Clase gpu2c3

UNEFA

Octubre 2014

Ing. Vicente Díaz P

Generación de Potencia

Unidad 2 Centrales Energéticas

Centrales a VaporCalderas

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANASAN TOME - ESTADO ANZOÁTEGUI

Contenido

Centrales a vapor:

• Componentes de una central a vapor.

• El ciclo de vapor.

• Calderas.

• Principio de la circulación de agua de alimentación en las calderas.

• Capacidad de una caldera.

• Características de rendimiento en las calderas.

• Superficie recuperadora de calor las calderas.

• Sobrecalentador, economizador y calentador de aire.

• Características principales.

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANASAN TOME - ESTADO ANZOÁTEGUI

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Centrales a Vapor

La mayoría de las centrales generadoras de electricidad son variaciones de ciclos de potencia de vapor en los que el agua es el fluido de trabajo. El vapor es el fluido de trabajo más usado en ciclos de potencia debido a las muchas y atractivas características, como bajo costo, disponibilidad y alta entalpia de vaporización.

IntroducciónCentrales a Vapor

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Centrales a Vapor

Caldera

Turbina

Vapor

Agua

Generador

Condensador

Mezcla Combustible

Bomba

Esquema simple de ciclo de vapor

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Centrales a Vapor

5 1'

1

1

3

4

4

fríoaire

airecaliente

la chimeneahumos hacia

refrigeraciónagua de

condensador

turbina2sobrecalentador

de vaporgenerador

alimentaciónbomba de

eco

nom

izad

or

Central Simple de Vapor

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Centrales a Vapor

Ciclo Rankine de potencia

Para el análisis de los sistemas de generación de energía eléctrica se requiere de los fundamentos termodinámicos, tales como el principio de conservación de la masa y de la energía, el segundo principio de la termodinámica y la determinación de propiedades termodinámicas.

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Centrales a Vapor


Los principios pueden aplicarse a cada componente individual de una planta: bombas, turbinas, intercambiadores de calor, así como al conjunto de la central sin importar su tamaño y complejidad.

Caldera

Turbina

Vapor

Agua

Trabajo

Calor

Bomba

Condensador Calor

Trabajo

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Centrales a Vapor


1

23

4

Entropía

Tem

pera

tura

Caldera

Turbina

Vapor

Agua

Trabajo

Calor

Bomba

Condensador Calor

Trabajo

1

2

34

1

El fluido de trabajo sufre la siguiente serie de procesos internamente reversibles.

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Centrales a Vapor


Turbina Trabajo

Condensador Calor

1

2

Proceso 1-2: expansión isoentrópica del fluido de trabajo a través de la turbina desde vapor saturado en el estado 1 hasta la presión del condensador.

Proceso 2-3: Transferencia de calor desde el fluido de trabajo cuando fluye a presión constante por el condensador, siendo líquido en el estado 3.

2

3

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Centrales a Vapor

Caldera

Calor

4

1

BombaTrabajo

34

Proceso 3-4: Aumento de presión isoentrópica en la bomba hasta el estado 4 dentro de la zona de líquido comprimido.

Proceso 4-1: Transferencia de calor hacia el fluido de trabajo cuando circula a presión constante a través de la caldera, saliendo vapor saturado, reiniciándose el ciclo.


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Centrales a Vapor

Irreversibilidad en la Turbina

La principal irreversibilidad que experimenta el fluido de trabajo está asociada con la expansión en la turbina. El calor transferido al ambiente por la turbina representa una perdida, la expansión real a través de la turbina va acompañada de un incremento de entropía.El rendimiento de la turbina relaciona el trabajo real con el trabajo isoentrópico.

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Centrales a Vapor

Irreversibilidad en la Bomba

El trabajo requerido para la bomba, para vencer los efectos del rozamiento, también reduce el trabajo neto producido por la planta.El rendimiento isoentrópico de la bomba toma en cuenta el efecto de las irreversibilidades dentro de la bomba relacionando las cantidades de trabajo real e isoentrópico.

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Centrales a Vapor

1

2S3

4S

Entropía

Tem

pera

tura

4

2

Efecto de la irreversibilidad en la turbina y bomba

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Centrales a Vapor

Ciclo Rankine con Sobrecalentador

Isoentrópica 1-2 (teórica): expansión en la turbinaIsoterma y/o isobara 2-3: cesión de calor en el condensadorIsoentrópica 3-4 (teórica): compresión en las bombasIsobara 4-5 (teórica): precalentamiento en el economizadorIsoterma y/o isobara 5-1’: vaporización en el hogarIsobara 1’-1 (teórica): calentamiento en el sobrecalentador

1’

3

Entropía

Tem

pera

tur

a

4

2

1

Q1

Q2

5

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Centrales a Vapor

T 1

1'4

3 2

5

s3 4s= 1s = s2

Q 1

Q 2

T2

h

Wt3

4 5

2

1'

1

34

12tW

s s

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Centrales a Vapor

Ciclo Rankine ideal con recalentamiento

Otra modificación que se emplea normalmente en centrales térmicas de vapor es el recalentamiento. Gracias a este una central térmica puede beneficiarse del mayor rendimiento que resulta de una presión de caldera mas alta y también evitar el vapor de bajo título a la salida de la turbina.

