Centrales Termoelectricas (Semanas 6 y 7)

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

SSAALLOOMMEE GGOONNZZAALLEESS CCHHAAVVEEZZ

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Dr. Salome Gonzles Chvez CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

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7 CENTRALES TERMOELECTRICAS DE GAS 7.1 CARACTERISTICAS DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES 7.1.1 EL COMPRESOR En centrales termoelctricas el compresor es de tipo axial de mltiples rotores instalados en su eje, conformando etapas o escalonamientos. Cada escalonamiento del compresor est formado por una rueda de labes mviles (rotor) y a continuacin otra de labes estacionarios (estator). En la primera rueda la corriente de aire transmite energa cintica que posteriormente es convertida en energa de presin en el estator. En cada etapa se consigue una relacin de compresin entre 1,1:1 a 1,4:1, pudindose alcanzar relaciones de compresin totales de 15:1 o mayores.

Compresor axial en ensamblaje 7.1.2 LA CMARA DE COMBUSTIN Es el ambiente en donde se inyecta combustible, se mezcla con el aire comburente procedente del compresor y se provoca la combustin. Este proceso es continuo y se realiza en condiciones de presin y temperaturas elevadas. En las turbinas de gas la relacin aire/combustible es muy superior a la estequiomtrica, de manera tal que el aire de exceso sirva para enfriar los gases de la combustin y as, las temperaturas obtenidas no sean excesivamente elevadas para los materiales de la zona posterior a la cmara. Por ejemplo, utilizando gas natural, la relacin de compresin estequiomtrica aire /combustible sera 15:1, entonces la relacin utilizada se sita alrededor de 50:1.


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El diseo de la cmara de combustin debe garantizar la estabilidad de la llama, un encendido eficaz y una operacin segura a diferentes regmenes de funcionamiento. Para conseguir ello, la cmara dispone de dos zonas:

La zona primaria en la que se permite la entrada de aire (aire primario) en una cantidad suficiente para producir una combustin completa. Para ello se crean regiones ricas, en las que adems se producen recirculaciones para mantener la llama estable. La introduccin del combustible se realiza a travs de unos inyectores que permitan una homogeneizacin rpida de la mezcla

En la zona secundaria los gases resultantes de la combustin se diluyen con ms aire, con lo que la temperatura disminuye antes de la admisin en la turbina. Este caudal de aire secundario es del orden de 3 o 4 veces mayor que el de aire primario

Esquema de distribucin de una cmara de combustin Antes de entrar en la cmara de combustin, el aire procedente del compresor es desacelerado mediante unos difusores, de esta manera se evitan las fuertes prdidas de carga que se daran en una combustin a alta velocidad (puesto que la prdidas de carga son proporcionales al cuadrado de la velocidad). Dentro de la cmara de combustin, en la zona primaria, es necesario que se forme una buena mezcla del aire con el combustible inyectado en un corto recorrido, por ello se recurre a la creacin de turbulencias mediante labes radiales torsionados, que generen un vrtice alrededor de la llama, lo cual permite, por un lado la estabilidad de la misma y por otro la mezcla en la periferia del vrtice. La geometra de las cmaras de combustin est diseada para unas condiciones determinadas, cuando la relacin aire/combustible, o el gasto de aire, o la presin en la cmara varen debido a que las condiciones de funcionamiento de la turbina no sean las de diseo, la eficiencia de la cmara se reducir. Por ello, en los diseos existen vlvulas que regulan la proporcin aire/combustible segn las condiciones de operacin. Las cmaras se construyen con aleaciones resistentes a las altas temperaturas, por ejemplo, nquel-molibdeno-cromo.


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Existen tres disposiciones principales de situar la cmara de combustin en las turbinas de gas, que son:

Disposicin tubular: el aire procedente del compresor se divide en una serie de corrientes separadas cada una de las cuales alimenta a una cmara de combustin. Estas cmaras se encuentran espaciadas alrededor del eje que une el compresor y la turbina y est alimentada con su propio chorro de combustible procedente de una lnea de alimentacin comn. Este tipo de disposicin es adecuada cuando se trabaja con compresores centrfugos, pues el caudal de aire ya sale dividido en varias corrientes.

