Cervantes morales
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1
UNIVERSIDAD
VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA ELÉCTRICA
“RÉGIMEN TÉRMICO DE LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA ADOLFO LÓPEZ
MATEOS Y CONDICIONES DE OPERACIÓN QUE LE
AFECTAN”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
P R E S E N T A :
Tomás Cervantes Morales
ASESOR: M. en C. ALVARO CASADOS SÁNCHEZ
2
POZA RICA, VER. OCTUBRE 2001
3
C.c.p. expte.
Minutario
*gtz.-
Prolongación de la Av. Venustiano Carranza S/N Col. Revolución Apartado Postal 552 Teléfono 3-81-43
4
Prolongación de la Av. Venustiano Carranza S/N Col. Revolución Apartado Postal 552 Teléfono 3-81-43
5
D E D I C A T O R I A S
A DIOS: A MIS PADRES: A MIS HERMANOS: A MI HIJO: A MIS ABUELOS: A MIS TÍOS: A MIS SOBRINAS: A MIS AMIGOS
Por sus bendiciones y darme lo necesario en esta vida. Gracias Señor. Tomas Cervantes García, Juana Irma Morales Aparicio, por darme la vida el amor y apoyo incondicional al ofrecerme una carrera profesional. Por siempre gracias. Ana Isabel (Segunda madre) Héctor Rubén con quien pase momentos agradables en mi vida. Que dios los cuide siempre. Tomas Adrián Cervantes Clemente. El regalo más grande que dios me dio el motivo de mi existencia. Gracias Adriana. Timoteo Morales, Petra Aparicio poro su apoyo y amor incondicional. Pascual, Alvarado y Oliva Hernández Chávez Lisbeth, Berenice y Ana Caren Medina Cervantes Estuardo (mi segundo Hermano), Aurelio Cazares, Marco Antonio, Marcos Burns, Maurilio G., Antonio Días, Angel Pulido, Elmer Muñoz, Aarón Saldivar, Aarón Quiroz, José Luis Vela, Martín Estrada y José Abraham Vizcarra.
6
CONTENIDO
PROCESOS DE TRABAJO
TEMA: RÉGIMEN TÉRMICO DE LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA ADOLFO LÓPEZ
MATEOS Y CONDICIONES DE OPERACIÓN QUE LE AFECTAN.
ÍNDICE
PAG.
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
JUSTIFICACIÓN
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO
ENUNCIACIÓN DEL PROBLEMA
ESTRUCTURA DE TRABAJO
PLANEAMIENTO DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
HIPÓTESIS DEL TRABAJO
PROCESO DE LA INVESTIGACIÓN
CAPITULO II
EXPOSICIÓN GENERAL
MARCO CONTEXTUAL
MARCO TEÓRICO
SUBTEMA 1.0 DESCRIPCIÓN DEL COMPLEJO TERMOELÉCTRICO
ADOLFO LÓPEZ MATEOS.
SUBTEMA 2.0 CICLO TERMODINÁMICO DE CENTRALES TERMOELÉCTRICAS.
2.1 CICLO RANKINE
2.2 CICLO RANKINE CON SOBRECALENTAMIENTO
2.3 CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO
2.4 CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO
REGENERATIVO DE AGUA
1
1
1
2
2
2
3
3
5
5
7
7
30
31
34
35
37
U. V. CAPITULO I
7
PAG.
SUBTEMA 3.0 RÉGIMEN TÉRMICO
3.1 RÉGIMEN TÉRMICO (RT)
3.2 CONSUMO TÉRMICO UNITARIO (CTU)
3.3 EFICIENCIA DEL GENERADOR DE VAPOR (EGV)
3.4 RÉGIMEN TÉRMICO OPTIMO (RTO)
3.5 RÉGIMEN TÉRMICO DECLARADO (RTD)
SUBTEMA 4.0 CÁLCULO DEL REGIMEN TÉRMICO
SUBTEMA 5.0 CONDICIONES QUE AFECTAN AL RÉGIMEN TÉRMICO.
5.1 CONDICIONES DE OPERACIÓN Y MANEJO DE COMBUSTIBLE
5.2 PORCENTAJE DE OXIGENO EN LA COMBUSTIÓN
5.3 CONDICIONES DE CALENTADORES REGENERATIVOS
DE AIRE (CRA) Y CALENTADORES AIRE VAPOR (CAV)
5.4 EFECTOS DE LOS CALENTADORES DE ALTA PRESIÓN
(CAP) Y CALENTADORES BAJA PRESIÓN (CBP)
5.5 PÉRDIDA DE VACIO EN EL CONDENSADOR.
5.6 EFECTOS DE LA TEMPERATURA DEL AIRE
SUBTEMA 6.0 BALANCE ECONÓMICO.
CAPITULO III
CONCLUSIONES Y PROPOSICIONES
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
39
41
42
43
45
47
49
52
52
60
63
67
70
73
74
80
81
82
U. V. CAPITULO I
8
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
U. V. CAPITULO I
9
CAPITULO I.
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la tecnología y el progreso en el ámbito mundial ha hecho
que las empresas se preocupen por elevar sus niveles de Calidad y Productividad,
para poder competir en los diferentes mercados con estas características.
Comisión Federal de Electricidad conociendo estos antecedentes ha
Iniciado un proceso para la Certificación de Calidad en algunas de sus Centrales de
Generación, y dada la apertura del Gobierno Federal para que la iniciativa privada
participe en la Generación de Energía Eléctrica, se ha implementado medidas de
control para optimizar la operación y reducir costos en los diferentes mercados con
estas características.
JUSTIFICACIÓN
La apertura comercial que se presenta tener en nuestro país, con la
Modificación a los Art’s. 27 y 28 Constitucionales para permitir la participación de
La Iniciativa Privada en Generación Eléctrica, nos conllevara a participar en un
Mercado de Energía, donde las Centrales de Generación se convertirán en
Unidades Estratégicas de Negocios ( U. E. N. ), donde competirán con la ofertas
de generación existente y tendrá mas éxito quien logre los mejores costos sin
desmeritar la calidad.
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO
Este es un trabajo que muestra un procedimiento de control para optimizar
costos y tiene un enfoque económico el cual permitirá a las empresas de este tipo
tener ahorros en sus costos de producción contra la capacidad efectiva de
generación.
U. V. CAPITULO I
10
U. V. CAPITULO I
Es aplicable en centrales de tipo Termoeléctrica o ciclo combinado.
ENUNCIACIÓN DEL PROBLEMA
En una Central Termoeléctrica de Generación de Energía Eléctrica, el
principal insumo que tiene la mayor asignación, presupuestal es el combustible,
razón por la cual todo lo que se pueda hacer en beneficio de un ahorro
considerable, representara un ahorro considerable, en el presupuesto, y los
excedentes se podrán invertir en otras áreas de la empresa en beneficio de sus
integrantes, creando entre otras cosas programas de Inversión – Beneficio
Capacitación, Adiestramiento, etc.
ESTRUCTURA DE TRABAJO
Se presenta esta tesis, dividida en 3 capítulos, conclusiones y bibliografía,
donde el lector encontrara un desglose completo para calcular el Régimen Térmico
de una Central Termoeléctrica.
PLANEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
Para poder llegar a los procedimientos de cálculo del Régimen Térmico, se
tomaron mediciones de las variables que influyen en el proceso durante la
operación del Complejo Termoeléctrico Presidente Adolfo López Mateos, por lo
tanto son datos verídicos y que a su vez cambian de acuerdo con las condiciones
de operación las cuales son explicadas en el desarrollo de los temas
11
U. V. CAPITULO I
HIPÓTESIS DEL TRABAJO
La determinación del Régimen Térmico es un parámetro que mide la
eficiencia de un ciclo termoeléctrico en cuanto a consumo de combustible, sin
embargo; se considera que al tener variaciones en las condiciones de operación se
puede obtener un panorama mas amplio del ciclo que se muestran las perdidas que
se tienen que no queden enmascaradas por el buen funcionamiento de otras, por lo
tanto en este trabajo se analizara el comportamiento de las variables directas e
indirectas que se relacionan con el calculo de Régimen Térmico,
PROCESO DE INVESTIGACIÓN
Este es un Método estadístico de calculo y análisis, por lo tanto, se basa
en lectura cada hora durante un periodo de un mes y de los cuales se tomaran los
valores promedios de cada variable para efectuar los cálculos.
12
U. V. CAPITULO II
CAPITULO II
EXPOSICIÓN GENERAL
13
U. V. CAPITULO II
CAPITULO II
EXPOSICIÓN GENERAL
MARCO CONTEXTUAL
Una central termoeléctrica es un conjunto de obras civiles e instalaciones
Electromecánicas esta diseñada para trasformar la energía térmica del vapor en
energía eléctrica, en el momento que sea demandada por e sistema eléctrico
nacional interconectado.
La central Termoeléctrica Presidente “Adolfo López Mateos“ se encuentra
ubicado en el municipio de Túxpam de Rodríguez Cano , a 9 Kilómetros al noreste
de la ciudad y puerto de Túxpam, en la localidad denominada Isla de los
petroleros, a 6 kilómetros al norte de la desembocadura del rió Túxpam al Golfo
de México, en el estado de Veracruz; sus coordenadas geográficas son 21’08’30”
de la latitud norte, 97’10’30” latitud oeste, a una altura de 3.5 m. Sobre el nivel
medio del mar.
El vapor, elemento esencial en el funcionamiento de las centrales
termoeléctricas, se obtienen a partir del agua de mar evaporada, sometida a
calentamiento por la combustión de cualquiera de los siguientes energéticos: gas
natural y/ o combustóleo. El vapor se genera en grandes recintos cerrados,
denominados generadores de vapor, cuyas paredes se encuentran cubiertas por
una profusión de tubos de varios diámetros y materiales, por donde circula el
agua; el color generado hace hervir el agua generándose el vapor que es
conducido por medio de tubos exteriores hasta las turbinas de vapor. Al entrar a
las diferentes etapas de la turbina, esta produce un impulso en los alabes de esta,
haciéndolo girar. Esta turbina trasmite al generador un movimiento,
transformándose en electricidad. Por ultimo, el vapor es descargado en el
condensador donde nuevamente se convierte en agua, por el enfriamiento
provocado por el agua de circulación.
14
U. V. CAPITULO II
El agua que se utiliza en el proceso como este, se encuentra
desmineralizada y tratada químicamente, controlando la gran cantidad de sales
disueltas en ellas, con el objeto de proteger a todos los componentes sujetos a
presión y temperatura.
La central termoeléctrica presidente “Adolfo López Mateos“, es de tipo
intemperie para sus generadores de vapor e interior para sus turbogeneradores,
que cuenta con edificios para casas de maquinas. Tienen un cuarto de control para
cada dos unidades.