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Centrales a Vapor

Ciclo Rankine ideal con recalentamiento

Sobrecalentador

Recalentador

1’

5

4

4

6

6

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Centrales a Vapor

1’

2

3

4

Entropía

Tem

pera

tura

1

5

6

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Centrales a Vapor

economizador

precipitador

recalentador sobrecalentador turbinascalentadores

desgasificador

calentadores

condensador

calentador de aire hogar

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Centrales a Vapor

presión nº7calent. alta

101102

104

61103

desgasificador

alimentacióntanque agua de

51

58

57

100

98 99

60

4

50

3

78 7677

7172

73 7574

82 807970 81

4339

8384

89 91

90

8685

6 7

8887

8

92

93

9597

9

10

30

11

333740

131517 161820

41 38 34 31 9466

42 35

27

4651

4752

25 24

96

56

44

6749

5821

2223

19 condensador

caldera

purgatanque

continua

2

6869

calent. altapresión nº6

presión nº4calent. baja calent. baja

presión nº3calent. bajapresión nº2

calent. bajapresión nº1

condensadorvapor cierres

bomba dren. calent.baja presión nº2baja presión nº4

bomba dren. calent.

de altaturbina

de mediaturbina

baja presiónturbina de

62

economizador

vapor cierres turbinas

alimentaciónbomba agua

extración condesadobomba

27

45

3632

29

calderín

primer sobrecalentador

hogar

economizador

CALDERA

calentador aire

segundo recalentador primer recalentador

segundo sobrecalentador

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Centrales a VaporCALDERA

hogar

Calderín o Domo

calentadorde aire

recalentador

sobrecalentador

hogar

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Centrales a Vapor

CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR

Según su uso las calderas pueden ser:

Estacionarias

Móviles

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Centrales a Vapor


Según la sustancia de trabajo a través de los tubos:

Pirotubulares

Acuotubulares

Mixtas

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Centrales a Vapor


Pirotubulares

Horno

Integral

Separado

Tiro

Forzado

Natural

Posición

Verticales

Horizontales

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Centrales a Vapor

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Centrales a Vapor


Acuotubulares

Circulación

• Natural• Posición de los tubos• N° de tambores

• Asistida o Controlada• Forzada • Combinada

Tiro

• Natural• Forzado• Inducido • Equilibrado

Tipo de servicio

• Móvil• Estacionario

• Procesos• Generación de Potencia

Tipo de Horno

• Quemadores Frontales• Quemadores Tangenciales• Quemadores Verticales• Ciclónicos (Carbón triturado)

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Centrales a Vapor

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Centrales a Vapor


Según su forma y posición:

La superficie de calefacción de los tubos se puede clasificar :

•Por la forma :

•Por su disposición:

RectosCurvosSinuosos.

HorizontalVerticalInclinada.

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Centrales a Vapor


Según la clase de combustible:

Calderas de combustible sólido: Reciben el calor generado de la combustión de algún producto combustible sólido, tal como el carbón, coque, madera ó bagazo. Estas calderas deben controlar los gases de combustión en cuanto a desechos sólidos (cenizas) y hollín.

Calderas de combustible liquido o gas: Existen diversos combustibles líquidos empleados en las calderas, alcohol, aceite, gas-oil, etc., son empleados también, gases combustibles tales como el propano, metano, etc.

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Centrales a Vapor


Según su fuente de calor:

• Combustión de combustibles (sólidos, líquidos o gaseosos).

• Gases calientes de desperdicios de otras reacciones químicas (de

regeneración).

• Aplicación de la energía eléctrica.

• Empleo de la energía nuclear.

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Según su sistema de Circulación:

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Según la posición del Hogar:

Interior: Se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua.

Exterior: Esta construido fuera del recipiente metálico. Está parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua

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Según su tipo de Horno:

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Tambor de Separación

Tambor de Circulación Natural

Es un recipiente cilíndrico largo, cuyo objetivo principal es permitir la separación

del vapor saturado de la mezcla vapor-agua producida en las superficies de

transferencia de calor de la caldera. Éstos pueden operar por circulación natural o

por circulación asistida

Tambor de Circulación Asistida

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Tambor de Separación

El tambor de separación cumple otras funciones que se indican a continuación:

• Recibe el agua de alimentación mezclándola con el agua saturada remanente

luego de la separación.

