5: CONCUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones
El funcionamiento de las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo. Solo puede variar el combustible a emplear.
En las centrales térmicas en la que el combustible es el carbón hay incremento de efecto invernadero por su combustión, altos costos de inversión, bajo rendimiento y arranque lento entre las desventajas. Cabe resaltar que la pulverización tiene la ventaja que permite el uso de combustible de desperdicio. Las centrales térmicas que usan como combustible el fuel-óil presentan como principal inconveniente las oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen tratamientos de desulfuración de los humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida. Las centrales térmicas que emplean como combustible el gas natural, además de reducir el impacto ambiental, mejora la eficiencia energética. Menores costos de la energía empleada en el proceso de fabricación y menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera.
6.2 Recomendaciones
Se recomienda generar energía eléctrica basándose en centrales térmicas que usan como combustible el carbón o el gas natural, esto es por las múltiples ventajas que proporcionan.
BIBLIOGRAFÍA
Francisco Ugarte Palacín (1991), Termodinámica II , Perú-Lima, Perú: Editorial San Marcos.
Yunes A. Cengel (2009), Termodinámica, México DF, México: Mc Graw Hill.
Kenneth Wark (2000), Termodinámica, México DF, México: Mc Graw Hill.
G. A. Gaffert (1981), Centrales de Vapor , México DF, México: Reverté S.A.
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ANEXOS Problemas desarrollados 1. Un ciclo de Carnot emplea vapor de agua como sustancia de trabajo y funciona entre las presiones de 7MPa y 7kPa. Determinar: a) La eficiencia térmica del ciclo b) El trabajo realizado por la turbina c) El trabajo de bombeo d) El calor entregado al ciclo Solución: Datos: P2=7 MPa
TA=285,88°C
P1=7 KPa
TB=38,808°C
h2=1267,00 KJ/Kg h3=2772,1 KJ/Kg h1=963,2 KJ/Kg h4=1803 KJ/Kg a) Cálculo de la eficiencia térmica
=1−
38,808 273 =1 − = 0.442 = 44,2% 285,88 273
b) Cálculo del trabajo realizado por la turbina
= ℎ − ℎ = 968,4 / c) Cálculo del trabajo de bombeo
= ℎ − ℎ = 303,8 / d) Cálculo entregado al ciclo
= ℎ − ℎ = 1505, 1 /
[28]
2. Una planta de generación de energía simple de vapor produce 14000 Kw de potencia al eje cuando el vapor ingresa a la turbina a 4MPa y 590°C. El vapor hace su ingreso al condensador con 95% de calidad y 0.01 bar de presión. En la salida del condensador el líquido es saturado (h = 192 KJ/Kg, v = 0.001 m 3/kg). La eficiencia en la caldera es 82%, y el poder calorífico del combustible es de 40200 KJ/Kg. La eficiencia mecánica de la turbina es de 90%. Determinar: a) La eficiencia del ciclo b) El flujo másico de vapor en la turbina c) El consumo de combustible
Solución: Datos: P2 = P3 = 4 MPa T3 =590°C x4 = 0.95 P1 = P4 = 0,01 bar =1KPa h1 = 192 KJ/Kg v1 = 0.001 m 3/Kg ncal = 0.82 PC = 40200 KJ/Kg nM = 0.9
̇ = 14000 Del diagrama de Molliere: h3 = 3650 KJ/Kg h4 = hf1+x4 hfg1 = h1 + x4 hfg1 = 2465 KJ/Kg h2 = h1 + v1 (p2 – p1) = 195,999 KJ/Kg
a) Cálculo de la eficiencia del ciclo
=
− ( ℎ − ℎ ) − (ℎ − ℎ ) = = 0,342 = 34,2% (ℎ − ℎ )
b) Cálculo del flujo másico de vapor en la turbina
̇ =
̇ = 13,1271 / (ℎ − ℎ)
[29]
c) Cálculo del consumo de combustible
̇ =
̇ (ℎ − ℎ ) = 4951,6946 /ℎ
3. Una central eléctrica de vapor opera en el ciclo que se muestra en la figura inferior. Si las eficiencias isentrópicas de la turbina y la bomba son de 87 por ciento y de 85 por ciento, respectivamente, determine: a) La eficiencia térmica del ciclo b) La salida e potencia neta de la central para un flujo másico de 15 kg/s
Solución: Entrada de trabajo a la bomba:
, ( − ) , = = = 19 / Salida de trabajo de la turbina:
, = ,, = (ℎ − ℎ ) = 1277 / Entrada de calor a la caldera:
= ℎ − ℎ = 3487,5 / Luego:
= , − , = 1258 /
[30]
a) Cálculo de la eficiencia térmica del ciclo
é =
= 0,361 = 36,1%
b) Cálculo de la potencia producida por esta central eléctrica
̇ = ̇ ( ) = 18.9
4. Una planta de vapor trabaja bajo un ciclo Rankine con recalentamiento ideal, el vapor ingresa la TAP a 50 bar y 400°C y se expande hasta una presión de 8 bar, el resto del vapor se recalienta hasta 400°C. El vapor se expande en la TBP hasta 0.075 bar. Determinar la eficiencia del ciclo (considerar proceso de expansión isentrópico en las turbinas).
