QUE PARA OBTENER EL TÍTULO

(1)

bI\/l

Universidad Autónoma Metropolitana

\ A

" 1

Unidad IztapaCapa

Casa

abierta

al

tiempo

4IVFHSIUAfl AUTONOMA MFIROPOlITAhA

CIENCIAS BASICAS

E INGENIERIA

SEMINARIO DE PROYECTO

IIMULACIÓN

Y

OPTIMIZACIÓN TÉCNICA DEL SISTEMA

IJRBINA DE VAPOR CONDENSADOR DE LA UNIDAC

4ORTE DE LA CENTRAL CICLO COMBINADO DE

TULA

HIDALGO.

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO

DE

INGENIERO

EN

ENERGÍA

PRESENTA:

EDGAR DANIEL DE LA ROSA LAGUNAS

ASESOR:

DR. HERNANDO ROMERO

PAREDES RUBIO

(2)

Universidad Autónoma Metropolitana

Wnitiad Qztarpalcya

Casa

abierta

al

tiempo

SEMINARIO

DE

PROYECTO

S I M U L A C I ~ N

Y OPTIMIZACI~N

TÉCNICA DEL SISTEMA

TURBINA DE VAPOR CONDENSADOR DE LA UNIDAD

NORTE DE LA CENTRAL CICLO COMBINADO DE TULA,

HIDALGO.

Que

para

obtener

el

Título

de:

Ingeniero en Energía

presenta: Edgar Daniel

de la

Rosa Lagunas

Asesor:

Dr. Hemando Romero Paredes Rubio

Vo. Bo.

(3)

A

MARIA...

UNAMADRE “BASTANTE BUENA”

PARA JUANGWLOS

Y

CLAUDIA.

....

PERO, SOBRE TODO PARA

MI

A JUAN

CARLOS

...

ELMEJORHERMANOQUEPUDEHABERTENIDO

A CLAUDIA..

POR AGUANTARME Y POR SU GRAN AYUDA

A LILIAN Y

EVERARDO

....

MIS TIOS FAVORITOS

A

HAYDEÉ

....

...

DOS MIL TRESCIENTAS CUARENTA

Y TRES RAZONES

...

AMIS PROFESORES

POR

SU

ENTREGA Y

DEDICACI~N

AMI UAMI

POR ABRIRME LAS PUERTAS

AL

MARAVILLOSO

MUDO DE LA

CtENCIA Y LA INGENIERIA

A FELIPE, JAVIER, CLAUDIAY AGUSTIN

POR SU

GRAN

AMISTAD

“LE MEJOR DE LO MEJOR”

A EDGAR DANIEL

(4)

Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula Hidalgo.

INDICE

1 PANORAMICA D E LA CENTRAL CICLO COMBINADO DE TULA HIDALGO

2.1 Marco de Referencia

1.2 Análisis del Diagrama de Flujo del Sistema Bajo Estudio

1.3 Descripción del Equipo Objeto de Estudio

1.3.1 Condensador 1.3.2 Turbina de Vapor

1.4.1 Introducción a la Central de Ciclo Combinado de Tula Hidalgo

1.5.1 Componentes del Ciclo Combinado 1.5.2 Planta de Potencia con Turbina de Gas 1.4 Descripción de la Central Termoeléctrica

