Principios Fundamentales Principios Fundamentales Ciclos a VaporCiclos a Vapor

65.17 - Centrales Eléctricas 65.17 - Centrales Eléctricas FI – UBA - 2009FI – UBA - 2009

Temario

• Ciclo de RankineCiclo de Rankine

• Mejoras al Ciclo RankineMejoras al Ciclo Rankine

• Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento (Ciclo de Hirn)Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento (Ciclo de Hirn)

• Ciclo Rankine con recalentamiento intermedioCiclo Rankine con recalentamiento intermedio

• Ciclo Rankine con precalentamiento regenerativo del agua de Ciclo Rankine con precalentamiento regenerativo del agua de

alimentacionalimentacion

• Esquema de proceso Esquema de proceso

• Curvas de VaporCurvas de Vapor

Ciclo Rankine Elemental

Esquema simplificado del Ciclo Rankine ElementalEsquema simplificado del Ciclo Rankine Elemental

Ciclo Rankine contrapresion - condensación

CONTRAPRESIÓNCONTRAPRESIÓN CONDENSACIÓNCONDENSACIÓN

Ciclo Rankine Elemental

Ciclo TermodinámicoCiclo Termodinámico

• E-A Compresión isentrópica bomba alim. (E-A Compresión isentrópica bomba alim. (WWp= hp= hAA – h – hEE))

• A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( QQa= ha= hCC – h – hAA))

• C-D Expansión isentrópica turbina (C-D Expansión isentrópica turbina (WWt= ht= hCC – h – hDD))

• D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( QQr= hr= hEE – h – hDD))

TRABAJO NETO TRABAJO NETO wneto = (hwneto = (hCC – h – hD) – D) – (h(hAA – h – hEE))

EFICIENCIA TERMODINÁMICA EFICIENCIA TERMODINÁMICA = = wneto wneto = = (h(hCC – h – hD) – D) – (h(hAA – h – hEE) ) = 1 - = 1 - (h(hDD – h – hE) E)

QQa (ha (hCC – h – hAA) ) (h (hCC – h – hAA) )

• Aumento del trabajo netoAumento del trabajo neto

• Aumento de la eficienciaAumento de la eficiencia

• Disminución del costo unitario de la instalaciónDisminución del costo unitario de la instalación

Optimización

Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento

Esquema del Ciclo Rankine con sobrecalentamientoEsquema del Ciclo Rankine con sobrecalentamiento

Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento

Ciclo TermodinámicoCiclo Termodinámico

• E-A Compresión isentrópica bomba alim.(E-A Compresión isentrópica bomba alim.(WWp= hp= hAA – h – hFF))

• A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( QQa= ha= hDD – h – hAA))

• C-D Expansión isentrópica turbina (C-D Expansión isentrópica turbina (WWt= ht= hDD – h – hEE))

• D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( QQr= hr= hEE – h – hFF))

TRABAJO NETO TRABAJO NETO wneto = (hwneto = (hDD – h – hE) – E) – (h(hAA – h – hFF))

EFICIENCIA TERMODINÁMICA EFICIENCIA TERMODINÁMICA = = wneto wneto = = (h(hDD – h – hE) – E) – (h(hAA – h – hFF) )

QQa (ha (hDD – h – hAA) )

•Aumento de la presión de saturaciónAumento de la presión de saturación

•Aumento de la temperatura de sobrecalentadoAumento de la temperatura de sobrecalentado

•Descenso de la temperatura de la fuente fríaDescenso de la temperatura de la fuente fría

• Precalentamiento de agua de alimentación (ciclo regenerativo)Precalentamiento de agua de alimentación (ciclo regenerativo)

• Recalentamiento de vaporRecalentamiento de vapor

• Precalentamiento de agua de alimentaciónPrecalentamiento de agua de alimentación

• Precalentamiento del aire de combustiónPrecalentamiento del aire de combustión

Estrategias para optimización

Modificación del ciclo con el aumento de las condiciones p y t

• Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente)Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente)

• Aumenta el costo de conducciones y aumentan las pérdidas por bombeoAumenta el costo de conducciones y aumentan las pérdidas por bombeo

• Empeoran las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación Empeoran las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación

natural (vapor y agua tienden a igualar densidad y menor efecto termosifón) . natural (vapor y agua tienden a igualar densidad y menor efecto termosifón) .

• Empeora título de vapor en el escape de turbina.Empeora título de vapor en el escape de turbina.

• Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor por aumento de las secciones Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor por aumento de las secciones

de paos en generador de vapor y turbinade paos en generador de vapor y turbina

Aumento de presión de vapor

Aumento de eficiencia con aumento de la presión

•Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente)Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente)

•Metalurgia aceros aleados cromo molibdeno e inoxidables austeníticos para Metalurgia aceros aleados cromo molibdeno e inoxidables austeníticos para

sobrecalentadores. sobrecalentadores.