15
U. V. CAPITULO II
MARCO TEÓRICO.
SUBTEMA. 1 DESCRIPCIÓN DE LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA ADOLFO
LÓPEZ MATEOS.
El complejo termoeléctrico Adolfo López Mateos esta constituida por seis
unidades generadoras de electricidad de 350 Mw cada una, contando con una
totalidad de 2100 Mw de capacidad instalada en sus seis unidades
La construcción de cada una es del tipo intemperie para los generadores
de vapor y cubierta o interior para los turbogrupos o turbogeneradores, que son
instalados en un edificio cubierto; llamado así casa de maquinas. Contando a su
vez con un cuarto de control central por cada dos unidades generadoras.
Dicha central generadora se encuentra localizada a 348 km de la ciudad de
México, por la carretera federal que une a esta ciudad con el puerto de Túxpam,
como se muestra en la figura Numero 1.1
FIG. N° 1.1 LOCALIZACIÓN DEL C.T.P.A.L.M.
16
U. V. CAPITULO II
La generación de energía eléctrica es el producto de una serie de
trasformaciones de energía. Dichas trasformaciones dependen del tipo de
combustibles empleado y de ahí se deriva una clasificación de las centrales de
generación de electricidad, entre las que figuran la siguientes: Eólicas, Solares,
Geotérmicas, Núcleoeléctricas, Mareomotrices y Termoeléctricas. De estas,
actualmente son las termoeléctricas las mas importantes por sus altas capacidades
de generación de electricidad y por sus constantes desarrollos tecnológicos, que
traen como resultado el mejoramiento de sus eficiencias.
A continuación se describen las características generales de las unidades
del C. T. P. A. L. M., que corresponden a la clasificación de centrales
termoeléctricas. El diagrama corresponde a una unidad se muestra en la figura No.
1.2. y 1. 2.a. en el generador de vapor de estas unidades se aprovecha la energía
química de un combustible fósil (combustóleo), la cual se trasforma en energía
calorífica por la radiación y convención de los gases calientes producto de la
combustión. Esta energía calorífica se trasforma en energía térmica al transferirse a
las paredes de agua del generador de vapor. La energía térmica del vapor, se
trasforma en energía mecánica al expansionarse en las turbinas de vapor, haciendo
girar al conjunto turbogenerador. Finalmente la energía mecánica se trasforma en
energía eléctrica de acuerdo al principio de la inducción electromagnética.
17
U. V. CAPITULO II
FIG. N°. 1.2 DIAGRAMA DE FLUJO
18
U. V. CAPITULO II
GENERADOR DE VAPOR TURBINA CONDENSADOR
Y SISTEMA DE CONDENSADO
1.- ECONOMIZADOR.
2.- DOMO. 3.- TUBOS BAJANTES. 4.- DOMO INFERIOR O CABEZALES. 5.- TUBOS DE GENERACIÓN. 6.- TUBOS ELEVADORES. 7.- DISPOSITIVOS DE SEPARACIÓN AGUA-VAPOR EN EL DOMO. 8.- SOBRECALENTADOR ( PRIMARIO Y SECUNDARIO). 10.- RECALENTADOR
9.- TURBINA DE ALTA PRESIÓN Y PRIMER PASO. 11.- TURBINA DE PRESIÓN INTERMEDIA 12.- TURBINA DE BAJA 13.- PRESIÓN 14.- ESCAPE SISTEMA DE EXTRACCIONES
15.- CONDENSADOR 16.- POZO CALIENTE 17.- BOMBAS DE CONDENSADO 18.- PULIDORES DE 19.- CONDENSADO 20.- CALENTADOR DE BAJA PRESIÓN 1 21.- CALENTADOR DE BAJA PRESIÓN 2 22.- CALENTADOR DE BAJA PRESIÓN 3 23.- CALENTADOR DE BAJA PRESIÓN 4 24.- DEAREADOR O CALEN- TADOR 5. SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN
E7.- EXTRACCIÓN AL CALENTADOR 7 E6.- EXTRACCIÓN AL CALENTADOR 6 E5.- EXTRACCIÓN AL DEAREADOR 0 CALENTADOR O E4.- EXTRACCIÓN AL CALENTADOR 4 E3.- EXTRACCIÓN AL CALENTADOR 3 E2.- EXTRACCIÓN AL CALENTADOR 2 E1.- EXTRACCIÓN AL CALENTADOR 1
25.- BOMBAS DE AGUA DE ALIMEN- TACIÓN 26.- CALENTADOR DE ALTA PRE- SION 6. 27.- CALENTADOR DE ALTA PRE- SIÓN 7.
FIG. No. 1.2.a. ESPECIFICACIONES DEL DIAGRAMA DE FLUJO
19
U. V. CAPITULO II
El combustible utilizado en el C. T. P. A. L. M. Llega por medio de buque-
tanques y se conectan a una monoboya ubicada en el mar, descargando el
combustible a través de esta. La monoboya cuenta con un conjunto de válvulas y
mangueras submarinas, las cuales se conectan a tuberías que descargan el
combustible a los tanques de almacenamiento.
De los tanques de almacenamiento, el combustible se transfiere a los
tanques de uso diario, mediante bombas de trasferencias, para mantener estos
últimos con un nivel adecuado ya que de estos tanques succionan las bombas
principales de combustible para suministrarlo a los quemadores del generador de
vapor, a una temperatura adecuada ( 130° C ) para su combustión.
El combustible a la temperatura de 130° C, se atomiza en el generador de
vapor y se mezcla con aire para su combustión. El aire necesario para la
combustión es proporcionado por los ventiladores de tiro forzado.
La energía calorífica obtenida por la radiación y la convención de los gases
calientes producto de la combustión, es aprovechada para calentar el agua de las
paredes del generador de vapor y producir vapor que pasa primero al domo de
vapor y posteriormente a los sobrecalentadores, para estar en condiciones de
efectuar su trabajo en las turbinas.
El domo de vapor se debe mantener un nivel de agua adecuada, que es
de ( 0 m. m. ) con respeto a su centro geométrico, para suministrar a los tubos
bajantes y paredes de agua, de tal modo que el generador de vapor opera en
forma segura y se realice la producción de vapor, que es de 1182.7 ton /hr. El
control del nivel de agua en el domo del generador de vapor se efectúa mediante
los variadores de velocidad de las bombas de agua de alimentación (sistema de
agua de alimentación).
20
U. V. CAPITULO II
EL C. T. P. A. L. M. Cuenta con un sistema de condensado por unidad.
Este sistema está compuesto, por el condensador, por las bombas de agua de
condensado, por los pulidores de condensados, por los calentadores de baja
presión y por el deareador.
El agua del pozo caliente es el producto de la condensación del vapor que
trabajo en las turbinas y finalmente escapa hacia el condensador, el cual tiene un
conjunto de tubos por donde circula agua de mar, proporcionada por las bombas de
agua de circulación, para efectuar la condensación de ese vapor de escape.
El agua del condensador entonces es succionada por las bombas de
condensado y se hace pasar por una serie de calentadores de baja presión, los
cuales reciben vapor de las extracciones de la turbina para incrementar
gradualmente la temperatura del agua y enviarla al desgasificador, donde existe
una serie de toberas para atomizar el agua y así suministrarle vapor para su
adecuada desgasificación y por ultimo depositarse en el tanque de almacenamiento
del desgasificador (tanque de oscilación).
Las bombas de agua de alimentación succionan el agua necesaria para
controlar el nivel del domo del tanque de almacenamiento del desgasificador,
enviándola a través de calentadores de alta presión, los cuales reciben vapor de las
extracciones de la turbina, para continuar incrementando la temperatura del agua,
de tal modo que llegue al generador de vapor con una temperatura cercana a la
saturación para producir vapor.
Una vez que la energía térmica del vapor sobrecalentado es aprovechada
en la turbina de alta presión y realiza trabajo, fluye hacia el recalentador del
generador de vapor para recuperar temperatura, con el objeto de evitar
condensaciones posteriores cuando trabaje en la turbina de presión intermedia y la
turbina de baja presión.
21
U. V. CAPITULO II
Como se menciona anteriormente, la energía mecánica de la turbina es
transformada en energía eléctrica mediante el generador eléctrico. La corriente así
generada es envida a un trasformador para elevar su tensión de 20 kv a 400 kV con
el objeto de reducir las perdidas por el efecto joule en la transmisión de energía
hacia los centros de consumo.
CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS PRINCIPALES
Todos los equipos de una Central Termoeléctrica son importantes, pero de
acuerdo a su participación en la generación de electricidad, así como por sus
tamaños y costos, se clasifica a los siguientes equipos como principales:
1.- Generador de vapor.
2.- Turbina y condensador.
3.- Generador Eléctrico.
Al resto de los equipos que participan directamente o indirectamente en la
generación de energía eléctrica, se les clasifica como equipos auxiliares.
Existe una gran variedad de equipos auxiliares, entre los que se citan:
bombas, ventiladores, extractores, calentadores, enfriadores, compresores,
eyectores, deareador, tanques, etc.
A continuación se describe las características de los Equipos Principales
de las Unidades del C. T. P. A. L. M.
GENERADOR DE VAPOR ( G. V. )
Los Generadores de vapor del complejo termoeléctrico son de circulación
natural de tipo radiante, con domo de vapor y hogar balanceado, con recirculación
de gases, con sobrecalentador y recalentador tipo horizontal, con 24 quemadores
22
U. V. CAPITULO II
simples en posición frontal de dos niveles, con una capacidad máxima continua de
generación por unidad de 1182.7 ton/hr, de vapor sobrecalentado, a un presión de
operación de 170 bars y temperatura de 540°C. Este tipo de generador de vapor se
muestra en l figura No 1. 4.
FIG. N°. 1.4 GENERADOR DE VAPOR
23
U. V. CAPITULO II
Estos generadores de vapor están diseñados para operar con combustible
conocido como bunker “ c “ (combustóleo) y diesel. Tienen una superficie de
calentamiento de 20690 m2. Su consumo promedio de combustible es de 1943
ton/hr, a una presión de vapor de atomización de 18 bars.
Por cada dos unidades, se construyo una chimenea con fuste común de
concreto, conteniendo dos tiros de tabique refractario, uno para cada unidad.
El generador de vapor consta de 16 quemadores en cuatro niveles,
colocados de manera tangencial
El aira para la combustión es manejado por unos ventiladores que lo
envían a través de ductos hasta llegar a los quemadores y el hogar.
La combustión en el hogar libera el color, que se aprovecha para los siguientes
propósitos:
a) Calentar agua.
b) Transformar el agua en vapor.
c) Sobrecalentar el vapor.
Los gases calientes producto de la combustión salen del hogar y son
conducidos por unos pasajes y ductos antes de escapar a la atmósfera, para que
se aprovechen en el precalentamiento del aire en los calentadores regenerativos de
aire ( cra’s ).