Disposicin anular: existe una nica cmara que rodea el eje del rotor, de esta manera se aprovecha al mximo el espacio existente entre el compresor y la turbina, teniendo por ello menores prdidas de carga. Sin embargo la distribucin de combustible es menos homognea y estructuralmente es ms dbil.

Disposicin tubo-anular: es una combinacin de las dos anteriores, la cmara misma es anular, mientras que los tubos de llama son individuales

Cmara de combustin, disposicin interna


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7.1.3 LA TURBINA A GAS PROPIMENTE La turbina a gas propiamente dicha, est conformada por una serie de etapas o escalonamientos, cada una de las cuales consta de una rejilla de labes fijos (distribuidor) y otra de labes mviles (rotor). Los gases procedentes de la cmara de combustin circulan primero por los labes fijos, donde la presin se transforma en velocidad debido a la seccin convergente entre ellos. Al mismo tiempo, el flujo es desviado hacia los labes rotricos, en los cuales se originan las fuerzas que provocan el torque y la rotacin. Los labes estacionarios estn fijados a dos anillos concntricos formando las llamadas toberas, de los cuales el exterior est fijo a la carcasa de la turbina. Cada parte mvil (rotor) est formado por un disco mvil con labes en su periferie Debido a las elevadas temperaturas de los gases de escape, es necesaria la refrigeracin de los labes de las turbinas; para ello se redirecciona una buena parte del aire proveniente del compresor y se dirige hacia los labes y dems piezas que requieren de refrigeracin.

Alabe rotrico y caracterstica de unin al eje de la turbina a gas Una central turbogas, se caracteriza por su alta sensibilidad en rendimiento y potencia, a los cambios en las condiciones medioambientales, por lo que debe ser seleccionada teniendo en cuenta las caractersticas medioambientales del lugar de influencia. A continuacin se presenta unas curvas de comportamiento de una turbina a gas marca ALSTOM:

Marca y tipo de turbina: Turbina monoeje Typhoon, (ISO) 5,25 MW

Engine speed: 17.384 rpm Altitude: Sea level Ambient pressure: 101,3 kPa Relative humidity: 60% Inlet ducting loss: 1,0 kPa

Exhaust ducting loss: 2,0 kPa Gearbox efficiency: 90% Alternator efficiency: 96,5%

Fuel: Natual gas only


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Comportamiento de una turbina a gas Typhoon de ALSTOM En este sentido, debe tenerse en cuenta lo siguiente:

Efecto de la altura sobre el nivel del mar: Una mayor altura supone una menor densidad del aire que entra en el compresor. Considerando que el volumen de entrada es constante para una velocidad de rotacin determinada resulta una masa menor de aire. Para una temperatura fija de salida de los gases de la cmara de combustin, esta menor masa de aire requerir menos combustible y como consecuencia se obtendr menos potencia. A parte la masa de gases de escape tambin disminuir. Por cada 100 m de altura sobre el nivel del mar se tiene una prdida de potencia en torno a un 1 - 1,5%,

Efecto de la temperatura ambiente. Un aumento de la temperatura ambiente, para una determinada presin ambiental, conlleva una disminucin de la densidad, con los mismos efectos descritos anteriormente. El hecho de que el aire sea menos denso y por tanto el caudal msico sea mayor obliga a invertir una mayor potencia en el eje del compresor, que en condiciones normales absorbe 2/3 de la potencia mecnica generada.

Efecto de prdida de carga en la admisin del aire. Al igual que antes, para temperatura determinada se produce una disminucin de la densidad del aire. Como es imposible no tener prdidas de carga en las etapas de filtrado del aire y en las conducciones de los gases, se establece que por cada 150 mm.c.a. se dar una prdida de entre un 1,5 y 2,5% de la potencia nominal.