• Límite máximo práctico en sobrecalentadores: 545 °C a 565°C (costos, condiciones Límite máximo práctico en sobrecalentadores: 545 °C a 565°C (costos, condiciones

de laminabilidad y soldabilidad)de laminabilidad y soldabilidad)

• Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones.Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones.

• Mejora las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación Mejora las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación

natural natural

•Mejora título de vapor en el escape de turbina.Mejora título de vapor en el escape de turbina.

• Requerido a medida que aumenta caudal de vapor para acompañar aumento de Requerido a medida que aumenta caudal de vapor para acompañar aumento de

presiónpresión

Aumento de temperatura de vapor

Aumento de eficiencia con aumento de la temperatura

Efecto de la disminución de la temperatura de condensado

•El límite teórico es la temperatura del sumidero (fuente fría): temperatura de bulbo El límite teórico es la temperatura del sumidero (fuente fría): temperatura de bulbo

húmedo del aire (ciclo cerrados con torre de enfriamiento), temperatura del agua de húmedo del aire (ciclo cerrados con torre de enfriamiento), temperatura del agua de

refrigeración (ciclos abiertos), temperatura del aire (aerocondensadores)refrigeración (ciclos abiertos), temperatura del aire (aerocondensadores)

•El límite económico está dado por una temperatura de “approach” óptima más allá El límite económico está dado por una temperatura de “approach” óptima más allá

de la cual la mejora de eficiencia no está justificada por el aumento desmedido del de la cual la mejora de eficiencia no está justificada por el aumento desmedido del

costo de la instalacíon de refrigeración.costo de la instalacíon de refrigeración.

•También aumenta en forma desmedida el costo de la turbina de baja presión por el También aumenta en forma desmedida el costo de la turbina de baja presión por el

aumento de la sección de escape por el aumento del volumen específico del vapor aumento de la sección de escape por el aumento del volumen específico del vapor

Disminución de la temperatura de condensación

Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio

Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio

Ciclo TermodinámicoCiclo TermodinámicoEFICIENCIA TERMODINÁMICAEFICIENCIA TERMODINÁMICA

•Instalación más complejaInstalación más compleja

• Oliga a turbina de dos o más secciones. Oliga a turbina de dos o más secciones.

• Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones.Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones.

• Mejora título de vapor en el escape de turbina.Mejora título de vapor en el escape de turbina.

• No necesariamente aumenta el rendimientoNo necesariamente aumenta el rendimiento

• Elección de la presión de recalentado en relación a la presión inicial (20 a 25 % Elección de la presión de recalentado en relación a la presión inicial (20 a 25 %

aproximadamente)aproximadamente)

• Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor y la presión de sobrecalentado Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor y la presión de sobrecalentado

• Regla general: 1 etapa de recalentamiento por encima de 50 MW. Experiencias no Regla general: 1 etapa de recalentamiento por encima de 50 MW. Experiencias no

exitosas con 2 etapas exitosas con 2 etapas

Precisiones sobre el recalentamiento

Aumento de eficiencia con n° de recalentadores

Efecto de la elección presión de recalentamiento

Efecto de la relación de presión inicial / presión de recalentado en rendimiento, temperatura de vapor recalentado frío y título de vapor en el escape de la turbina

Ciclo de 180 ata y 540°C en entrada de turbina

Relación presión recalentamiento / presion inicial

VARIACIÓN DEL RENDIMIENTO

TEMPERATURA DE RECALENTADO FRÍO

TÍTULO DE VAPOR EN EL ESCAPE DE TURBINA

Ciclo Rankine regenerativo

Esquema SimplificadoEsquema Simplificado

Ciclo TermodinámicoCiclo Termodinámico

• Disminuye la irreversibilidad interna (calentamiento gradual del agua de Disminuye la irreversibilidad interna (calentamiento gradual del agua de

alimentación)alimentación)

• Aumenta el rendimiento termodinámicoAumenta el rendimiento termodinámico

• Disuminuye el trabajo específico (trabajo / kg de vapor)Disuminuye el trabajo específico (trabajo / kg de vapor)

• Instalación más complejaInstalación más compleja

• Oliga a turbina con extracciones de vapor . Oliga a turbina con extracciones de vapor .

• Calentadores de superficie exigidosCalentadores de superficie exigidos

• Riesgo de inundación de calentadores y retorno de agua a turbina.Riesgo de inundación de calentadores y retorno de agua a turbina.