Las partes principales del generador de vapor son las siguientes:
I ) La caldera
II ) El sobrecalentador
III) El recalentador.
24
U. V. CAPITULO II
IV ) E l economizador .
V ) Los calentadores de aire – vapor ( cav’ s )
VI ) Los calentadores regenerativos de aire ( cra ‘ s ).
A continuación se hace una descripción sencilla de cada una de estas
partes:
I ) LA CALDERA:
Auque se ha acostumbrado llamar “caldera” al generador de vapor
completo, la caldera es solamente una de las partes principales que lo constituye y
es aquella en la que se produce vapor saturado.
La caldera del generador de vapor es del tipo de tubo de agua
(acuatubulares) y esta constituida por grandes cantidades de tubos alineados uno
junto a otro, formando una pared continua que envuelve al hogar, dejando un
espacio interior en donde se produce la combustión. Los tubos están llenos de
agua que, al calentarse produce el vapor. Los cabezales sirven para interconectar
los tubos generadores y no están expuestos al calor.
Finalmente, en un recipiente cilíndrico horizontal llamado domo y con el
nivel cero, con respecto a su centro geométrico, se realiza la separación del vapor
producido y el agua.
El vapor sale por la parte superior, pasando previamente por unos
separadores ciclónicos, en donde se elimina parte de la humedad y sale como
vapor saturado seco con destino al sobrecalentador.
25
U. V. CAPITULO II
II ) EL SOBRECALENTADOR.
Esta formado por dos secciones, primario y secundario y esta equipado
entre estas secciones con un atemperador para el control de temperatura del vapor.
El vapor saturado seco que sale del domo de vapor con una presión de 180 bars y
una temperatura de 320° C, fluye por las dos secciones del sobrecalentador y lo
sobrecalienta hasta la temperatura de 540° C, que es la requerida por la turbina de
alta presión.
III ) EL RECALENTADOR.
Este elemento recibe vapor denominado “recalentador frió“, proveniente
de la salida de la turbina de alta prisión y lo recalienta ( “ recalentado caliente ) a
la temperatura de 540° C requerida por la turbina de presión intermedia.
Las características y el comportamiento del recalentador son semejantes a
los del sobrecalentador, pero el recalentador opera con una presión menor ( 39
bars)
Se suministra dos atemperadores de rocio a la entrada del recalentador,
para utilizar solo en casos de emergencias.
El recalentador tiene la capacidad de soportar durante el encendido, altas
temperaturas sin contener agua o vapor en su interior que le sirvan de
Enfriamiento.
IV ) EL ECONOMIZADOR.
Su función es aprovechada el calor que llevan los gases de combustión
antes de abandonar el hogar, ya que esta localizado en el ultimo punto por el que
pasan los gases antes de salir del hogar y es el primer punto que toca el agua de
alimentación al entrar al generador de vapor en su paso hacia el domo.
26
U. V. CAPITULO II
El economizador esta compuesto por una serie de tubos dispuestos en
forma horizontal y a contraflujo, situados por debajo del primer banco del
recalentdor. Esta conectado a unos de los tubos bajantes con la finalidad de
recircular el agua durante los paros y arranques y evitar evaporación. Tiene un
drenaje y su venteo es a través del domo de vapor
Todas estas partes se observan en la grafica siguiente 1.4
FIG. 1.4 PARTES DEL GENERADOR DE VAPOR
27
U. V. CAPITULO II
V) CALENTADORES DE AIRA – VAPOR ( CAV’S )
El uso de aira caliente para la combustión mejora las condiciones de esta y
además aumenta la eficiencia del generador de vapor.
Los cav´s están instalados en el ducto de aire a la descarga de los
ventiladores de tiro forzado. Reciben el aire a la temperatura ambiente y lo
descargan a 88° C. Por el lado de alimentación de vapor cuenta con dos cabezales;
uno de entrada de vapor y el otro de salida, unidos por una serie de tubos aletados.
Se cuenta con dos calentadores de aire – vapor en cada generador de vapor. El
diagrama esquemático de un cav se muestra en la figura No. 1.5.
FIG. N°. 1.5 CALENTADOR AIRE VAPOR CAV’S
28
U. V. CAPITULO II
El medio calefactor es vapor, obtenido de otro punto en el proceso. Al
pasar el vapor por los tubos, cede parte de su calor al aire y se condensa. El
producto de la condensación fluye hacia unos colectores de condensados de los
calentadores de aire. El aire y el vapor no se mezclan .
VI ) CALENTADORES REGENERATIVOS DE AIRE ( CRA’S )
Los gases calientes que salen del generador de vapor con una
temperatura aproximada de 330° C, pasan por los cra’s, en donde ceden el calor
al aire necesario para la combustión antes de salir a la atmósfera a través de la
chimenea. En la figura No. 1.5 . se muestra las partes que componen un
calentador regenerativo.
FIG. N°. 1.5 DIBUJO DE UN PRECALENTADOR REGENERATIVO TIPO ROTACIÓN TÍPICO
29
U. V. CAPITULO II
Los gases que salen de los cra’s están a la temperatura de 146° C, el aire
que entra al generador de vapor es de 295° C a 300° C, aproximadamente. Los
gases son enviados a la atmósfera sin que se desperdicien grandes cantidades de
calor. El aire y los gases no se mezclan.
En general, el combustible que se utiliza como combustible en los
generadores de vapor contienen algo de azufre; por lo tanto, los gases producto de
la combustión contienen óxidos de azufre. Si estos gases se hacen pasar por los
cra’s, van enfriándose y cediendo su calor al aire. Si la temperatura de los gases
baja mucho, puede llegarse hasta un punto llamado “ punto de rocio “. En este
punto se forman ácidos corrosivos ( producto de los óxidos de azufre de la
humedad ), que atacan a los componentes metálicos de los cra’s. Una forma de
evitar l corrosión, es haciendo que el aire por calentarse no llegue frió a los cra’s
para que los gases no se enfríen hasta el punto de rocio . como los gases no se
enfrían mas debajo de la temperatura del aire que entra, la corrosión se evita
calentando el aire antes de que entre a los cra´s, el calentamiento previo de aire se
efectúa en los cav’s.
Los cra’s son del tipo flecha vertical, operados normalmente por un motor
eléctrico con reductor de velocidad. Cuentan con un motor de aire que los mueve
en casos de emergencia. Cada calentado esta montado en dos chumaceras, una
en la parte superior llamada chumacera guía y otra en la parte inferior llamada
chumacera soporte. Las chumaceras tienen instalado un sistema de aceite
lubricante enfriado por una bomba y un ventilador, el cual entra en servicio
automáticamente, cuando la temperatura del aceite aumenta a mas de 50°C y
salen de servicio cuando la temperatura es menor de 45°C.
Los elementos de los cra’s tiene una disposición compacta y están
formados por hojas de metal corrugado resistentes a la corrosión. Cada uno de los
elementos es llamado comúnmente canasta.
30
U. V. CAPITULO II
Los cra´s cuentan con un deshollinador para evitar el ensuciamiento de los
elementos. Este es operado por un motor eléctrico y utiliza vapor para el soplado,
se cuenta además con una línea de agua para lavar las canastas.
TURBINA Y CONDENSADOR
A continuación se describe las características técnicas de la Turbina y del
Condensador de las Unidades del C.T.P.A.L.M.
TURBINA
La turbina convierte la energía térmica del vapor que recibe en trabajo
mecánico. Este trabajo es trasmitido al generador eléctrico y de esta manera se
genera la energía eléctrica.
El ciclo termodinámico con el trabajo de la turbina es del tipo regenerativo,
con sobrecalentamiento y recalentamiento. Su descarga es al condensador
principal y cuenta con siete extracciones de vapor, para la conformación de un
Ciclo Rankine Regenerativo.
La turbina es marca Mitsubishi, de 3600 rpm, tipo tandem compound, para
operar con vapor sobrecalentado, vapor recalentado y descarga final al
condensador principal. La turbina tiene 19 pasos, con doble flujo en la parte de baja
presión, con un largo efectivo del ultimo álabe de 781 mm. Cuenta con siete punto
de extracción sin regulación. La flecha de la turbina, se acopla directamente al
generador eléctrico.
La turbina opera con vapor sobrecalentado a 540°C, a una presión de 170
bars y vapor recalentado a 540°C , a una presión de 39 bars. Estas condiciones
son a la entrada de las válvulas de paro de vapor principal y de vapor recalentado
de la turbina. Con los siete calentadores de agua de alimentación en servicio, así
31
U. V. CAPITULO II
como todo los servicios de calentamiento del equipo auxiliar operando, la
capacidad del turbogenerador es de 350MW, con un vacío en el condensador de
680 mm de Hg.
El equipo principal del turbogenerador es el siguiente:
1) Turbina de alta presión.
2) Turbina de presión intermedia.
3) Turbina de baja presión.
1) TURBINA DE ALTA PRESIÓN
La turbina de alta presión que se muestra en la figura No. 1.6 es la que
admite el vapor principal y se localiza en el extremo del gobernador y está
constituida por una etapa del impulso (Rateau) y siete de reacción. Los álabes
tienen una figura y disposición tal, que el vapor fluye del lado del gobernador al
generador eléctrico en la etapa de impulso y luego del generador eléctrico al del
gobernador en las etapas de reacción
FIG. N° 1.6 TURBINA ALTA PRESIÓN Y PRESIÓN INTERMEDIA
32
U. V. CAPITULO II
2) TURBINA DE PRESIÓN INTERMEDIA.
La turbina de presión intermedia se localiza entre la turbina de baja presión
y la de alta presión. Es la que admite el vapor recalentado caliente y esta
constituida por seis etapas de reacción. Los alabes están colocados del tal manera
que el vapor fluye hacia el lado del generador eléctrico., en sentido opuesto al flujo
de la turbina de alta presión en las etapas de reacción.
Las turbinas de alta presión y de presión intermedia están montadas en
una flecha común.
Con el fin de reducir esfuerzos y vibraciones, los älabes de la turbina de
alta presión y de presión intermedia van en grupo de seis, sujetos con una banda
comün, sobre la cual se encuentran remachados los bordos de los alabes, en el
extremo libre de estos.
Entre los pasos de la turbina se disponen de sellos ( entre la rueda y la
carcaza ) para minimizar las perdidas de vapor entre un paso y otro.
4) TURBINA DE BAJA PRESIÓN.
Esta turbina se encuentra localizada entre la turbina de presión intermedia
y el generador eléctrico. Es del tipo de reacción de doble flujo, ya que
consta de dos secciones opuestas, en donde el vapor es admitido por el
centro y fluye hacia sus extremos. Cada sección consta de cinco pasos, tal
como se muestra en la figura No 1. 7.