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8 CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO

La evolucin tecnolgica en lo que compete a la generacin de potencia termoelctrica, las centrales trmicas de ciclo combinado representan el mayor desarrollo optimizado de rendimiento, economa de funcionamiento y emisiones de contaminantes atmosfricos, ello comparativamente a las centrales trmicas de vapor y centrales trmicas a gas tradicionales. 8.1 DIAGRAMA TERMODINAMICO EQUIVALENTE DE UNA CENTRAL TERMO

ELECTRICA DE CICLO COMBINADO

T : Temperatura S : Entropa I. Circuito de gas

1 2 : Compresin 2 3 : Cmara de Combustin (Adiccin de calor Q+) 3 4 : Expansin (turbina) 4 5 : Caldera recuperadora 5 1 : Flujo de chimenea (disipacin de calor Q-A)

II. Circuito de vapor 6 7 : Economizador 7 8 : Evaporador. 8 9 : Sobrecalentador 9 10 : Turbina de vapor 10 11 : Condensador (Disipacin de calor Q-B) 11 6 : Alimentador de calor

Fig. 8.1 Diagrama equivalente Temperatura-Entropa del sistema Ciclo Combinado


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8.2 PRESTACIONES DE LAS CENTRALES DE CICLO COMBINADO Una central tpica actual de ciclo combinado de 100 MW para aplicaciones en cogeneracin, con tecnologa ASEA BROWN BOVERI-ABB, comprende el siguiente arreglo:

Dos turbinas de gas

Dos generadores de vapor (calderas recuperadoras) equipados con convertidores catalticos de NOx y CO

Una turbina de vapor de admisin dual Sus principales caractersticas tcnicas incluyen:

- Alta tasa de utilizacin de combustible. - Niveles de emisin muy bajos (NOx < 7 ppm, CO < 1 ppm, etc) - Niveles de ruido a 244 metros, menores a 39 dBA. - Sistema de control totalmente automatizado (Procontrol P).

A continuacin se resume los datos principales de esta planta, para condiciones ambientales con temperatura 24 C y presin baromtrica 96.5 kPa: Conjunto turbogas. Cada turbina a gas:

- Turbina de gas : Tipo 8 - Combustible : Gas natural - Poder calorfico inferior : 47 570 kJ/kg - Control de NOx : Inyeccin de vapor - Potencia en los terminales del generador : 43.8 MW - Rendimiento de la turbina a gas : 31.2 % - Flujo msico de gases de escape : 167 kg/s - Temperatura de gases de escape : 535 C - Prdida de presin de gases de escape : 0.45 kPa

Generador de vapor: Caldera Recuperadora

Caldera S. I. - Flujo de gases de escape a la entrada de la caldera: 148 kg/s - Temperatura del agua de alimentacin : 88 C - Flujo msico de vapor : 31.5 kg/s - Presin del vapor : 7000 kPa - Temperatura del vapor : Saturado - Calidad del vapor : 85 % - Temperatura de gases de escape : 123 C

Caldera S. E. - Flujo de gases de escape en la entrada de la caldera: 186 kg/s - Temperatura del agua de alimentacin : 60 C - Flujo msico de vapor a baja presin. : 4.9 kg/s - Temperatura del vapor a baja presin : Saturado - Presin del vapor a baja presin : 530 kPa - Flujo msico de vapor a alta presin. : 24.4 kg/s - Temperatura del vapor a alta presin : 475 C - Presin del vapor a alta presin : 4140 kPa - Temperatura de gases de escape : 115 C

Grupo turbovapor:

- Vaci en el condensador : 8.2 kPa


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- Temperatura del agua de refrigeracin : 26.7 C - Flujo de agua de refrigeracin : 670 kg/s - Produccin en terminales de generador : 15 MW

Unidad de Ciclo Combinado (Total):

- Flujo msico de vapor : 31.5 kg/s - Produccin de calor : 80.2 MW - Produccin total de potencia elctrica (TG + TV) : 102.6 MW - Consumo de los equipos auxiliares de la planta : 2.6 MW - Potencia neta de la planta : 100 MW - Potencia del combustible : 280.4 MW

Otro arreglo de planta de ciclo combinado utilizado para cogeneracin, con capacidad de 223 MWe y 188 MW, es el que se presenta el diagrama trmico siguiente:

1. Set turbogas Tipo 13 E 2. Caldera recuperadora multipresin 3. Tanque de alimentacin de agua/desaereador 4. Set turbovapor 6. Condensador

Fig. 8.2 Ciclo Combinado, PEGUS 12, de 223 MWe y 188 MWt Este tipo de central combina las siguientes ventajas:

- Alto rendimiento (bajo consumo de combustible) - Baja tasa de emisin de NOx - Baja emisin de ruido - Flexibilidad operativa muy grande - Diseo optimo para fines de cogeneracin

Las plantas de ciclo combinado para cogeneracin, permiten obtener comnmente una potencia elctrica neta de 47 % y una potencia trmica del 39 % (relacin 1.2) con una utilizacin de combustible del 86 % (poder calorfico inferior).