1.5 Descripción y Caracteristicas del Equipo Principal

1.5.2.1 Turbina de Gas 1.5.2.2 Compresor Axial 1.5.2.3 Cámara de Combustión

1.5.3 Planta de Potencia con Turbina de Vapor 1.5.3.1 Turbina de Vapor

1.5.3.2 Generador de Vapor (Recuperador de Calor) 1.5.3.3 Domo de Alta Presión

1.5.3.4 Sobrecalentador

1.5.3.5 Evaporador de Alta Presión 1.5.3.6 Economizador

1.5.3.7 Evaporador de Baja Presión 1.5.3.8 Quemadores Posteriores 1.5.3.9 Condensador

1.5.3.10 Bombas de Vacío 1.5.3.1 1 Bombas de Condensado 1.5.3.12 Torre de Enfriamiento 1.6 Marco Teórico

1.6.1 Introducción

1.6.2 Fundamento de la Turbina de Gas

1.6.3 Fundamento de la Turbina de Vapor

1.6.4 El Ciclo Combinado “La Intersección” 1.6.2.1 El Ciclo Brayton

1.6.3.1 El Ciclo R a n h e

1.6.4.1 El Ciclo de Carnot 1.6.4.2 La Intersección

2 3 4 4 5 7 7 10 10 10 10 10 11 12 12 12 14 14 15 16 17 18 18 19 19 20 21 21 22 24 25 27 28 28 29

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 31

2.1 Balances de Energía

2.2 Información Disponible de la Planta 2.3 Balances de Energía y Masa

2.4 Caracterización del Ciclo Rankine

2.5 Balance del Generador de Vapor (Recuperador de Calor)

(5)

Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula Hidalgo. 2.6 3 3.1 3.2 3.3 4 4.1 5 6 7 8 9

2.5.1 Domo Baja Presión

2.5.2 Evaporador de Baja Presión 2.5.3 Bomba Alta Presión

2.5.4 Economizador 2.5.5 Domo Alta Presión

2.5.6 Balance Domo Alta Presión 2.5.7 Sobrecalentador I

2.5.8 Atemperador 2.5.9 Sobrecalentador I1

Cálculos Numéricos

I N F O R M A C I ~ N GENERAL DE CONDENSADORES DE SUPERFICIE

El condensador de Flujo Radial Número de Etapas

Construcción Mecánica

FUNCIONAMIENTO DEL CONDENSADOR

Factores en el Funcionamiento del Condensador

CALCULOS

DE DISEÑO

CALCULOS

DE DISEÑO PARA EL CONDENSADOR DE L A CENTRAL

DE CICLO COMBINADO DE TULA HIDALGO

LIMITACIONES EN EL CORRECTO FUNCIONAMIENTO

EFECTOS EN EL CONDENSADOR

CONCLUSIONES

ANEXOS

A 1.1 Enfriador Por Absorción A 1.2 Tabla de conversiones

40 40 41 41 42 42 43 43 43 44 47 47 48 49 50 50 56 60 63 65 70 72 72 74

(6)

Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula, Hidalgo.

SEMINARIO

DE PROYECI'O

SIMULACIóN

Y

OPTIMIZACIÓN TÉCNICA DEL SISTEMA

TURBINA DE VAPOR CONDENSADOR DE LA UNIDAD

NORTE DE LA CENTRAL CICLO COMBINADO DE TULA,

(7)

Simulación Optimización Técnica del Sistema Turbina de Vapor Condensador de la Unidad Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula, Hidalgo.

1.1

MARCO DE

REFERENCIA

El

presente trabajo es un análisis del condensador

y

de todas las variables que pueden cambiar debido a el uso total o parcial de un flujo de vapor el cual es extraído como vapor vivo e

inyectado al condensador, esto como parte de un gran proyecto en el cual se pretende utilizar esta corriente de vapor vivo para aumentar la potencia de la turbina de gas, incrementar la potencia del recuperador de calor

y

por lo tanto el flujo de vapor

y

en conjunto, aumentar la eficiencia del ciclo combinado. En otro trabajo se ha analizado la posibilidad de utilizarlo en un equipo de enfriamiento por absorción (anexo 1.1).

Al

retirar esta corriente del condensador total o parcialmente, se altera el funcionamiento del mismo ya que fue diseñado para operar en esas condiciones. De esta manera unas suposiciones que se pueden hacer de lo que puede suceder al modificar sus condiciones de operación son: un posible aumento del trabajo de las bombas de vacío, una disminución del agua de enfriamiento

y

por

lo

tanto del trabajo de las bombas del circuito de agua, una operación deficiente del condensador, entre otras.

Para realizar el proyecto será necesario respaldarse de los datos proporcionados por

la

planta, es decir, la lectura en la instrumentación existente en los equipos.