33
U. V. CAPITULO II
FIG. N° 1.7 TURBINA DE BAJA PRESIÓN.
En forma similar a las turbinas anteriores, se tienen anillos de sellos para
evitar fugas de vapor de un paso a otro, asi como de entrada de aire del exterior.
CONDENSADOR
Este equipo tiene por objetivo condensar el vapor que sale de la turbina de
baja presión. El agua, producto de la condensación desciende y se almacena en la
parte inferior del condensador, llamada poza – caliente, de donde se succiona por
las bombas de extracción de condensado y se reincorpora al ciclo. En la figura No.
1. 8 se muestra el condensador de la Unidad I.
34
U. V. CAPITULO II
FIG. N°. 1. 8 CONDENSADOR
La condensación del vapor se logra mediante una transferencia de calor
entre el vapor caliente de la turbina de baja presión y el agua de circulación, que es
de mar y que circula por el interior de los haces de tubos. Esto trae como
consecuencia una liberación de gases no condensables, absorbidos por el agua
durante el proceso, que deben de extraerse continuamente por medio de un
sistema de eyectores.
La condensación del vapor y la extracción de gases no condensables crea
la presión de vacío de trabajo del condensador, que es de 680mm. de Hg, presión
que debe mantenerse constante.
Al condensador llega también el condensado proveniente de los drenajes
de diferentes servicios y equipos .
35
U. V. CAPITULO II
GENERADOR ELÉCTRICO
El generador eléctrico es un generador trifásico, acoplado una turbina de
vapor de 350 MW, con los devanados conectados en estrella y el neutro a tierra.
Sus terminales se conectan directamente al transformador principal que eleva el
voltaje de generación de 20kv a 400kv, para luego conectarse a la subestación por
medio de los interruptores principales.
El generador cuenta con un sistema de enfriamiento con hidrógeno y agua
desionizada. El hidrógeno se utiliza para el enfriamiento del núcleo del estator y de
los devanados del rotor principalmente y el agua desionizada se usa para el
enfriamiento de las bobinas del estator.
Debido al uso de hidrógeno como sistema de enfriamiento, es necesario
contar con un sistema de sello, que evita la fuga del hidrógeno contenido en el
interior del generador. Este sistema de sellado es a base de aceite. Los elementos
del generador eléctrico, se muestra en la figura N° 1. 9 y son:
- CARCAZA
- ESTATOR
- ROTOR
FIG . N°. 1.9 ELEMENTOS DEL GENERADOR ELÉCTRICO
36
U. V. CAPITULO II
La descripción de cada uno de estos elementos se hace continuación:
CARCAZA
La carcaza del generador es una cubierta de acero de gran resistencia
mecánica, a la cual sirve de soporte al núcleo magnético y a los devanados del
estator. Además, sus tapas son también fuertemente reforzadas para soportar el
peso del rotor y contener la presión del hidrógeno sin sufrir distorsión.
La carcaza contiene también a los enfriadores de hidrógeno y su diseño
interior permite que el hidrógeno circule a través de ellos y luego, en diversas
trayectorias, circule por el interior del generador eléctrico.
ESTATOR.
El estator esta constituido por un núcleo magnético formado por una serie
de laminas de acero circulares recubiertas de un barniz aislante. Estas
laminaciones están ranuradas en su interior y dentro de esas ranuras de alojan las
bobinas del estator.
Las bobinas del estator están formadas por una serie de barras que se
conectan en los extremos para crear las fases del generador. Cada barra esta
formada por varios conductos de cobre huecos, ensamblados en forma rectangular
y cubiertos con varias capas de aislamiento.
Los extremos de la barras se unen por medio de un conector especial, el
cual cuenta además con las conexiones para el suministro de agua desionizada al
interior de los conductos para su enfriamiento. El suministro de agua se efectúa por
medio d mangueras flexibles a cada de los conectores de las barras.
37
U. V. CAPITULO II
ROTOR
El rotor esta formado por un núcleo laminado de forma cilíndrica con
ranuras longitudinales, dentro de las cuales están colocadas las bobinas de
campo. Estas bobinas están sujetas a lo largo por medio de cuñas y en los
extremos por dos anillos de retención de gran resistencia mecánica para
asegurarlas contra la fuerza centrífuga.
Las bobinas se conectan en serie para formar un solo circulo, de manera
que al circular la corriente de excitación se forman dos polos magnéticos.
Las terminales de las bobinas se conectan a dos barras en el interior del
rotor, las cuales conectan las bobinas de campo con los anillos colectores para
que medio de escobillas se suministre la corriente de excitación.
38
U. V. CAPITULO II
SUBTEMA 2. CICLO TERMODINÁMICO DE CENTRALES
TERMOELÉCTRICAS
Esta parte será desarrollada en torno a los modernos ciclos de vapor y se
discutirá el desarrollo de los ciclos termodinámicos básicos que se utilizan para
generación de energía eléctrica.
Al desarrollarse los ciclos de vapor modernos se han tenido que introducir
los medios para evaluar si eficiencia y sus respectivas implicaciones económicas.
Una central generadora utiliza un ciclo de vapor donde el agua sufrirá
varios procesos termodinámicos durante este ciclo. La figura No. 2.0 es un
diagrama simplificado de una planta de vapor moderna, mostrando los elementos
esenciales del mismo.
FIG. N°. 2.0 CICLO DE VAPOR SIMPLIFICADO DE UNA CENTRAL GENERADORA.
39
U. V. CAPITULO II
Una mitad del ciclo consiste de un generador de vapor, la fuente de calor y
sus auxiliares; la otra parte del ciclo es una turbina, la cual consta de
turbogeneradores y calentadores de alimentación.
2.1 CICLO RANKINE
El ciclo básico de vapor utilizado por las centrales termoeléctricas es
conocido como ciclo Rankine. Dicho ciclo generalmente se usa para expresar el
comportamiento ideal de una maquina de vapor, recíprocamente ó de una turbina,
las cuales operan en conjuntos con otros equipos y forman lo que se llama una
planta de vapor.
Ahora consideramos el ciclo Rankine sencillo para vapor que se muestra
esquemáticamente en la fig. No. 2.1 con su respectivo diagrama (T-S)
FIG. N°. 2.1 CICLO RANKINE SENCILLO Y SU REPRESENTACIÓN EN EL DIAGRAMA T-S
40
U. V. CAPITULO II
El cual se explica de la siguiente manera:
El agua se bomba hacia la caldera por la bomba de alimentación
(proceso A-B). En el proceso (B-C) el agua es calentada para producir vapor
saturado seco. El vapor saturado seco se expande a través de una turbina
isentrópicamente, esto es sin perdidas, en un proceso (C-D); produciendo trabajo
en flecha de la turbina.
Finalmente el vapor húmedo que sale de la turbina entrega si calor en el
condensador retornando a su estado líquido (proceso D-A).
El calor introducido a la caldera esta representado por el área (EABCDFE)
en el diagrama T-S.
El trabajo realizado por este ciclo esta representado por el área (ABCDA).
El calor rechazado hacia el condensador está representado por el
rectángulo ADFEA.
En el campo de la energía la eficiencia térmica (N) esta definida como:
N = =
Dicho de otra manera y representado en los ejes presión – volumen y en
los Ejes temperatura – Entropía de la figura No. 2.1.2, lo anterior se expresa de la
siguiente manera:
AREA ABCDA
AREA EABCDFE
Energía para la Generación
Entrada de Calor
41
U. V. CAPITULO II
FIG. N°. 2.1.2 CICLO DE RANKINE
Considérese un kilogramo de vapor con una presión P1 y una entalpía total
H1, que entra una turbina en punto 1. Dentro de la maquina se realiza una
expansión adiabática desde 1 a 2s en donde la presión final es P2 fig. 2.1.2.
En el punto 2s el vapor principal a condensarse; este proceso, que continua
hasta el punto 3 en el condensador, se lleva a cabo a una presión constante P2 y
llega a ser líquido saturado en el punto 3. Enseguida la bomba ejerce presión en el
líquido para descargarlo en el G. V., el incremento de presión es de P2 a P1 hasta
el punto 4. La acción de la bomba también es isoentrópica y el liquido entra al G. V.
con una entalpía H4 la entalpía se incrementa en el G.V. y el fluido nuevamente
llega a saturarse en el punto 5. El cambio de entalpía sigue dentro del Generador
de Vapor hasta que llega a H1 y el ciclo 1,2s, 3, 4, 5 se completa.
En el diagrama (T-S) el punto 1’ muestra un sobrecalentamiento del vapor,
incrementando así su temperatura hasta 1’, para después trabajar en la turbina de
alta presión y llegar hasta el punto 6’.
42
U. V. CAPITULO II
2.2 CICLO RANKINE CON SOBRECALENTAMIENTO
El primer desarrollo del ciclo Rankine hacia un ciclo de vapor más práctico,
involucró el incremento de la presión y temperatura del vapor para enviarlo a una
turbina. El ciclo de vapor sobrecalentado se muestra en l figura 2.2 con su
respectivo diagrama T-S.
FIG. N°. 2.2 CICLO RANKINE CON SOBRECALENTAMIENTO Y SU REPRESENTACIÓN EN EL
DIAGRAMA T-S.
En el ciclo con sobrecalentamiento el vapor saturado seco que sale del
domo se le agrega calor antes de enviarlo a la turbina. Para la misma calidad de
vapor de escape esto es el mismo punto D, el incremento en el trabajo realizado
se muestra en la figura anterior, la cantidad de calor rechazado es la misma que
para el ciclo Rankine sencillo. Por lo que hay una mejora en la eficiencia del ciclo.
43
N = = =
U. V. CAPITULO II
AREA ABC, D Energía para la Generación AREA (P+Q)
AREA EABC,CF Entrada de Calor AREA (P+Q+R)
La Eficiencia del ciclo con sobrecalentamiento es mayor que la eficiencia
del ciclo Rankine Sencillo ya que el área ( P+Q ) / ( P+Q+R ) es mas grandes que
Q/ ( Q+R ).
El ciclo con sobrecalentamiento se escogió para tener los mismas
condiciones en el escape que en el ciclo Rankine sencillo, sin embargo una
ventaja muy importante de sobrecalentar el vapor es que mediante el incremento
de la temperatura y la presión del ciclo, la humedad en el escape de la turbina es
posible mantenerla dentro de los limites de presión y temperatura del vapor
recomendables de operación.
2 .3. CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO.
El deseo de mayores incrementos en las condiciones del ciclo y
consecuentes incrementos en la eficiencia del ciclo, llevo hacia la adición del
recalentamiento en el vapor después de la expansión en la turbina de alta presión.
El ciclo con recalentamiento se muestra en la figura No. 2. 3 y con diagrama T—S
de la misma figura.
