UNIDAD UN IDAD I C E N TR T R A L E S T É R M IC IC A S D E V A P O R Y G E N E R A D O R E S D E V A P O R 1.1 ANTOLOGÍA, DEFINICIÓN Y FUNCIÓN DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE VAPOR.
CENTRALES TÉRMICAS Una central térmica transforma la energía calorífica de un combustible (gas, carbón, fuel) en energía eléctrica. También se pueden considerar centrales térmicas aquellas que funcionan con energía nuclear. Todas las centrales térmicas siguen un ciclo de producción de vapor destinado al accionamiento de las turbinas que mueven el rotor del alternador.
Fases 1. Se calienta el agua líquida que ha sido bombeada hasta un serpentín de calentamiento (sistema de tuberías). El calentamiento de agua se produce gracias a una caldera que obtiene energía de la combustión del combustible (carbón pulverizado, fuel o gas). 2. El agua líquida pasa a transformarse en vapor; este vapor es húmedo y poco energético. 3. Se sobrecalienta el vapor que se vuelve seco, hasta altas temperaturas y presiones. 4. El vapor sobrecalentado pasa por un sistema de conducción y se libera hasta una turbina, provocando su movimiento a gran velocidad, es decir, generamos energía mecánica. 5. La turbina está acoplada a un alternador solidariamente que, finalmente, produce la energía eléctrica. 6. En esta etapa final, el vapor se enfría, se condensa y regresa al estado líquido. La instalación donde se produce la condensación se llama condensador. El agua líquida forma parte de un circuito cerrado y volverá otra vez a la caldera, previo calentamiento. La corriente eléctrica se genera a unos 20.000 voltios de tensión y se pasa a los transformadores para elevar la tensión hasta unos 400.000 voltios, para su traslado hasta los puntos de consumo. NOTA: Si la central térmica es de carbón, éste se almacena a medida que llega de la mina y se traslada por medio de una cinta transportadora hasta la tolva, de donde se pasa a un molino en el que se tritura hasta quedar convertido en polvo fino que arde más fácilmente. A continuación se mezcla con aire precalentado y se introduce en la caldera. Si el combustible empleado es fuel, éste se almacena en depósitos a medida que llega de la refinería y tras ser calentado, se conduce desde ellos a la caldera.
Esquema elemental de una central térmica
Descripción del el esquema elemental de una central eléctrica
1.2 CLASIFICACIÓN, DESCRIPCIÓN, FUNCIÓN E INSTALACIÓN DE LAS PRINCIPALES PARTES DEL GENERADOR DE VAPOR. CONCEPTUALIZACIÓN Un generador de vapor se define como una combinación compleja de economizador, caldera, sobre calentador, recalentador, pre calentadores de aire, y equipos auxiliares tales como: alimentador de horno, pulverizadores, quemadores, ventiladores, equipos de control de emisiones, chimenea, equipo de manejo de cenizas, etc. Entonces, una CALDERA es un componente del GENERADOR DE VAPOR donde el líquido es convertido a vapor saturado. El término “CALDERA” es usado como significado de “GENERADOR DE VAPOR”, sin embargo un generador de vapor se clasifica por diferentes vías, por ejemplo: Utility steam generators, son aquellos usados en el servicio de la generación de potencia eléctrica y existen como: - Subcríticos, los cuales operan entre 130 bar a 190bar de presión, alcanzan hasta 550°C con una o dos etapas de recalentadores y poseen una capacidad de 1 a 10 millones Lbm/hora de vapor. - Supercríticos , que pueden operar por arriba de 3208.2 psia, usualmente con una presión de 3500psia (240bar). Industrial steam generators , son aquellos que se utilizan en la industria pequeña de generación eléctrica, establecimientos institucionales, industriales, comerciales y en muchos usos más como en la Industria Alimentaria (conserveras, embotelladoras, precocinados, aceites, mataderos, licoreras y alcoholeras, cerveceras, lácteos, bodegas, etc.), construcción (prefabricados de hormigón, cerámicas,etc.), industria del caucho, valorización de residuos y reciclaje, plásticos, lavanderías, farmacéutica, química, papel y cartón, industria del metal, etc. Estos generadores de vapor pueden alcanzar presiones hasta de 1500Psig y una capacidad de 1 millón Lbm/hora de vapor.
CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR (G.V) Los G.V pueden clasificarse basándose en algunas de las características siguientes: uso, presión, materiales de que están construidas, contenido, forma y posición de los tubos, sistema del fogón, clase de combustible, fluido utilizado, sistema de circulación, posición y tipo del hogar, forma general, etc. Si nos referimos a la clasificación de acuerdo al tipo de diseño, encontraremos dos grandes tipos de G.V: a) G.V de tubos de humo (Piro tubulares) b) G.V de tubos de agua (Acuotubulares)
A) GENERADORES DE VAPOR PIROTUBULARES O DE TUBOS DE HUMO Se caracterizan porque la llama de la combustión se forma dentro de cada hogar cilíndrico de la caldera, pasando los humos generados por el interior de los tubos de los pasos siguientes (normalmente dos), para ser conducidos a la chimenea de evacuación. De ello, su otro nombre de calderas de tubos de humo. En estas calderas, tanto los hogares, como los tubos de humo están en el interior de la virola, completamente rodeados de agua. Para generar vapor, se regula el nivel medio del agua en su interior, de forma que varíe dentro de una banda prevista, sirviendo su cámara superior de separador del vapor generado, desde donde sale al consumo por la tubuladura de salida.
CARACTERÍSTICAS GENERALES: - Se construyen en tamaños de hasta 18000lbm/hora de vapor. - El Calor circula por dentro de los tubos y el fluido frío, agua, por fuera de ellos. El calor es transferido por medio de los humos o gas de la combustión. - Los tubos van sumergidos en el agua - La caldera de baja presión está limitada a 15psig de presión de vapor. - La caldera de vapor para generar fuerza puede operar a una presión de 300Psig y una capacidad de 50000Lbm/hora de vapor de agua. - El diseño de una caldera tubos de humo se basa principalmente en el hogar y en los pasos de los gases a través de los tubos.
VENTAJAS:
Almacenan gran cantidad de agua. Producen gran cantidad de vapor. Permiten efectos de fluctuaciones en la demanda de vapor. Su costo instalada es relativamente bajo y considerablemente menor que la correspondiente caldera acuotubular de domo. Son perfectamente adaptables a la producción estandarizada. Son eficientes de 79% a 85%. La caldera escocesa es económica en su costo inicial, ocupa un mínimo de material refractario y su instalación es sencilla. Fáciles de transportar Necesitan relativamente poca área para su instalación. Las calderas escocesas pueden ser operadas bien con aguas contaminadas.
DESVENTAJAS:
Su arranque en frío es demasiado lento para alcanzar la presión de trabajo. Su posibilidad de sobrecalentamiento es limitado y depende del tipo de caldera. Con el aumento de la demanda de vapor, la temperatura de los gases se eleva rápidamente. No se utilizan para el accionamiento de turbinas. El tamaño de la caja del hogar no puede ser ampliado. Su operación se torna crítica al operar con sobrecarga de más del 40%. Su mantenimiento interior es dificultoso. No son empleados para altas presiones (operan de 0-300 PSIG).
b) GENERADORES DE VAPOR ACUATUBULARES O DE TUBOS DE AGUA Debido a los grandes inconvenientes de los Generadores de Vapor Pirotubulares se construyen este otro tipo de generadores. Los generadores acuotubulares se caracterizan porque la llama de los quemadores se forma dentro de un recinto formado por paredes tubulares en todo su entorno, que configuran la llamada cámara de combustión (hogar), pasando los humos generados por el interior de los pasos siguientes, cuyos sucesivos recintos están también formados por paredes tubulares en su mayoría. La cualidad que diferencía a estos G.V es, que todos los tubos que integran su cuerpo están llenos de agua o, al menos, llenos de mezcla agua-vapor en los tubos hervidores, en los que se transforma parte de agua en vapor cuando generan vapor como fluido final de consumo.
G E N E R A D O R A C U A TUB U L A R
Fig. 3 Generador Acuatubular y su descripción
En los G.V acuotubulares la circulación del agua por su interior es forzada por medio de las bombas de circulación. En las calderas de generación de vapor se regula el nivel medio de agua en el calderín superior, de forma que varíe dentro de una banda prevista, sirviendo la cámara superior de separador del vapor generado, desde donde sale al consumo por la tubuladura de salida.
CARACTERÍSTICAS GENERALES: -
EL fluido, agua, circula por el interior de los tubos y por el exterior los gases producto de la combustión. Los tubos que manejan agua y vapor, o tubos descendentes son de acero al carbono. Estas calderas por lo general son de construcción vertical. Estas calderas requieren de agua de alimentación con un tratamiento químico exhaustivo. Estas calderas pueden ser de circulación natural o forzada. Las de circulación forzada supercríticas no utilizan bomba de recirculación, y operan con presiones de diseños cercanas o por encima del punto crítico. Utilizan calentadores de aire que es el último dispositivo en recuperar calor de la caldera y se localiza en la chimenea. Utilizan precipitadores a la salida de los humo. Algunas son de tiro inducido, tiro forzado y de tiro equilibrado o balanceado.