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8.3 CENTRALES DE CICLO COMBINADO CON SISTEMA TURBOVAPOR DE UNA Y DOS PRESIONES DE ADMISION Y TURBINA A GAS

Actualmente las grandes firmas fabricantes de centrales trmicas de ciclo combinado (SIEMENS, ABB, Mitsubishi, etc.), ensamblan estas plantas con diversas capacidades y arreglos en cuanto a las caractersticas de sus elementos principales (turbina de gas, turbina de vapor y caldera recuperadora). Para la identificacin del sistema, a continuacin se presentan dos arreglos de centrales de ciclo combinado con sistema turbovapor de una y de dos presiones respectivamente (simple y doble presin de admisin a la TV), mostrando sus caractersticas y ventajas comparativas.

Fig. 8.3 Circuito de una C.T. de Ciclo Combinado con turbina de vapor de una presin y una turbina a gas

Esta Central est conformada por los siguientes componentes:

1. Conjunto turbogas. 2. Bypass de flujo de gas de escape. 3. Caldera recuperadora. 4. Evaporador de baja presin. 5. Economizador de alta presin. 6. Evaporador de alta presin. 7. Sobre calentador de alta presin. 8. Caldern de baja presin. 9. Bomba de circulacin de baja presin. 10. Caldern de alta presin. 11. Bomba de circulacin de alta presin. 12. Tanque de alimentacin (de agua / desaereador) con alimentacin de calor.


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13. Bomba de alimentacin de agua de baja presin. 14. Bomba de alimentacin de agua de alta presin. 15. Conjunto turbovapor. 16. Condensador. 17. Bomba de condensado. 18. Bypass de vapor a alta presin. 19. Bypass para exceso de vapor. 20. Estacin reductora para pinzado de vapor

21 Economizador de baja presin. 22 Bypass de vapor de baja presin.

Fig. 8.4 Circuito de una C.T. de Ciclo Combinado con turbina de vapor de dos presiones

y una turbina a gas 8.3.1 CARACTERISTICAS DEL ARREGLO DE CICLO COMBINADO DE DOS

PRESIONES Un sistema de una sola presin con un bucle de precalentamiento asegura una mejor utilizacin del calor residual, que un sistema sencillo de una sola presin. Sin embargo dicha utilizacin no es ni energtica ni exergticamente ptima. En muchos casos el evaporador de baja presin podra, sin excesivo gasto, producir ms vapor que el requerido para precalentar el agua de alimentacin, de suerte que el exceso de vapor podra ser convertido en energa mecnica si se le introdujera en algn punto adecuado de la turbina de vapor. Entonces, para conseguir esto la turbina de vapor debe tener dos admisiones de vapor, una de alta presin y otra de baja presin (turbina de dos presiones).