44
N = =
U. V. CAPITULO II
FIG. N°. CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO Y SU REPRESENTACON EN EL
DIAGRAMA T—S.
En el ciclo con recalentamiento, el vapor con una condición inicial de
temperatura se expande particularmente a través de la turbina ( proceso C—D )
realizando una parte de trabajo, y entonces es enviado de regreso al generador de
vapor en donde se recalienta aproximadamente hasta su temperatura original (
proceso D—E ).
El vapor recalentado es alimentado nuevamente hacia el resto de la turbina
( proceso E—F ) y luego se condensa.
El ciclo con recalentamiento incorpora una mejora en la eficiencia térmica,
sobre el ciclo con recalentamiento. La eficiencia térmica a partir del diagrama T—S
es :
AREA A B C D E F Energía para la Generación
AREA GABCDEFH Entrada de Calor
45
U. V. CAPITULO II
2.4 CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO REGENERATIVODE AGUA
Para complementar el estudio de los ciclos de vapor, se vera a
continuación el ciclo con recalentamiento regenerativo de agua; físicamente una
parte del vapor es extraído en varios puntos de la turbina y se condensa al calentar
el agua proveniente del tanque de agua de alimentación que va con dirección a la
caldera.
En la figura No. 2. 4.ilustra la mejora en la eficiencia térmica adjudicable al
vapor de extracción que entrega todo su calor al agua de alimentación y que
entrega muy poco o nada al condensador.
Fig: N°. 2. 4 CICLO RANKINE SENCILLO CON CALENTAMIENTO REGENERATIVO DE AGUA Y
SU REPRESENTACIÓN EN EL DIAGRAMA T-S
46
Existirá una pequeña perdida de trabajo disponible, por el vapor de
extracción que no se expandió en la turbina, sin embargo esta perdida es
compensada por la ganancia de eficiencia del ciclo.
Entre mas calentadores se instalan, mayor sera la mejora en eficiencia
térmica. Sin embargo, el incremento en la ganancia por cada calentador adicional
se reduce a medida que el numero de calentadores s incrementa.
En la siguiente figura se muestra el ciclo con calentamiento regenerativo
aplicado a un ciclo con recalentamiento de vapor.
FIG. N°. 2. 4.1 CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO Y CALENTAMIENTO
REGENERATIVO DEL AGUA .
47
U. V. CAPITULO II
SUBTEMA 3. 0. REGIMEN TERMICO.
Este es un parámetro básico que deben controlar las unidades de
generación, pues en mucha medida de el depende el cumplimiento de algunos de
los objetivos fijados por las mismas en la reunión anual llamada Determinación y
Evaluación de Objetivos ( por sus siglas D. E. V. O. ). Para poder determinar su
calculo, veremos a continuación algunos términos que emplearemos en este
apartado.
Calor: Es la energía en movimiento desde un cuerpo caliente a oto que
esta frio. El calor fluye debido a la diferencia de temperatura entre dos cuerpos.
Caloría; Es la cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura
de un gramo de agua en 1° C.
1 caloría = 4. 184 Joules.
1 kilocalorías = 1,000 Calorías
Calor Sensible de un liquido: Es el calor que absorbe el agua hasta
alcanzar la temperatura de ebullición, la cual es de 100° C, al nivel del mar.
Temperatura de saturación: Es la temperatura la cual hierve el agua o se
condensa el vapor a una presión dada, en el caso de un lugar que se encuentra al
nivel del mar la presión es de 1.033 kg/cm y la temperatura de saturación es de
100° C.
Calor Latente de Vaporización: Es el calor necesario para el cambio de
fase del agua en estado liquido a vapor a temperatura constante.
Calor Sensible del vapor : Es el calor necesario para incrementar la
temperatura del vapor saturado para convertir en vapor sobrecalentado.
48
U. V. CAPITULO II
Fig. N°. 3.0.1 Proceso de calentamiento de agua y generador de vapor.
Entalpía: Es la propiedad de vapor, cuyo valor define la cantidad de
energía térmica a una presión y temperatura particulares, la cual se mide en
unidades térmicas kcal/kg.
49
U. V. CAPITULO II
SUBTEMA 3.1 REGIMEN TERMICO . ( RT )
El régimen térmico es una medida de rendimiento térmico de la operación
del grupo de el generador de vapor–turbina–generador eléctrico, el cual es
efectuado por las condiciones de operación y de diseño, como las perdidas del
generador de vapor.
El Régimen Térmico se exprese de la siguiente manera:
RT = CTU = Consumo Térmico Unitario
EGV Eficiencia del Generador de Vapor
Pero, ¿ Que tiene que ver el CTU con el Régimen Térmico? pues bien en
la fig. No. 3. 1, se muestra un esquema muy general que representa
energéticamente hablando una Unidad de producción termoeléctrica, donde se
puede, apreciar que el CTU esta implicado en el régimen térmico es decir que
aparte de incluir el consumo térmico del grupo turbina—generador---auxiliares, el
régimen térmico considera el consumo térmico del generador de vapor.
FIG. N°. 3.1 ESQUEMA ENERGÉTICO
50
U. V. CAPITULO II
SUBTEMA 3. 2 . CONSUMO TERMICO UNITARIO. ( CTU )
El consumo térmico unitario es el consumo térmico de un conjunto turbina
generador—auxiliares, de una central termoeléctrica necesaria para la producción
de energía eléctrica.
Para determinar el CTU se considera al generador de vapor una caja negra
que entra energía a través del agua de alimentación.
La forma general de la expresión que define al CTU es:
CTU = Calor suministrado al ciclo
Salida Eléctrica.
Para obtener el CTU se ocupa el procedimiento simplificado PTC6.1
ANSI/ASME la cual involucra el flujo y entalpías:
CTU según PTC6.1 1984 ASI/ASME
CTU = FAA (Hvp- haa ) +FRC ( HRC- HRF )
KWG.
DONDE:
FAA = Flujo de agua de alimentación. ( kg/h )
Hvp = Entalpía de vapor principal. ( kcak/ kg )
Haa= Entalpía de agua de alimentación. ( kcal/kg )
FRC = flujo de vapor de recalentamiento caliente. ( kcal/h )
HRC = Entalpía de vapor recalentado caliente. ( kcal/kg )
HRF = Entalpía de vapor recalentado frío. ( kcal/kg )
KWG = Potencia eléctrica en terminales del Generador. ( Mw )
51
U. V. CAPITULO II
En el calculo del CTU según ASI/ASME, es un procedimiento simplificado
de ASME para pruebas de acepracion; este procedimiento tiene por objeto reducir
el costo de la prueba de aceptación y esta basada en una medicion precisa del
flujo de agua de alimentación, en la siguiente figura se aprecia una curva de diseño
del comportamiento del CTU con respecto a la carga de la unidad fig. N° 3.2.
FIG. N°. 3.2 TENDENCIA DE CTU RESPECTO A LA CARGA DE LA UNUDAD
SUBTEMA 3. 3 EFICIENCIA DEL GNERADOR DE VAPOR ( EGV )
La eficiencia del generador de vapor se define como el calor que se
absorve en la caldera, dividido entre el calor cedido, por el combustible, en la figura
Nª. 3. 3 se puede apreciar la curva de diseño de la eficiencia del generador de
vapor respecto a al carga de la unidad.
52
U. V. CAPITULO II
FIG. Nª. 3.3 TENDENCIA DE LA EFICIENCIA DEL GENERADOR DE VAPOR RESPECTO A LA
CARGA DE LA UNIDAD
La definición antes mencionada se puede expresar de la siguiente manera
EGV = Fvp ( Hvp-haa ) +FRA ( HRC- HRF )
F. combustible x P. C. S.
DONDE:
EGV = Eficiencia del Generador de Vapor, en % incluyendo Caldera,
hogar, paredes de agua, economizandor y calentador de aire.
Fvp = Flujo de vapor principal producido en Kg/h.
Hvp= Entalpía de vapor principales Kcal/kg.
Haa= Entalpía del agua de alimentación al economizador en Kcal/kg.
FRC = Flujo de vapor recalentado caliente producido en Kg./h
53
U. V. CAPITULO II
HRC= Entalpia de vapor recalentado caliente en Kcal/Kg.
HRC = Entalpia de vapor recalentado frio en Kcal/kg.
Fcomb=. Flujo de combustible quemado en Kcal/kg.
P.C.S. = Poder calorifico superior del combustible Kcal/kg
% de carga
SUBTEMA 3.4. REGIMEN TERMICO OPTIMO. (RTO )
El régimen térmico optimo es aquel que se da en condiciones optimas, que
son: carga al 100% de generación, presión y temperatura del vapor, estas
condiciones de operación son en principio las de diseño en la figura No.3.4 se
aprecia la curva de diseño del régimen térmico respecto a la carga de una unidad
generadora, aunque también pueden ser condiciones arbitrarias, en las que las
unidades dan su mejor rendimiento, las que generalmente son las siguientes:
Parámetros de control.
1. Carga al 100%
2. Temperatura del aire para la combustión medida en la descarga de
ventiladores de tiro forzado VTF: 25º C o la temperatura medida para
el sitio de la central
3. Calidad de combustible: 10.5% de contenido de hidrogeno (H2) en
combustoleo.
4. Temperatura de agua de circulación a la entrada del condensador: la
mínima promedio anual para cada tipo de central, ya sea; circuito
cerrado, con torre de enfriamiento o circuito abierto de agua de mar
río o laguna.
54
U. V. CAPITULO II
5. Temperaturas de gases a la salida de precalentadores: 160ºC.
6. Vacilen el condensador, la condición lograda en las pruebas de
aceptación ,cuando la unidad se encuentra en condiciones optimas.
7. Todos los calentadores de agua de alimentación en servicio.
8. Exceso de aire en la combustión. El mínimo resultado de las pruebas
de puestas a punto de la combustión.
9. Presión nominal de vapor principal.
10. Temperatura nominal de vapor principal.
11. Temperatura nominal del vapor recalentado.
12. Flujos normales en atemperaciones de vapor sobrecalentado.
13. Consumo eléctrico de auxiliares del 5% de la potencial total o carga al
100%.
14. Condiciones de turbina y condensador normales según pruebas de
aceptación.
15. Todos los quemadores en servicio del generador de vapor.
16. Calentadores regenerativos de aire limpios y con sellos axiales en
buen estado.
17. Aislamiento térmico en buen estado
55
U. V. CAPITULO II
FIG. 3.4 TENDENCIA DEL REGIMEN TERMICO RESPECTO A LA CARGA DE LA UNIDAD
SUBTEMA 3.5. REGIMEN TERMICO DECLARADO. ( RTD )
El Régimen Térmico Declarado el cual se expresa en Kcal/KW-h es el que se
da en los informes de operación de una unidad generadora, sea mensual,
semestral y anual y se expresa de la siguiente manera:
RTD = Fcomb x P.C.S.