Solución: Datos: P2 = P3 = 50 bar = 5 MPa P4 = P8 = 8bar = 0,8 MPa P1 = P6 = 0,075 bar = 7,5 kPa T3 = 400°C T5 = 400°C
De tablas de vapor y diagrama de Molliere: s 3 = 6,6439 KJ/(Kg – K)
h3 = 3195,7 KJ/Kg
s4 = s3 = 6,6439 KJ/ (Kg – K)
A 0.8 MPa:
sf = 2,0462
s fg = 4,6166
=
− = 0,9963
hf = 721,11 y h fg = 2048 h4 = hf + x4 hfg = 2761,613 KJ/Kg h5 = 3267,1 KJ/Kg
s 5 = 7,5716 KJ/ (Kg – K)
s6 = s5 = 7,5716 KJ/ (Kg – K)
A 7,5 kPa:
sf = 0,5764
s fg = 7,6750 KJ/ (Kg – K) [31]
= hf = 168,79
− = 0.91
hfg = 2406 KJ/Kg
h6 = hf + x6 hfg = 2361,68
Cálculo de la eficiencia Considerando ≈ 0 entonces ℎ ≈ ℎ = 168,79 /
=
− (ℎ − ℎ ) (ℎ − ℎ ) = = 0,3792 = 37,92% (ℎ − ℎ ) (ℎ − ℎ )
5. La planta térmica a vapor mostrada en la figura adjunta, utiliza calderas que producen vapor sobrecalentado. La caldera N° 1 produce 30,000 Kg/hr de vapor. El colector de vapor mantiene condiciones de estabilidad y sin pérdidas de calor. La turbina tiene una eficiencia mecánica de 0.9 y el vapor en su descarga (6) es húmedo. Los calentadores son de contacto directo. El tr abajo de las bombas puede considerarse despreciables
ṁ = 20 ,000 Kg / hr
N° P ( bar) T(°C) h (KJ/Kg)
1 2 3 20 20 300 500 3244 3465
ṁ3 =50 ,000 Kg
/ hr
4 5 6 7 6 2 0.1 320 215 46 3100 2900 2470 192 [32]
8
9 120 504
10
11 158 670
12
d) Cálculo de la eficiencia
Ẇ Ẇ Ẇ − Ẇ = = = ṁ (ℎ ℎ ) ṁ (ℎ − ℎ ) 9696.76 0.9 = = 0.2913 1 [ ( ) ( )] 3600 30,000 3244 − 670 20,000 3465 − 670 = 29.13% 6. En la figura inferior se ofrece el esquema de una central eléctrica geotérmica de una sola evaporación instantánea con el número de estados. El recurso geotérmico exis te como liquido saturado a 230°C. El líquido geotérmico se saca del pozo de producción a una tasa de 230 kg/s y se evapora a una presión de 5 bares mediante un proceso de evaporación instantánea esencialmente isoentálpica del que el vapor resultante se separa del líquido por un separador y se dirige hacia la turbina. El vapor deja la turbina a 0,1 bares con un contenido de humedad de 10 por ciento y entra al condensador donde se condensa y se envía a un pozo de reinyección junto con el líquido que viene del separador. Determine: a) El flujo másico del vapor a través de la turbina b) La eficiencia isentrópica de la turbina
[35]
Solución: a) Cálculo del flujo másico del vapor a través de la turbina. Volumen de control: separador. Estado a la entrada: P2 conocida. Estado a la salida: P3 conocida, vapor saturado, estado fijo. Estado a la salida: P6 conocida, líquido saturado, estado 6 fijo. Análisis: Primera ley: y
h2
h6
h3
h6
Propiedades de los puntos:
(Tablas Cengel) → h 2=h1=990kJ/kg h3=2748,6kJ/kg h6=640,3kJ/kg Por lo tanto: y
990
640 ,3
2748 ,6
640 ,3
0,1659 kg / kg pozo geoter
Al analizar plantas de vapor en las que existen volúmenes de control que dividen el flujo de masa es más conveniente trabajar con cantidades expresadas por unidad de masa del fluido que se produce en la planta. Por cada 1 kg de fluido geotérmico que proviene del pozo geotérmico, y kg se separan de manera parcial en el separador y se extraen en el estado 3 en dirección a la turbina. El resto (1- y) kg se separan como líquido saturado hacia el pozo de reinyección. Siendo y la fracción de masa separada hacia la turbina y m2 el flujo total a separar, ahora se puede calcular el flujo másico que circula por la turbina m3.