La

determinación de cada uno de los parámetros en los puntos de los equipos que no estén instrumentados

y

se requieran para la evaluación térmica, se obtendrán mediante los balances de materia

y

energía.

La siguiente simbología representa las variables que se utiliza en la evaluación.

Sirnbología

P

h

Entalpía

P

I

.

. .

- .

.

,

(8)

Norte de

la

Central Ciclo Combinado de Tula, Hidalgo.

1.2 ANÁLISIS

DEL DIAGRAMA

DE FLUJO DEL SISTEMA BAJO ESTUDIO.

VaDor sobrecalentado

Bomba de vació

(9)

Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula. Hidalzo.

1.3 DESCRIPCI~N

DEL EQUIPO OBJETO

DE ESTUDIO

En esta parte se describirá el equipo objeto de estudio en el presente trabajo, posteriormente se describen los principales equipos de la central ciclo combinado, ya que este trabajo es parte de un gran proyecto con todos los equipos que componen a la misma.

Figura 1.3. Condensador

1.3.1. CONDENSADOR

Primeramente tenemos

al

condensador, el cual su función principal es la de condensar el vapor que ha efectuado su trabajo y ha salido de la turbina, para luego ser enviado mediante unas bombas de regreso

al

generador de vapor.

Existen dos tipos básicos de condensadores: de superficie

y

de contacto directo.

El

primero es

(10)

Simulación Optimización Técnica del Sistema Turbina de Vapor Condensador de la Unidad Norte de la -&n;ral Ciclo Combinado de Tula, Hidalgo.

-

ventaja de ser un equipo relativamente barato, con un consumo muy alto de agua para

la

condensación.

Es posible mantener una mejor presión de vacío en los condensadores de tipo “superficie”,

y

el condensado puro suministrado por este tipo de condensadores, es de gran ayuda al suministrar agua de alimentación para unidades de alta presión

y

temperatura (generador de vapor). Este tipo de condensadores esta formado por un conjunto de tubos por los que circula agua de enfriamiento, la cual absorbe calor

y

después es enfriada en torres de enfriamiento externas. Dependiendo de la dirección del eje tubular, pueden ser clasificados como horizontales o verticales, de los cuales el primero de ellos es m á s utilizado debido al ahorro en espacio, facilidades de limpieza

y

empaque de los tubos.

El

agua de enfriamiento realiza uno o

m á s recorridos a través del haz tubular, es decir pueden tener un paso o dos pasos, el de dos pasos garantiza un mejor vacío con menor agua de circulación, el número de pasos que efectúa el agua depende de si existe poca o mucho agua de suministro. Las longitudes de los tubos de enfriamiento son de entre 1.8 a 9 m (6 a 30 ft), la longitud se determina en función de la bomba que alimenta los tubos, ya que a mayor longitud se requiere una bomba de mayor tamaño. Las características del agua de circulación

y

las velocidades del agua dentro del tubo

son de 2.1 a 2.4 m / s (7 a 8 ft/s), están determinadas por el tipo de aleación usadas en la fabricación del condensador.

Si

el grado de sobrecalentamiento del vapor a la turbina es bajo, puede dar lugar a la formación de un grado excesivo de humedad, lo anterior se evita incrementando el sobrecalentamiento. Cuando el agua se concentra en una determinada zona del condensador, es recomendable instalar deflectores, para mantenerla homogénea

y

en régimen turbulento.

1.3.2

Turbina de Vapor

El

éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la máquina de vapor de vaivén desarrollada por Watt utilizaba la presión del vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de éste.

La

turbina puede ser m á s pequeña, más ligera

y

m á s barata que una máquina de vapor de vaivén de la misma potencia,

y

puede ser de un tamaño mucho mayor que las máquinas de vapor convencionales. Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor reemplazo a las máquinas de vaivén en las centrales generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de propulsión a chorro.

Las turbinas de vapor se utilizan también en la generación de energía eléctrica de origen nuclear y en la propulsión de los buques con plantas nucleares. E n las aplicaciones

de

cogeneración que requieran tanto calor (el utilizado en un proceso industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera

y

se extrae desde la turbina a la temperatura y la presión que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor pueden utilizarse en ciclos (escalones) combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. Las unidades industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y generadores eléctricos.