ENERGI NETA
DONDE:
Fcomb:= Flujo de Combustión consumido en el periodo en Kg.
P.C.S. = Poder Calorífico Superior del Combustible en Kcal/Kg.
56
U. V. CAPITULO II
Energía Neta = Cantidad de energía producida en las terminales del
generador a la cual se le a restado la consumida por los
auxiliares.
57
U. V. CAPITULO II
SUBTEMA 4. CALCULO DEL REGIMEN TERMICO
Régimen térmico declarado (RTD ) unidad al 100%.
RTD = Fcomb x P. C. S.
ENERGIA
F. comb = 77530 Kg/hr.
P: C: S: = 10 000 Kcal/Kg.
Energía Salida de Terminales del Generador = 350 000 KW
RTD = 77530 Kg/hr x10 000 Kcal/ hr
350 000
RTD = 2215.14 Kcal/Kw-hrs.
RTD = 9274.3481 KJ/kw-hrs.
Régimen Térmico Optimo (RTO )
RTO = CTU
E.G.V.
C.T.U. = Consumo Térmico Unitario
E. G. V. = Eficiencia del Generador de vapor
DONDE:
CTU = FAA (Hvp –haa ) +FRC (HRC- HRF )
KWG
58
U. V. CAPITULO II
FAA = 1,100,209 Kg/h
Hvp = 811.70 Kcal/Kg
Haa = 270.20 Kcal/Kg
FRC = 970,880 Kg/h
HRC = 843. 60 Kcal/Kg
RFC = 740.20 Kcal/Kg
Kwg = 350,000 KW
CTU = 1100 209 ( 811.70 – 270.20 ) +970 880 ( 843.60 -740.20 )
350 000
CTU= 696152165 Kg/h ( kcal/kg ) = kcal/h
350 000 kw kw
CTU = 1989.06 kcal
kw- h
CTU = 8327.79 KJ/kw-h
E.G.V. = Fvp ( H vp – haa ) +FRC ( HRC –HRF )
Fcombs x P.C. S.
Fvp = 1099 568 kg/h
Hvp = 811.70 kcal/kg
Haa = 270.20 kcal/kg
FRC = 970.880 kg/h
HRC = 843.60 kcal/kg
HRF = 740.20 kcal/ kg
F. comb = 77530
P.C.S. = 10 000 kcal /kg
E.G.V. = 1 099 568 ( 811.70-270.20 ) +970 880 ( 843.60-740.20 )
77 530 x10 000
59
U. V. CAPITULO II
E.G.V. = 69,5805,064
775,300.000
E.G.V. = 0.897 X 100
E.G.V. = 89.7 %
Unidades:
EGV = kg/hr (kcal/kg)
kg/hr ( kcal/kg )
EGV= Adimencional
RTO = 1989.06 kcal/kw-h
0.897
RTO = 2216.46 kcal.
kw-h
RTO = 9279.874 KJ/kw-hrs
Como se puede apreciar para una misma carga el régimen térmico declarado
es mayor al régimen térmico optimo. Esta diferencia de valores es normal, pero
siempre se pretende disminuir esta desviación , optimizando o disminuyendo el
régimen térmico declarado.
60
U. V. CAPITULO II
SUBTEMA 5.0 CONDICIONES QUE AFECTA AL REGIMEN TERMICO
Después de haber explicado al realizar el calculo del Régimen Térmico en
los capítulos anteriores, es necesario ahora hacer mención de las condiciones o
variables de operación de una central termoeléctrica que afectan directamente o
indirectamente al régimen térmico, de las cuales se derivan 2 tipos de condiciones
internas y externas que se explica a continuación.
5.1 CONDICIONES DE OPERACION Y MANEJO DE COMBUSTIBLE.
El proceso de combustión ocupa un lugar importante dentro de la
problemática de disponibilidad y eficiencia de las centrales termoeléctricas de el se
derivan buena parte de los problemas de ensuciamiento y deterioro de los
generadores de vapor.
Para el manejo del combustible en una central Generadora es necesario
utilizar los parámetros de presión, flujos y temperatura adecuada para utilizar los
equipos que suministran el combustible hacia el generador de vapor.
Y dichos equipos son:
FILTRO DE ACEITE DE COMBUSTIBLE:
Dichos filtros son del tipo canasta con una maya en metálica su interior el
cual nos ayuda e evitar ensuciamiento de quemadores y que ocasionan a su vez
taponamiento en los calentadores regenerativos de aire (CRA).
61
U. V. CAPITULO II
FIG. N°. 5.1.1 FILTRO DE COMBUSTIBLE
CALENTADOR PRINCIPAL
Estos son intercambiadores de calor del tipo “U” donde por el interior de los
tubos fluye el combustible y por fuera fluye el vapor. Dicho vapor es suministrado
por el mismo vapor generado del ciclo y todo esto es con la finalidad de
incrementar la temperatura del combustible hasta 138ºC.
FIG. Nº 5.1.2 CALENTADOR PRINCIPAL DE COMBUSTIBLE.
62
U. V. CAPITULO II
BOMBA PRINCIPAL DE COMBUSTIBLE
Es una bomba de desplazamiento positivo la cual suministra el combustible
al generador de vapor con una presión adecuada para su combustión dentro del
generador de vapor.
FIG. Nº. 5.1.3 BOMBA PRINCIPAL DE COMBUSTIBLE
Otra parte del manejo del combustible es la atomización del mismo.
El tener una combustión completa y el máximo aprovechamiento de la misma
esta basado en realizar una mezcla total y homogénea entre el combustible y el
oxigeno requerido por el proceso.
Una atomización que produzca un tamaño excesivo en las gotas dificultará la
combustión motivando así un numero elevado de partículas sin que marque
presentarán una gran superficie donde podrán efectuarse con relativa facilidad,
63
U. V. CAPITULO II
reacciones tales como la conversión SO2 a SO3 y el consiguiente deterioro de
algunos componentes de la caldera (corrosión) fig. Nº. 5.1.4. Para tener idea de la
importancia de la atomización se ha encontrado un incremento del 3% del diámetro
de las gotas producidas por un atomizador hasta que aumente un 20% de las
partículas sin quemar
FIG. Nº 5.1.4 PEQUEÑAS PARTICULAS PRESENTAN MAS
SUPERFICIE DE CONTACTO
El objetivo básico de la atomización consiste en aumentar el área superficial
de líquido, intensificado la vaporización para obtener una mejor distribución de
combustible dentro de la cámara, asegurando de esta manera el fácil acceso del
oxidante a una gran cantidad de gotas.
Atomizadores.- La función de los atomizadores es inyectar el combustible en
la cámara de combustión en forma de pequeñas gotas con velocidad y trayectorias
tales que propicien un buen mezclado con el aire de combustión.
Un líquido sumamente viscoso debe calentarse para facilitar su transporte y
en el caso del combustóleo para facilitar su atomización.
64
U. V. CAPITULO II
Atomizadores con vapor.- Los atomizadores con vapor son los más
ampliamente usados. Operan con el principio de producción una emulsión vapor-
combustible la cual, cuando es liberada dentro del hogar, atomiza el aceite
mediante la rápida expansión de vapor. El vapor de atomización debe estar seco
porque la humedad ocasiona pulsaciones que pueden conducir a la pérdida de la
combustión.
FIG. Nº. 5.1.5 ATOMIZADOR DE VAPOR.
65
U. V. CAPITULO II
AERODINÁMICA.
Diversas características de la combustión dependen de los aspectos
aerodinámicos, por lo que éstos adquieren una gran importancia en el quemado del
aceite residuales de petróleo.
Un quemador es un dispositivo que produce flama, debe mezclar el l
combustible y el agente oxidante en proporciones que se encuentran dentro de los
límites de flamabilidad para el encendido así como también para lograr una
combustión constante.
La aerodinámica del quemador debe propiciar una distribución uniforme del
aire de combustión y del combustible. Sin embargo para garantizar en todo
momento una mezcla uniforme con todos los productos de combustión interna es
necesario además dotar al aire de una elevada turbulencia que favorezca la
difusión y una flama bien definida y estable sin estabilidad en la flama se puede
presentar la extinción de la combustión o dar como resultado varias pulsaciones del
hogar que dañaran los equipos en caso extremos se pueden producir explosiones
con efectos desastrosos.
FIG. Nº. 5.1.6. COMBUSTIÓN DEFICIENTE DEL RASIDUO CARBONOSO.
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U. V. CAPITULO II
FIG. Nº. 5.1.7 COMBUSTIÓN COMPLETA DEL RESIDUO CARBONOSO.
Por lo antes mencionado si el manejo de combustible es el inadecuado
debido a la mala combustión una mala atomización y un ensuciamiento de los
quemadores, el control lógico de combustión se modifica para poder ajustar las
condiciones del vapor que utiliza la turbina, tanto en presión como temperatura.
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U. V. CAPITULO II
FIG. Nº. 5.1.8. CONTROL LOGICO DE CARGAS Y COMBUSTIÓN
Si el control lógico de combustión se altera o se ajusta para poder
incrementar la presión y la temperatura del vapor, trae como resultado un aumento
en el consumo de combustible; impactando de forma directa a la eficiencia del
generador de vapor e incrementado el valor del régimen térmico, que es el valor
que se esta determinando.
68
U. V. CAPITULO II
5.2. PORCENTAJE DE OXIGENO EN LA COMBUSTIÓN
Una de las variables que preocupan o se tiene mucho cuidado es el % de
oxigeno para la combustión en el generador de vapor.
Es bien sabido que para que exista una combustión se necesitan 3
elementos que son:
a) Combustible.
b) Oxigeno.
c) Calor.
Pero a pesar de estos 3 elementos, es necesario tener una combustión
adecuada para poder aprovechar la energía total del combustible quemado
En un generador de vapor. Siempre debe suministrarse la cantidad
adecuada de aire para efectuar la combustión ya que si no es suficiente con
respecto a la cantidad de combustible, parte de este no será quemado provocando
humo negro en la salida de los gases y disminuyendo la eficiencia de la combustión
y efectuando directamente al régimen térmico.
Seria ideal si pudiéramos lograr suministrar solo la cantidad de aire
teóricamente necesario para lograr quemar los compuestos del combustible
suministrado al generador de vapor y lograr con esto su combustión total.
Por lo que se observa, es deseable mantener la combustión en bajas
excesos de aire para lograr la estabilidad de la combustión y reducir loa perdidas
caloríficas al mínimo de manera que la eficiencia sea alta, este punto de máxima
eficiencia se llama o es conocido como Punto de humo.
69
U. V. CAPITULO II
Sin embargo no existe un sistema de combustión que, en estas
condiciones, logra la mezcla ideal para lograr toda la energía del combustión.