3 m
2 ym
0,1659 ( 230 )
38,157 kg / s
b) Cálculo de la eficiencia isentrópica de la turbina. Volumen de control: turbina. Estado a la entrada: P3, h3 conocidas, estado fijo. Estado a la salida: P4 conocida.
[36]
Análisis: Segunda ley: s4s
turb
s3
h3 h4 h3 h4 s
Propiedades de los puntos: s4s=s3 =6,822kJ/kgK x4s=0,823
→ 6,822=0,649+x4s7,5
→ h 4s=191,7+ (0,823)2392
h4s= 2160,3kJ/kg h4=191,7+0,90(2392) h4=2344,5kJ/kg
Por lo tanto:
turb
2748,6 2344 ,5 0, 6869 ó 68,7% 2748 ,6 2160 ,3
7. En una central de potencia de vapor de agua que opera se gún un ciclo de Rankine la turbina se alimenta con vapor sobrecalentado a 40 bar y 500 °C. La condensación se realiza a 1 bar y el calor retirado en la condensación se transfiere a un segundo ciclo de Rankine diseñado para operar a baja temperatura que emplea R-134a como fluido de trabajo. Este ciclo opera sin sobrecalentamiento (es decir, la entrada en la turbina es vapor saturado) y con una temperatura de saturación máxima de 80 °C; la condensación del R-134a se verifica a 20 °C. La potencia generada en el ciclo de vapor de agua es de 10.000 kW; parte se consume en la propia fábrica y el resto se aporta a la red eléctrica nacional. La potencia generada en el ciclo de R-134a se aporta a la red. Suponiendo que no hay pérdidas de calor, despreciando el trabajo de las bombas y suponiendo expansiones reversibles en las turbinas de ambos ciclos . Calcular: a) El caudal de agua que circula por el primer ciclo de Rankine. b) El caudal de R-134a que circula por el segundo ciclo de Rankine. c) La potencia generada en el ciclo del R-134a. d) El rendimiento térmico del ciclo del R-134a.
[37]
Solución: a) Caudal de agua. Volumen de control: turbina de vapor de agua. Estado a la entrada: P3, T3 conocidas; estado fijo. Estado a la salida: P4 conocida. Análisis: Primera ley:
H 2O m
W turb, H2O h3
h4
Segunda ley: s4
s3
Propiedades de los puntos:
(Tabla Cengel) → P 3=40bar=4000kPa, T 3=500°C → h3=3445,3 kJ/kg, s3=7,0901kJ/kgK, P4=1bar=100kPa s3=s4=7,0901kJ/kgK
→ 7,0901=1,3026+x 46,0568
x4=0,9555 h4=417,46+0,9555(2258)= 2574,98kJ/kg
H 2O m
10000kW
3445 ,3
11,49 kg/s
2574 ,98
b) Caudal de R-134a. Volumen de control: condensador de vapor de agua. Estado a la entrada, H2O: h 4 conocida, estado 4 fijo. Estado a la entrada, R-134a: T B conocida, líquido saturado, estado fijo. Estado a la salida, H2O: P 1 conocida, líquido saturado, estado fijo. Estado a la salida, R-134a: T C conocida, vapor saturado, estado fijo. Análisis: Primera ley:
condH2O Q
caldR-134a Q
H2O (h4 - h1 ) [38] R-134a (hC - h B ) m m