• Cantidad de calentadores en función de la potencia de grupoCantidad de calentadores en función de la potencia de grupo

Ciclos regenerativos

Ciclos regenerativos con calentadores de mezcla

DIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE MEZCLA

Ciclos regenerativos con calentadores de superficie en cascada

DIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE SUPERFICIE EN CASCADA

Ciclo Supercrítico con doble recalentamiento

DIAGRAMA TS CICLO RANKINE SUPERCRÍTICO CON DOS RECALENTAMIENTOS

Disminución del CTU con calentamiento del agua (con recal.)

Aumento de eficiencia con n° de calentadores

Parámetros de vapor usuales (1)

Parámetros de vapor usuales (2)

Eficiencias termodinámica de los distintos ciclos de vapor

Concepto de Irreversibilidades

• Externas: originadas los procesos de intercambio de Externas: originadas los procesos de intercambio de

calor entre el sistema y el exterior calor entre el sistema y el exterior • Internas: originadas en los procesos de producción y Internas: originadas en los procesos de producción y consumo de trabajo dentro del sistemaconsumo de trabajo dentro del sistema

Irreversibilidades externas

IRREVERSIBILIDAD EN LOS INTERCAMBIOS DE CALOR SURGIDO POR DIFERENCIAS DE TEMPERATURAS ENTRE SISTEMA Y FUENTES EXTERNAS TANTO EN GENERADOR DE VAPOR COMO EN CONDENSADOR

Irreversibilidades internas

IRREVERSIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE TRABAJO MECÁNICO NO ADIABÁTICO POR PÉRDIDAS POR FRICCIÓN TANTO EN TURBINA COMO EN BOMBA DE ALIMENTACIÓN

Flujo de energía en un ciclo de vapor (Diagrama de Sankey)

Consumo de auxiliares

Esquema de proceso

Ciclo Térmico de un grupo supercrítico 512 MWh ENTALPÍA (Btu/lb)P PRESIÓN (psia)# flujo (lb/h) BFP TURBOBOMBA DE ALIMENTACIÓN RHTR RECALENTADORSSR REGULADOR DE VAPOR DE SELLOSSPE CONDENSADOR DE VAPOR DE SELLOSH.P. SECCIÓN DE TURBINA DE ALTA PRESIÓNI.P. SECCIÓN DE TURBINA DE MEDIA PRESIÓNL.P. SECCIÓN DE TURBINA DE BAJA PRESIÓNDC DIFERENCIA TERMINAL DE TEMPERATURA DE CONDENSADO (°F) TTD DIFERENCIA TERMINAL TEMPERATURAS (°F)

Ciclo térmico de cogeneración “topping”

CICLO DE COGENERACIÓN A CONDENSACIÓN CON EXTRACCIÓN DE VAPOR PARA PROCESO

Tipos de cogeneración

ToppingTopping: se produce vapor de alta entalpía para la producción de electricidad y se utiliza vapor : se produce vapor de alta entalpía para la producción de electricidad y se utiliza vapor

de baja entalpía para proceso tomado de:de baja entalpía para proceso tomado de:

• Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensaciónExtracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación

• Escape de una turbina a vapor de contrapresiónEscape de una turbina a vapor de contrapresión

La presión de vapor oscila entre 0.5 a 40 bar. Ejemplos: refinación y petroquímica donde se La presión de vapor oscila entre 0.5 a 40 bar. Ejemplos: refinación y petroquímica donde se

genera electricidad y se aprovecha vapor de baja temperatura para calefacción de reactores / genera electricidad y se aprovecha vapor de baja temperatura para calefacción de reactores /

torres de destilación. Alta eficiencia torres de destilación. Alta eficiencia

BottomingBottoming: se produce vapor de alta entalpía para proceso y el vapor efluente de baja entalpía : se produce vapor de alta entalpía para proceso y el vapor efluente de baja entalpía

se utiliza para producción de electricidad. Ejemplos: hornos de cemento o metalurgia a con se utiliza para producción de electricidad. Ejemplos: hornos de cemento o metalurgia a con

gases de escape aun muy calientes que se aprovechan para generación. Baja eficiencia gases de escape aun muy calientes que se aprovechan para generación. Baja eficiencia

Distintas disposiciones de cogeneración “topping”

• Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de

condensacióncondensación

• Escape de una turbina a vapor a contrapresiónEscape de una turbina a vapor a contrapresión

• Turbogenerador a gas asociado a un HRGS para producir vapor a procesoTurbogenerador a gas asociado a un HRGS para producir vapor a proceso

• Turbogenerador a gas asociado a un HRSG / turbogenerador a vaporTurbogenerador a gas asociado a un HRSG / turbogenerador a vapor

Concepto de Cogeneración