• Mezclar los aditivos de control de corrosión y del tratamiento químico del agua

de la caldera.

• Purificar el vapor eliminando las mezclas contaminantes y residuales.

• Remover parte del agua para controlar el tratamiento químico de ésta en la

caldera (partículas sólidas).

• Proporcionar almacenaje limitado del agua para ajustarse a los cambios

rápidos de carga en la caldera

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Limpieza del Agua

Dispositivos separadores

La separación efectiva del vapor en la

mezcla vapor-agua depende de ciertos

factores de operación y diseño. Uno de los

más importantes se refiere a los tipos de

mecanismos separadores utilizados y a su

disposición dentro del tambor.

Fundamentalmente, existen tres sistemas

de separación, basados en:

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Limpieza del Agua

La acción de la gravedad:

El agua es varias veces más pesada que el vapor, por lo que tiende a escurrirse al fondo; mientras que el vapor ocupa las regiones más altas del recipiente.

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Centrifugación:

Al hacer pasar una corriente de mezcla líquido-vapor por un dispositivo de este tipo, se cambia la dirección del flujo violentamente, 90º por ejemplo, y se incrementa la velocidad; las partículas más pesadas de agua tienden a chocar contra las paredes, son desaceleradas y se escurren; mientras que el vapor ocupa la región central y tienden a subir.

Limpieza del Agua

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Impacto:

Se hace pasar la mezcla líquido-vapor por un recorrido intrincado como una malla metálica, viruta metálica o láminas corrugadas estrechamente espaciadas, de modo que se rompe la tensión superficial de la película envolvente de líquido.

Limpieza del Agua

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Calidad del Agua

Sólidos Disueltos Totales (TDS)

La concentración máxima de TDS en una caldera de baja presión es 3500 ppm

Alcalinidad

La concentración máxima de alcalinidad en una caldera de baja presión es 700 ppm

Dureza

La dureza máxima permitida en cualquier caldera , debe de ser prácticamente “cero” ppm.

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Calidad del Agua

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Sistema de Purga

La purga representa un gasto considerable; pero necesario. Pues, generalmente esa agua se pierde, y con ella los químicos introducidos y la energía de esta agua. Por esta razón, se han diseñados sistemas con recuperación de energía y de masa. Para la recuperación de energía se utilizan intercambiadores de calor entre la purga y el agua de alimentación (agua más fría). Y para la recuperación de masa y de energía, se utiliza un tanque de evaporación instantánea, en el cual parte del agua caliente se evapora, este vapor, que puede ser utilizado en un desaireador o calentador de agua de alimentación, se caracteriza por no absorber los contaminantes del agua por la baja presión del tanque. El agua del vapor que no se evapora es desechada por contener niveles de concentración muy alta.

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Paredes del Horno

Los diferentes tipos de paredes existentes son:

Paredes de Membrana.

Paredes de Membrana Refractaria.

Paredes con Aletas.

Paredes Tangenciales

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entrada de agua

flujo de humos

salid

a

Esquema de un economizador

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Calentador de aire tubular

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Calentador de aire rotativo

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tambor fijo de chapas onduladas

Calentador de aire Rothemühle

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Componentes Auxiliares:

Ventiladores: Son Turbomáquinas.

Tipos:Según la presión:

De baja presión: hasta una presión del orden 200 mm ca.De media presión: entre 200 y 800 mm c agua (sopladores)De alta presión: entre 800 y 2500 mm ca (turbosopladores)De muy alta presión: mas de 2500 mm ca (turbocompresores)

Según el Flujo:Radiales o CentrífugosSemiaxiales o HelicoidadesAxiales

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Quemadores: Son equipos auxiliares que permiten mantener:Proporción entre aire combustible adecuada.Mezcla adecuada de aire combustible.

Tipos:Según el combustible:

Gaseoso:De flujo paralelo con mezcla por turbulenciaAtmosféricos

Sólido:De Carbón

pulverizadoCámara tipo

ciclónParrillasCámara de

lecho fluido

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Bombas: Máquina hidráulica.

Tipos:

Desplazamiento Positivo:

Rotativas: (engranes, tornillos, etc)

Reciprocantes: (Simplex, Duplex, etc)

Centrífugas.

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Desaireadores:

Se conocen como desaireadores (desgasificadores) aquellos dispositivos mecánicos empleados para liberar los gases contenidos en el agua de alimentación (aire, oxigeno, anhídrido carbónico y otros gases).

Tipos:De Cascada:

De Pulverización.

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Hp de caldera

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