VENTAJAS: -
Son de horno propio interior ubicado lejos de la zona de evaporación Son de gran volumen y altura Admiten gran cantidad de aire en su hogar La combustión se puede controlar Son de alto rendimiento y producción de alta presión, apta para generación de energía eléctrica. Menor tiempo para levantar presión. Entre más alta es la caldera más se aprovecha la energía calórica de los gases de combustión Mayor flexibilidad para variaciones de consumo, debido a la pequeña cantidad de agua que contienen Puede quemar combustible líquido, gaseoso, sólido y biomásico. Producen un vapor seco por lo que en el sistema de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento.
DESVENTAJAS -
Es de difícil realizar mantenimiento por lo incomodo el acceso a la zona de convección. Mantenimiento más costoso. El coeficiente de evaporación está estrechamente limitado por la circulación interna. Para su instalación requieren de una extensa área de terreno.
LOS CALENTADORES DE AIRE SE CLASIFICAN EN GENERAL COMO: RECUPERATIVOS O GENERATIVOS. En ambos se usa la transferencia por convección del calor, de la corriente del gas a un metal o una superficie sólida y la transferencia por convección de esta superficie al aire.
Recuperativos: En éstos, las partes metálicas estacionarias forman una frontera de separación entre los fluidos, el que se calienta y el que se enfría, y el calor pasa por conducción a través de la pared metálica. Regenerativos: Hay dos tipos básicos, en el primer tipo, los elementos de transferencia de calor se mueven alternadamente a través de las corrientes de gas y aire que pasan por ciclos sucesivos de calentamiento y enfriamiento, y reciben la transferencia de calor por la capacidad de almacenamiento térmico de los elementos. En el otro tipo de precalentador regenerativo, tiene elementos estacionarios y el flujo alterno del gas y del aire se controla al hacer girar las conexiones de entrada y salida.
COMPONENTES PRINCIPALES DEL GENERADOR DE VAPOR:
Entonces: Q= 25.2 m3 /hr
Ó
Q= 420 lt/min.
De acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM-002-ENER-1995. Eficiencia térmica de calderas paquete. Especificaciones y método de prueba.
1.11. CICLO COMBINADO. Este tipo de Central Consta Principalmente de los siguientes equipos
CONVERSIÓN DE ENERGÍA EN LAS CENTRALES:
Esquemas de conversión de energía en las centrales
1.12. CICLO BRAYTON-RANKINE Una central de ciclo combinado es una central eléctrica en la que la energía térmica del combustible es transformada en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de gas, generalmente gas natural, mediante combustión (ciclo Brayton) y el convencional de agua/turbina de vapor (ciclo Rankine).
1.13 DEFINICIÓN Y EFICIENCIA DEL CICLO. Podríamos definir una Central de Ciclo Combinado como un Sistema Energético altamente eficiente, de bajos costes de inversión en comparación con los restantes Sistemas Energéticos de Generación de Electricidad, de un corto plazo de ejecución, con una gran flexibilidad de operación, con un bajo impacto ambiental, que puede instalarse próximo a los Centros de consumo, con el consiguiente ahorro en pérdidas por transporte, y sin que sea necesario instalar nuevas líneas de Alta Tensión, y usando un combustible, de fácil transporte y manejo como es el Gas Natural. El Ciclo Combinado permite una amplia variedad de configuraciones para adaptarse a las necesidades de cada mercado: subidas y bajadas rápidas de carga, cortos tiempos de arranque partiendo de máquina parada,…etc. He aquí algunas de las configuraciones más usuales que están operando. ¿Por qué el boom de los Ciclos Combinados? Si a las características generales de los Ciclos Combinados añadimos la liberalización de los mercados eléctricos facilitando la entrada de nuevos generadores y el hecho, al menos de partida, de un combustible barato, tendremos la explicación del entusiasmo por este tipo de instalaciones.
1.14 CONFORMACIÓN Es el ciclo ideal de las centrales eléctricas de vapor, y funciona de manera que el fluido de trabajo cambia de fase de líquido a vapor. El fluido de trabajo generalmente es agua para el ciclo de Rankine 1-2: Compresión isentrópica en una bomba. 2-3: Adición de calor isobárico en una caldera. 3-4: Expansión isentrópica en una turbina. 4-1: Rechazo de calor isobárico en un condensador. Estados para el ciclo ideal: 1: Liquido saturado 2: Liquido comprimido 3: Vapor sobrecalentado 4: Mezcla saturada.
PRINCIPIO DEL CICLO RANKINE
CARACTERÍSTICAS DEL CICLO 1. La energía se recupera de los gases de escape y se transfiere al vapor en un intercambiador de calor que sirve como caldera 2. La cámara de combustión es isobárica; P 6 = P 7 3. Los intercambiadores de calor son isobáricos; P 9 = P 8, P 2= P 3, P 1 = P 4 4. Se asumen las eficiencias isentrópicas o se asumen idealizaciones 5. Suposiciones de aire estándar para el ciclo de gas Brayton 6. El ciclo de vapor es el ciclo Rankine ideal simple.
Fig. 21 Esquema de un Ciclo combinado