Además en caso de que existiera, estaríamos propensos a que en variaciones de
carga, la cantidad de oxigeno a quemadores pudiera caer bajo de los niveles
estequiometricos ideales, llevando al generador de vapor a condiciones inseguras
por el peligro de explosión.
El punto de operación deberá estar del lado de la mezcla rica en aire como
se muestra en la fig. Nº. 5.2.1 y la cantidad dependerá del tipo de generador de
vapor, el sistema de control, el equipo de combustión y del tipo de combustible
utilizado.
FIG. Nº. 5. 2. 1 ZONA OPTIMA DE OPERACIÓN DE EXCESO DE AIRE.
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U. V. CAPITULO II
En la figura anterior se observa que el rendimiento o la eficiencia del
generador de vapor aumenta al tener una relación aire / combustible optima, hasta
alcanzar un valor máximo. Si se sobrepasa este valor la eficiencia del generador de
vapor disminuye debido al aumento de las perdidas caloríficas producto al caer la
temperatura de los gases en la chimenea por suministrar un mayor excesote aire.
En la tabla Nº 5.2.2 se observa como efectuar el exceso de aire a la
eficiencia del generador de vapor y al régimen térmico.
OXIGENO EN
GASES (%)
WFIC. DE GEN DE
VAPOR (%)
REGIMEN
TÉRMICO (kcal/Kh-) EXCESO DE AIRE
1 89.61 2176.06 4.7
2 89.42 2181.18 9.89
3 89.21 2187.06 15.66
4 88.97 2193.72 22.11
5 88.41 2200.91 29.37
TABLA Nº. 5.2.2 EFECTO DEL PORCENTAJE DE OXIGENO EN EFICIENCIA DEL GENERADOR
DE VAPOR Y EL REGIMEN TERMICO PARA EL 100% DE CARGA.
Por ejemplo al tener el 100% de carga se maneja un exceso de aire del
4.7% con el cual se tienen un porcentaje de oxigeno en los gases de combustión
del 1% régimen térmico es de 2176.06 kcal/kw-hr.
Pero, si para misma carga del 100% el exceso de aire se incrementa a un
9.89% la concentración de oxigeno será de un 2%. La eficiencia de la caldera
bajara a 89.42% y el régimen térmico se incrementa a 2181.18 kcal /kw-hr.
En conclusión, la combustión mas eficiente es aquella donde el
combustible es quemado con la cantidad adecuada de exceso de aire y sin
producción de oxigeno de carbono, que dará por resultado una alta eficiencia y un
bajo régimen térmico.
71
U. V. CAPITULO II
5.3 CONDICIONES DE CALENTADORES REGENERATIVOS DE AIRE (CRA ) Y
CALENTADORES AIRE VAPOR (CAV ).
El precalentamiento de aire para la combustión y la alta recuperación de
calor son dos funciones efectuadas por el calentador regenerativo de aire y las
cuales reditúan en el ahorro del combustión y el aumento de la eficiencia del
generador de vapor.
Esta se debe que al proveer aire para la combustión a una temperatura
alta, esta se produce en forma rápida y eficiente, además de reducir el consumo de
combustible , ya que ahora no es necesario el que se empleaba para alcanzar
dicha temperatura, la cual es proporcionada por la recuperación del calor de los
gases en su camino a la chimenea.
Con combustible comunes (carbón, combustóleo o gas) y condiciones
idénticas del hogar, la eficiencia de la unidad generadora de vapor de incrementa
cerca de 2.5 % por cada 38ºC que se disminuya la temperatura de los gases a la
salida. Esto corresponde aproximadamente a un 2% en la eficiencia por cada 38ºC
de incremento en la temperatura del aire.
Por ejemplo:
Si se proporciona aire para la combustión a temperaturas entre los 159º y
300ºC., se efectúa un ahorro de combustible del 5 al 10% como podemos observar
en la fig. Nº.5.3.1
72
U. V. CAPITULO II
FIG. 5. 3. 1 MEJORAMIENTO APROXIMADO EN LA EFICENCIA CUANDO EL AIRE EN LA
COMBUSTION ES CALENTADO.
Si en el generador de vapor existiera una mala combustión por una
deficiencia del oxigeno o una mala atomización, los gases producidos en dicha
reacción química llevarían consigo partículas de combustible no quemado o
cenizas que se depositarían en los elementos del calentador regenerativo de aire e
impedirían una transferencia de calor adecuada producida por una oclusión. Lo cual
daría como resultado la deficiencia del mismo e incrementaría el consumo de
combustible impactando directamente en el régimen térmico.
Una forma de conocer el comportamiento del calentador regenerativo de
aire es por medio de su eficiencia la cual esta definida como la caída de
temperatura del flujo de gases a través del calentador dividida entre la diferencia de
las temperaturas de entrada de aire y gases del calentador, es decir:
TGE --- TGS ECR = x100% TGE --- TEA
73
U. V. CAPITULO II
Donde:
ECR = Eficiencia del calentador regenerativo de aire
TGE = Temperatura del flujo de gases de entrada al calentador
regenerativo de aire ( ºC )
TGS = Temperatura del flujo de gases de salida al calentador regenerativo
de aire ( ºC )
TAE = Temperatura del flujo de aire de entrada al calentador regenerativo
de aire.
Por otro lado el empleo de los calentadores de aire a base de vapor, es
para incrementar las temperaturas mínimas del metal del calentador regenerativo
de aire en su parte fría ( salida de gases ), reduciendo en este ultimo la
condensación y por lo tanto, la corrosión ocasionada por el punto de roció en el
mismo, como se muestra en la fig. N°. 5.3.2.
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U. V. CAPITULO II
FIG. Nº. 5.3.2. DIAGRAMA DEL SISTEMA AIRE GASES DE UNA UNIDAD GENERADORA.
Por lo comentado anteriormente, podemos decir que el C.A.V. protege al
CRA cuando se utilizan combustible que contienen azufre; sin embargo el consumo
de calor de vapor suministrado a los CAV’S puede afectar tanto al consumo térmico
unitario ( CTU ) como a la eficiencia del generador de vapor, por lo cual el régimen
térmico de la unidad se ve afectado.
Una parte de calor que se le tiene que quitar ó extraer al ciclo, es el calor
suministrado por los CAV’S al aire, debido a que ese calor no efectúa ningún
calentamiento del agua del ciclo, ni suministra calor al vapor. Un aumento en este
flujo provoca que disminuya el consumo térmico unitario C.T.U. de la unidad,
75
U. V. CAPITULO II
debido a que se incrementa el calor extraído del ciclo, por el contrario una
disminución de este flujo nos provocaría un aumento en el consumo térmico
unitario (CTU).
Sin embargo los CAV’S también influyen en la eficiencia del generador de
vapor, lo cual se puede apreciar en la tabla No. 5.3.3 en la cual se puede
observar que al estar fuera de servicio los CAV’S la eficiencia aumenta hasta un
90.33% y la pérdida por sobre temperatura en los gases baja hasta un 3.73%.
APERTURA DE
VALVL. DE
CONTROL
CAV’S
TEMPER. DE
AIRE DE
ENTRADA A
CRA’S
TEMPER. DE
SALIDA DE
GASES CRA’S
TEMPER.
PROMEDIO EN
LADO FRIO DE
CRA’S
EFICIENCIA A
GEN. DE
VAPOR
PERDIDA POR
GASES
SECOS
PODER
CALORIFICO
SUPERIOR
FLUJO DE
COMBUSTIBLE
POTENCIA DE
LA UNIDAD
R.T.D.
% ºC ºC ºC % % Kcal
Kg
T/H MW Kcal
Kw-H
100 93.50 172.50 133 88.33 5.44 10,046 78.92 350 2265.23
50 56 148 102 89.46 4.45 9,997 79 350 2256.47
0 30 126.50 78.25 90.33 3.73 10,004 77.79 350 2223.46
FIG. Nº. 5.3.3 PRUEBA DE MEJORAMIENTO DEL G.V.
En conclusión podemos decir que el mayor flujo de vapor hacia los CAV’S
disminuye el consumo térmico unitario (CTU), pero también que afectan en forma
negativa al generador de vapor al disminuir la eficiencia provocando que el régimen
térmico (RT) aumente.
5.4. EFECTOS DE LOS CALENTADORES DE ALTA PRESIÓN (CAP) Y
CALENTADORES DE BAJA PRESIÓN (CBP)
A lo largo del tema de tesis se hizo mención del consejo del consejo de
calentamiento regenerativo como un medio para mejorar la eficiencia del ciclo. La
temperatura final optima en el agua de alimentación en un ciclo Rankine es por
definición, aquella temperatura que proporciona la más alta eficiencia del ciclo.
76
U. V. CAPITULO II
Uno de los beneficios de aumentar la temperatura final del agua de
alimentación es que reducirá el tamaño del economizador requerido en la caldera,
pero por otro lado, para evitar un incremento en la temperatura de gases en la
chimenea, al calentador de aire regenerativo, tendría que se de mayo tamaño, y su
costo podría exceder el ahorro en el economizador. Por lo anterior, la temperatura
final óptima desde el punto de vista termodinámico.
FIG. Nº. 5.4.1 CALENTADOR DE ALTA PRESIÓN (CAP)
Cuando se tiene una carga del 100% y un calentador de lata presión o de
baja presión llegase a tener problemas en su control de temperatura o en el cuerpo
mismo del calentador, este se reflejará en la temperatura final del agua o de la
entrada al economizador, y el control lógico de combustión demandará más flujo de
combustión hacia el generador de vapor para llegar a los parámetros de
77
U. V. CAPITULO II
temperatura y presión del vapor sobrecalentado, requeridos para mover el
turbo-grupo y seguir generando el 100% de carga.
FIG. 5.4.2 CALENTADOR DE BAJA PRESIÓN (CBP)
Por lo consiguiente la deficiencia de uno de los calentadores de agua de
alimentación nos reditúa un consumo adicional del combustible, disminuyendo así
la eficiencia del generador de vapor, el aumento del régimen térmico y el costo de
producción de energía eléctrica.
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U. V. CAPITULO II
5.5 PÉRDIDAS DE VACIO EN EL CONDENSADOR.
En una central termoeléctrica el parámetro de vacío es una parte de vital
importancia, dicho parámetro es muy relacionado con la presión y temperatura de
escape de la turbina de baja presión.
Recordando un poco el recorrido de vapor sabemos que después de
pasar por la turbina de presión intermedia, el vapor se dirige a la turbina de baja
presión, donde ya es de muy baja calidad, por esa razón los álabes de la turbina de
baja presión son de otro tipo e aleación metalúrgica.
El último paso del vapor es a la llegada en el condensador, donde se
realizará un cambio de estado; del estado gaseosos al estado líquido, dicho líquido
es llamado como condensado con una temperatura aproximada de 40ºC a 41ºC,
depositado en la parte baja del condensador llamado pozo caliente.