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La figura 8.5 muestra un sistema de este tipo, equipado adems con dos precalentadores de baja presin. Este procedimiento no solo aporta mejor utilizacin del calor residual, sino que tambin utiliza mejor termodinmicamente el vapor de baja presin. La mayor proporcin del vapor de baja presin, fluye hacia la turbina a travs del precalentador de baja presin, mientras que el agua de alimentacin est siendo precalentada en la primera seccin que utiliza vapor de baja calidad. Antes de que el vapor de baja presin alcance la turbina puede ser precalentado ligeramente. La ventaja termodinmica que se consigue en ello es mnima ya que la cada de presin entre la turbina de vapor y el caldern aumenta. Ello reduce la cantidad de vapor generado, pues la temperatura de saturacin en el evaporador de baja presin se eleva. Si la separacin de agua en el caldern es suficientemente efectiva, el vapor saturado se puede enviar directamente a la turbina. Cuando se utilizan combustibles sin azufre o con poco contenido de azufre, son posibles ulteriores mejoras. Cuando el punto de roci cido es bastante bajo, los gases de escape pueden precalentar una parte ms o menos significativa del agua de alimentacin en un economizador de baja temperatura (figura 8.6). El agua de alimentacin se calienta en el desaerador de suerte que su temperatura est por encima del punto de roci del agua de los gases de escape (aproximadamente 50 C). Dado que esta temperatura es tan baja, la desaeracin tiene lugar en este caso bajo vaco. Despus del desaerador/tanque de agua de alimentacin, toda el agua de alimentacin se calienta en un economizador de baja presin a casi la temperatura de saturacin del vapor de baja presin, pasando despus al caldern de baja presin. Posteriormente una bomba de agua de alimentacin de alta presin hace circular el agua de alimentacin por el evaporador de alta presin desde el caldern de baja presin al generador de vapor de alta presin. En este caso es tambin posible suministrar el vapor de baja presin a la turbina sea como vapor saturado o como vapor ligeramente recalentado. Adems de este sistema son posibles otras variantes; la mayora de ellas no son tan buenas desde el punto de vista termodinmico, pues ofrecen ciertas ventajas operacionales. La figura 8.7 muestra un ejemplo en el que el agua de alimentacin de alta presin y de baja presin son separadas directamente despus del tanque de agua de alimentacin. El economizador de baja presin clsico se divide por tanto en dos: un economizador de baja presin para el agua de alimentacin de baja presin y un economizador de alta presin para el primer escaln de precalentamiento de agua de alimentacin de alta presin. Este sistema tiene las siguientes ventajas:

Mejor disponibilidad ya que se puede mantener en funcionamiento la parte de alta presin, incluso si fallara sea la bomba de baja presin o la bomba de circulacin.

Menores problemas de vaporizacin externa en el economizador de baja presin durante el funcionamiento a carga parcial.

Otra posibilidad se muestra en la figura 8.8. En esta disposicin el desaerador opera bajo una ligera sobrepresin, lo que produce un vapor de mejor calidad del obtenido con desaerador bajo vaci. Para mantener los flujos dentro de los lmites razonables, se precalienta el condensado con el agua de alimentacin en un intercambiador de calor agua -agua. Esto significa que la mayor parte del precalentamiento de agua de alimentacin esta todava siendo realizado por el calor del gas de escape. Como siempre, la temperatura del agua de alimentacin de la caldera no debe descender por debajo del punto de roci del agua (combustible sin azufre) o cido (combustible con azufre)


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La desventaja es el menor recalentamiento que resulta de la extraccin de vapor de ms alta calidad de la turbina. Adems; si la presin de condensacin es baja, puede ser necesario instalar otro precalentador de baja presin calentado con vapor de extraccin, a fin de reducir la humedad en el extremo de la turbina. Ello reducir, adems, ligeramente la produccin de potencia.

Fig. 8.5 Diagrama de flujo simplificado de C.T.C.C. con sistema de dos presiones y combustible con contenido de azufre

1. Compresor 2. Turbina de gas. 3. Bypass de gases (opcional). 4. Sobrecalentador de alta presin. 5. Evaporador de alta presin. 6. Economizador de alta presin. 7. Caldern de alta presin. 8. Turbina de vapor. 9. Condensador. 10. Bypass de vapor de alta presin. 11. Tanque de alimentacin / desaerador. 12. Bomba de alimentacin de alta presin. 13. Bomba de condensado. 14. Bomba de alimentacin de baja presin. 15. Evaporador de baja presin. 16. Caldern de baja presin.. 17. Precalentador de baja presin


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Fig. 8.6 Diagrama de flujo simplificado de C.T.C.C. con sistema de dos presiones y combustible sin contenido de azufre

1. Compresor 2. Turbina de gas. 3. Bypass de gases (opcional). 4. Sobrecalentador de alta presin. 5. Evaporador de alta presin. 6. Economizador de alta presin. 7. Caldern de alta presin. 8. Turbina de vapor. 9. Condensador. 10. Bypass de vapor de alta presin. 11. Tanque de alimentacin / desaerador. 12. Bomba de alimentacin de alta presin. 13. Bomba de condensado. 14. Bomba de alimentacin de baja presin. 15. Evaporador de baja presin. 16. Caldern de baja presin.. 17. Economizador de baja presin. 18. Bypass de vapor de baja presin