FIG. Nº. 5.5.1 VACIO DEL CONDENSADOR
79
U. V. CAPITULO II
FIG. Nº. 5.5.2 SISTEMA AGUA DE CIRCULACIÓN
El vacío ayuda a realzar una fluidez del vapor en el condensador y para
realizar una adecuada transferencia de calor.
En un arranque inicial el vacío es creado por un equipo llamado eyector de
arranque, que utiliza el principio de la tobera para crear dicho vacío en el
condensador, pero en operación normal, el vacío es creado en el condensador por
el cambio de estado del vapor.
80
U. V. CAPITULO II
La pérdida de vacío ocasiona las siguientes consecuencias:
- Disminución de carga del generador eléctrico.
- Cambios de parámetros de presión y temperatura en el ciclo.
- Vibración en chumaceras.
- Erosión en àlabes.
- Desplazamiento axial en el rotor de la turbina.
De las consecuencias antes mencionadas las más significativas en primer
instancia sería el decremento de la carga en el generador, donde inmediatamente
el control lógico de la carga y combustión modificará sus parámetros para
contrarrestar dicho decremento.
Uno de los parámetros que cambian es el flujo de combustible. Al
necesitar más vapor para incrementar la carga de generación hay más consumo
del mismo disminuyendo en la eficiencia del ciclo y aumentando el régimen
térmico.
Esta condición de pérdida de vacío es una condición externa por que la
condensación se realiza con agua de mar y dicha agua cambia de temperatura
según la época del año la cual es controlable por ser una causa natural.
81
U. V. CAPITULO II
5.6 EFECTOS DE LA TEMPERATURA DEL AIRE
Existen factores y variables que tienen influencia sobre la eficiencia
térmica del generador de vapor como son:
- Condiciones de operación del sistema de combustión, es decir, la
presión del vapor de atomización, la temperatura del combustible,
presión diferencial de cajas de aire-hogar, estado en que se encuentran
los quemadores y excesos de aire.
- Grado de ensuciamiento de la superficie de transferencia de calor como
son: sobrecalentamiento, economizador y calentadores de aire
regenerativos.
- Condiciones climatológicas.
Un aspecto importante a considerar en el momento de realizar la prueba
de eficiencia son las condiciones climatológicas del sitio, sabiendo que esta tendrá
influencia en mayor o menor grado sobre la eficiencia del generador.
Estas condiciones son:
1. Temperatura ambiente: Es la temperatura de referencia con la cual se
realizan los cálculos de las pérdidas de calor más significativas.
2. Humedad relativa del aire: Incrementa las pérdidas de calor por
humedad en el aire.
3. Velocidad del viento. Las pérdidas por radiación se incrementan
considerablemente cundo la velocidad del viento es superior a la
especificada por diseño.
Si el aire entra con una temperatura muy baja al ventilador de tiro forzado
que lo introduce al generador de vapor los calentadores aire vapor (CAV)
consumirán mas vapor del ciclo y por lo tanto existen pérdidas que aumentarían el
régimen térmico.
82
U. V. CAPITULO II
SUBTEMA 6.0 BALANCE ECONÓMICO.
A lo largo de todo el tema se hable de eficiencia y Régimen térmico ahora
se hablará de costos de combustible y otros rubros.
La rentabilidad de una central generadora se basa en los gastos de
producción relacionados con la producción misma, dentro de los gastos de
producción se encuentran:
- Combustible.
- Gastos por mantenimiento.
- Refacciones.
- Pago del personal.
- Imprevistos.
Nosotros nos basaremos por le momento los gastos de combustible
ocupado en la central.
En la central cuneta con 6 unidades generadoras, cada unidad tiene su
propio tanque principal, cada tanque principal tiene una capacidad de 51 000 000
Lts aproximadamente y una capacidad útil de 45 000 000 a 47 000 000 Lts
aproximadamente. Como se muestra en la tabla siguiente.
83
U. V. CAPITULO II
FIG. 6.1 CAPACIDAD DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO
6.2 ESTADISTICAS DEL PRECIO DEL COMBUSTIBLE EN 1998.
84
U. V. CAPITULO II
El precio directo del combustible promedio del periodo de 1998 es de
$624.00 m3 y se realiza la siguiente estimación de costo de los indirectos.
Uso derecho de Puerto $ 43,220.00 Por cada Buque descargado
Operación de descarga $ 175,560.00 Por cada Buque descargado
Total $ 318,780.00 Por Buque
Se considera una carga promedio por buque de 43 000 m3
aproximadamente, lo que arroga un costo promedio de:
$7.41 x m3
por otro lado el consumo promedio del generador de vapor es de 82.4 t/n
de combustible al 100% de carga. Ese seria el consumo ideal si el generador de
vapor estuviese en optimas condiciones.
Se llegará a ocurrir un incidente que afectará los parámetros de operación
como se observo en el capitulo anterior, entonces el consumo de combustible
aumentaría de 2 a 4 t/h aproximadamente según sea el problema.
De todo lo anterior obtenemos lo siguiente:
Costo promedio de descarga de combustible por cada m3 $7.41
Costo promedio del combustible en el año 1998 $ 614.39
Traido de la refineria de Ciudad Madero
Entonces el costo promedio por cada m3 sería:
$614.39
+ 7.41
$621.80
C.P. = $621.80 x / m3
85
U. V. CAPITULO II
Al día sería
$ 621.80 (24) = $14,923.20
El costo promedio del combustible al día por cada m3
$14,923.20 Diarios
El costo promedio de combustible a la semana por cada m3
Sería de
$ 14,923.20 x (7)
= $104,462.40 por semana
Costo promedio del Combustible al mes por m3
Sería de
$14,923.20 (30)
= $447,696 por mes
Si el consumo de combustible fuera de 4 t/h
Al día seria de
$621.98 (4) = $ 2,487.20
$2,487.20 (24) = $59,692.8
C.P. $59,692.80 Diarios
Estos gastos por combustible son resultados por problemas en el régimen
térmico, a parte falta considerar otros, tales como: Persona, materiales y
refacciones, así como gastos por servicios a terceros que incrementan el costo por
mega what producido.
Nota: El costo promedio del combustible es variable, dependiendo de la
procedencia del mismo por el costo de flete.
86
U. V. CAPITULO II
IND
ICA
CIO
NE
S E
XP
ER
IME
NT
AL
ES
META
SEPTIEMBRE
1999
META CON
MARGEN
1999
REAL
SEPTIEMBRE
1999
REGIMEN
TÉRMICO
(Kcal/Kwhb)
2271 2294 2290
COSTO MANO DE
OBRA POR PLAZA
(s/ Plaza)
153.5 161.18 222.81
GRAVEDAD (No) 0.473 0.497 0.018
SINIESTRALIDAD
(No) 3.17 3.33 0.05
EVENTOS DE
CAPAC. FUERA DE
PROGRAMA (%)
8.82 10.14 1.47
COSTO TOTAL
CON ACTIVOS
(S/Mwh)
179.34 182.93 168.73
Concluyendo podríamos decir que es factible operar una unidad
generadora de electricidad en condiciones aceptables, ya que de no ser así se
tendrían gastos innecesarios de producción que afectaría la rentabilidad de la
misma siendo un punto primordial en la Nueva política de privatización de la
Energía Eléctrica en nuestro país.
87
U. V. CAPITULO III
CAPITULO III
CONCLUSIONES Y PROPOSICIONES
88
U. V. CAPITULO III
CAPITULO III
CONCLUSIONES Y PROPOSICIONES
El Régimen térmico es un parámetro que permite determinar el
comportamiento de los sistemas de una unidad, reflejando la eficiencia en la
generación eléctrica.
Las unidades de generación eléctricas, típicamente operan a régimen
térmico más altos que el de diseño, debido a varios factores específicos. Estos
incluyen la carga eléctrica y operación en condiciones fuera de diseño.
La realización de este material tiene como objetivo que el lector adquiera
una compresión profunda de la influencia de las variables principales de la unidad
sobre el régimen térmico, tomando como punto de partida el ciclo Rankine básica y
terminando con la aplicación de la técnica de operación a presión variable para
unidades que operan con carga cíclica, tomando en cuenta que le gobierno federal
hace mucho incapie en la cuestión ecológica, que hoy en día es muy vigilada y
sancionada. Por la SEMARNAP, INE Y PROFEPA.
89
U. V. CAPITULO III
BIBLIOGRAFIA
- ELEMENTOS CENTRALES II
GENRADORES Y GOBERNADORES
GILBERTO ENRIQUE HARPER.
- CALDERA, TIPOS, CARACTERISTICAS Y SUS FUNCIONES
CARL D. SHIELD.
- PLANTAS DE VAPOR, ARRANQUE, PRUEBA Y OPERACIÓN
CHARLES DONALD SWIKL.
- FUNDAMENTOS DE TERMODINAMICA
VAN WYLEN - SONNTAG
- TERMODINAMICA
VIRGIL MORING FAIRES.
90
U. V. CAPITULO III
ANEXOS
1.- Diagrama de SANNEY (perdidas en el ciclo termodinámico).
2.- Estadísticas del precio del combustible de la refinería de MINATITLAN
91
U. V. CAPITULO III
92
U. V. CAPITULO III
ESTADISTICA DEL PRECIO DEL COMBUSTIBLE EN 1998.
REFINERIA MINATITLAN
MES
COMBUSTOLEO FLETE GRAN
TOTAL PRECIO $/M3 I.V.A. TOTAL PRECIO $/M3 I.V.A. TOTAL
ENERO 684.28 102.64 &786.92 34.56 5.18 $39.74 $826.66
FEBRERO 661.84 99.28 $761.12 34.56 5.18 $39.74 $800.86
MARZO 560.93 84.14 $645.07 38.31 5.75 $44.06 $689.13
ABRIL 480.38 72.06 $552.44 38.31 5.75 $44.06 $596.50
MAYO 406.57 60.99 $467.56 38.31 5.75 $44.06 $511.62
JUNIO 441.98 66.30 $508.28 39.39 5.91 $45.30 $553.58
JULIO 467.88 70.18 $538.06 39.39 5.91 $45.30 $583.36
AGOSTO 536.56 80.48 $617.04 39.39 5.91 $45.30 $662.34
SEPTIEMBRE 506.42 76.26 $584.68 40.94 6.14 $47.08 $631.76
OCTUBRE 526.62 78.99 $605.61 40.94 6.14 $47.08 $652.69
NOVIEMBRE 544.11 40.94 $585.05 40.94 6.14 $47.08 $632.13
DICIEMBRE 519.34 77.90 $597.24 50.34 7.55 $57.89 $655.13
PROMEDIO 528.24 75.85 604.09 39.62 5.94 $45.56 $649.65