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Fig. 8.7 Sistema de dos presiones con economizador separado en el rango de bajas temperaturas

1. Compresor 2. Turbina de gas. 3. Bypass de gases (opcional). 4. Sobrecalentador de alta presin. 5. Evaporador de alta presin. 6. Economizador de alta presin. 7. Caldern de alta presin. 8. Turbina de vapor. 9. Condensador. 10. Bypass de vapor de alta presin. 11. Tanque de alimentacin / desaerador. 12. Bomba de alimentacin de alta presin. 13. Bomba de condensado. 14. Bomba de alimentacin de baja presin 15. Evaporador de baja presin. 16. Caldern de baja presin. 17. Economizador de baja presin. 18. Bypass de vapor de baja presin.


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Fig. 8.8 Sistema de dos presiones con alimentador de agua usado para precalentar el condensado

1. Compresor 2. Turbina de gas. 3. Bypass de gases (opcional). 4. Sobrecalentador de alta presin. 5. Evaporador de alta presin. 6. Economizador de alta presin. 7. Caldern de alta presin. 8. Turbina de vapor. 9. Condensador. 10. Bypass de vapor de alta presin. 11. Tanque de alimentacin / desaerador. 12. Bomba de alimentacin de alta presin. 13. Bomba de condensado. 14. Bomba de alimentacin de baja presin 15. Evaporador de baja presin. 16. Caldern de baja presin.. 17. Economizador de baja presin. 18. Bypass de vapor de baja presin. 19. Precalentador de agua de alimentacin


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8.3.2 BALANCE ENERGETICO DEL ARREGLO DE CICLO COMBINADO DE DOS PRESIONES

A continuacin se presenta el balance energtico, trmico y msico de los sistemas de de ciclo combinado, uno cuando se utiliza combustible con contenido de azufre (figura 8.9) y el otro cuando se utiliza combustible sin contenido de azufre (figura 8.10).

Fig. 8.9 Balance energtico, trmico y msico de un C.C.C de doble presin y con combustible con contenido de azufre


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Fig. 8.10 Balance energtico, trmico y msico de un C.C.C de doble presin y con combustible sin contenido de azufre

En la figura 8.11 se muestra el diagrama de flujo energtico de la central de ciclo combinado de doble presin analizada, que posee un economizador de baja presin. Para este mismo arreglo, en la figura 8.12, se ilustra el diagrama temperatura vs. Calor transferido en la caldera recuperadora; y en la figura 8.13 se presenta la relacin de la Potencia relativa de salida y el rendimiento de un sistema de ciclo combinado de doble presin, en funcin de las temperaturas del aire y del agua de enfriamiento


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Q Energa de entrada a la central (energa del combustible) V1 Prdidas en el condensador V2 Prdidas en la chimenea (gases de escape) V3 Prdidas debidas a radiacin en la caldera recuperadora V4 Prdidas en el bypass de combustible V5 Prdidas debidas a radiacin y generador de la turbina a gas V6 Prdidas debidas a radiacin y generador de la turbina a vapor GT Produccin de electricidad en el set turbina a gas ST Produccin de electricidad en el set turbina a vapor

Fig. 8.11 Diagrama de flujo energtico para un sistema de ciclo combinado de dos presiones con un economizador de baja presin

Fig. 8.12 Diagrama Temperatura-Calor transferido en un sistema de ciclo combinado de

doble presin, con un economizador de baja presin


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Fig. 8.13 Potencia relativa de salida y rendimiento de un sistema de ciclo combinado de doble presin, en funcin de las temperaturas del aire y del agua de enfriamiento


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8.4 EFECTO DE LOS PARMETROS MS IMPORTANTES DE DISEO SOBRE LA PRODUCCIN DE POTENCIA Y RENDIMIENTO EN C. C. C.

Los parmetros de diseo de una central trmica de ciclo combinado, son los siguientes:

1). Presin de vapor vivo. 2). Temperatura de vapor vivo. 3). Precalentamiento del agua de alimentacin. 4). Presin del condensador. 5). Punto de pinzado de la caldera de calor residual. 6). Temperatura del gas de escape de la turbina a gas.

1). Presin de vapor vivo.

La figura 8.14 muestra el rendimiento del proceso de vapor en funcin de la presin del vapor vivo de alta presin. La figura 8.15 es una presentacin anloga para la presin de vapor vivo de baja presin. La forma de ambas curvas explica las funciones opuestas de los evaporadores de alta presin y baja presin. El propsito del primero es generar vapor de alta calidad, el del segundo es utilizar el calor residual restante tanto como sea posible, lo que se puede conseguir nicamente si la presin en el evaporador es relativamente baja. Sin embargo dos son las razones por las que no es conveniente que la presin en el evaporador de baja presin no descienda por debajo de aproximadamente 3 bares; esto es:

- La cada de entalpa disponible en la turbina se torna muy pequea. - El caudal de vapor deviene muy grande, lo que impone conductos de gran

seccin. A la hora de seleccionar las presiones de vapor vivo de baja presin y de alta presin, se han de tener en cuenta las condiciones siguientes:

- La presin del vapor de alta presin debe ser relativamente alta para alcanzar una buena utilizacin exergtica del calor residual.

- La presin del vapor de baja presin, debe ser baja para conseguir una buena utilizacin energtica del calor de escape.

Fig. 8.14 Efecto de la presin de vapor vivo de alta presin sobre el rendimiento del proceso de vapor


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Fig. 8.15 Efecto de la presin de vapor vivo de baja presin sobre el rendimiento

del proceso de vapor

La figura 8.16 muestra la tasa de utilizacin de la energa del calor de escape en la caldera recuperadora, como una funcin de la presin de vapor vivo de baja presin

Fig. 8.16 Efecto de la presin de vapor vivo de baja presin sobre el ratio de utilizacin del calor de escape en la caldera recuperadora


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2). Temperatura de vapor vivo La temperatura de vapor vivo deber ac tambin ser tan alta como sea posible, sin que se aproxime mucho a la temperatura del gas de escape de la turbina. Un sobrecalentamiento ms alto en el evaporador de baja presin, mejora ligeramente el rendimiento. Sin embargo, conseguirlo sin un sobrecalentador, aporta la ventaja de reducir la cada de presin entre el evaporador y la turbina de vapor. Al seleccionar la temperatura de vapor vivo de baja presin, se debe tener en cuenta la diferencia de temperatura entre el vapor de alta presin despus de la expansin y el vapor de baja presin en el punto de mezcla de la turbina. Si la diferencia es demasiado grande dentro de la mquina, se producen tensiones trmicas innecesarias y no convenientes. Ahora bien, una temperatura de vapor de baja presin alta, presenta la ventaja a manera de un recalentamiento bajo que reduce el peligro de erosin en la turbina debido a la humedad. Esta consideracin puede ser la razn que aconseje instalar un sobrecalentador de baja presin, particularmente si la presin del vapor vivo de alta presin es alta, y la que se tiene en el condensador baja.

3). Precalentamiento del agua de alimentacin. Como en el caso de sistemas sencillos de una sola presin, la temperatura del agua de alimentacin afecta muy considerablemente al rendimiento del proceso de vapor, ya que influye directamente en la tasa de utilizacin de calor residual en la caldera. Si es necesario, en orden a prevenir corrosin a baja temperatura, elevar la temperatura del agua de alimentacin, se deber utilizar un precalentamiento en varios escalones (1 a 2 precalentadores de baja presin y un desaereador). La figura 8.17 muestra como la temperatura del agua de alimentacin y el nmero de precalentadores afectan el rendimiento del proceso de vapor.


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Fig. 8.17 Efecto de la temperatura del agua de alimentacin y el nmero de precalentadores de baja presin, sobre la eficiencia del proceso de vapor

4). Presin del condensador

En la figura 8.18 se puede apreciar como la presin del condensador afecta al rendimiento o a la produccin de potencia del proceso de vapor; pues a medida que aumenta la presin absoluta en el condensador el rendimiento del proceso disminuye con una tendencia ms o menos cuadrtica. En un sistema de dos niveles de presin, un deterioro del vaci en el condensador tiene un efecto mayor que en los sistemas con un solo nivel de presin, dado el mayor flujo de vapor de escape.

5). Punto de pinzado de la caldera de calor residual. El punto de pinzado del evaporador de alta presin es en los sistemas de dos presiones menos importante que en los de una, ya que el calor que no es utilizado se recupera en el evaporador de baja presin. La prdida de produccin de potencia se debe nicamente a la diferencia de exerga entre las secciones de vapor de alta presin y baja presin. Con un sistema de dos presiones, los puntos de pinzado de los evaporadores de alta presin y baja presin, tienen menos efecto sobre el rendimiento del proceso de vapor que en los sistemas de una sola presin. En general, los puntos de pinzado seleccionados para los sistemas de dos presiones son mayores que en los sistemas de una sola presin. La figura 8.19 muestra el rendimiento relativo del proceso de vapor, en funcin de los puntos de pinzado de los evaporadores de alta y baja presin


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6). Temperatura del gas de escape de la turbina a gas. Una disminucin de la temperatura del gas de escape de la turbina reduce el rendimiento del proceso de vapor. Esta reduccin, sin embargo, es menos pronunciada en los sistemas de dos presiones que en los de una, dado que la tasa de utilizacin de energa no desciende tan rpidamente. Cuanto ms baja es la temperatura del gas de escape de la turbina de gas, mayor sentido tiene utilizar un sistema de dos presiones. La figura 8.20 muestra la relacin entre los rendimientos de los procesos de dos presiones y de una presin, en funcin de las temperaturas del gas de escape de la turbina de gas. A la temperatura terica del gas de escape de 750 C, esta relacin es prcticamente la unidad.

Fig. 8.18 Efecto de la presin del condensador sobre la eficiencia del proceso de vapor


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Fig. 8.19 Efecto de los puntos de pinzado de los evaporadores de alta y baja presin, sobre la eficiencia del proceso de vapor

Fig. 8.20 Ratio de eficiencias de un sistema de dos presiones respecto a uno de simple presin, como funcin de la temperatura de gases de escape de la turbina

a gas


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PARTE PRCTICA EJERCICIO. Dado el esquema trmico de una central termoelctrica de ciclo combinado de 102.6 MW y 45% de rendimiento energtico de planta, con sus componentes indicados y balance trmico respectivo. Se pide:

- Identificar cada uno de los procesos termodinmicos en un diagrama T-S y H-S - Calcular las ganancias y prdidas de energa y construir el diagrama de flujo

energtico de dicha central, en valores y porcentajes - Calcular las ganancias y prdidas de exerga y construir el diagrama de flujo

exergtico de dicha central, en valores y porcentajes

1. Compresor 2. Set Turbina a gas 3. Bypass de gases 4. Sobrecalentador 5. Evaporador 6. Economizador 7. Caldern 8. Set Turbina de vapor 9. Condensador 10. Bypass de vapor 11. Tanque de agua de alimentacin / desaerador 12. Bomba de agua de alimentacin 13. Bomba de condensado


28

Parmetros trmicos de la central

Balance energtico porcentual


29

Balance exergtico porcentual


30

8.5 COSTOS COMPARATIVOS DE GENERACION CON CICLO COMBINADOS Y

OTROS A la hora de seleccionar el tipo de tecnologa a utilizar para cubrir una determinada demanda elctrica en estudio, primeramente se realiza un anlisis comparativo tcnico-econmico de factibilidad con cada una de las alternativas tecnolgicas existentes en el mercado. As; en el siguiente grfico, el eje horizontal representa las horas del ao y en el eje vertical el costo de inversin en US$/kW-ao y la pendiente de cada una de las curvas representa el costo variable de operacin. All puede observarse la conveniencia de la tecnologa, teniendo en cuenta las horas de utilizacin al ao, a mejores condiciones de rendimiento.

Comparacin de costos reales de generacin elctrica, con diversas alternativas tecnolgicas, a igualdad de potencia instalada

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Centrales Termoelectricas (Semanas 6 y 7)

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