La

potencia que se obtiene puede ser de hasta

(11)

Unidad

La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino que fue el resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo

XIX.

Algunos de los participantes m á s

(12)

1.4 DESCRIPCIóN DE

LA CENTRAZ,

Enseguida se presenta una descripción de los equipos mas importantes que componen a la central de ciclo combinado yuna breve introducción de la misma.

1.4.1 Introducción a la Central de Ciclo Combinado de Tula Hidalgo.

Basándose en el incremento de

la

demanda de energía eléctrica, paralela al de la población del

país, se ha hecho necesaria, la adquisición continua de unidades generadoras, de mayor poder, capaces de cubrir estos aumentos en la demanda.

Debido a la incosteabilidad de operar unidades de gran capacidad para cubrir los picos de demanda, se optó por la adquisición de unidades generadoras, que aunque tengan menor capacidad, sean capaces de absorber las variaciones bruscas de la demanda; esto es, con unidades que operen durante periodos cortos; de rápido arranque, cuyo costo

y

tiempo de instalación sea menor a los requeridos por las grandes unidades de vapor.

Lo anterior desembocó en la solución de crear centrales que aprovechen las ventajas de las turbinas de vapor, así como, las de turbinas de gas,

y

cubrir así, los rangos de carga inmediata. Estas Centrales deberán de tener las características de, primero: Entregar una gran cantidad de energía con alto rendimiento, y después, las ventajas de una construcción rápida

y

un mejor precio, entre una central de vapor y una turbina de gas.

Debido a los altos consumos de energéticos que se tienen en una central de ciclo combinado

y

la carencia de recursos suficientes para

la

construcción de nuevas centrales eléctricas es necesario operar de una manera satisfactoria a las que se tienen actualmente, esto por medio de alternativas tecnológicas que no requieran grandes inversiones, que se amorticen rápidamente, logrando incrementar la eficiencia de las centrales logrando beneficios para la economía del país.

Al

analizar, teóricamente los ciclos térmicos (Rankine y Brayton), se observa que en las turbinas de vapor, se tiene punto de pérdida importante (de calor), el calor que disipa el condensador primero hacia el agua de enfriamiento y después a la atmósfera.

No

así, en la turbina de gas, en donde el factor determinante que afecta la eficiencia del ciclo es

la

energía que se envía a la atmósfera en los gases de escape.

(13)

Simulación y Optimización Técnica del Sistema Turbina de Vapor Condensador de

la Unidad

Norte de la Central Ciclo Combinado de

Tula,

Hidalgo.

I

_Figura_1.4._{Diagrama del ciclo combinado}

La Central Ciclo Combinado Tula, es la central de mayor capacidad (482

Mvv)

de este tipo, que actualmente tiene la Comisión Federal de Electricidad. Esta, junto con la Central “Francisco Pérez Ríos”, que se encuentra ubicada en el mismo predio, integran el complejo que genera

1982

Mw.

La Central Ciclo Combinado, inició su operación, como ciclo abierto con las turbinas de gas, el 8 de mayo de 1981, posteriormente, como ciclo combinado, el primero de Noviembre de 1985.

Esta Central forma parte de la Subgerencia Regional de Generación Termoeléctrica Central, que a su vez, pertenece a la Gerencia de Producción Central que esta conectada al Sistema Interconectado Nacional, a través de la Subestación de la Central “Francisco Pérez Ríos”. La importancia de la Central Ciclo Combinado, para el Sistema Eléctrico Nacional, radica en varias razones; la primera, es la cercanía a la Ciudad de México que es el centro de consumo m á s grande del país; la segunda, es el hecho de estar interconectada con las redes principales de alimentación a esta misma ciudad.

Y

por ultimo, a que el suministro de combustible proviene de la red Troncal de gaseoductos de

PEMEX

que llegan a la Refinería Miguel Hidalgo la cual colinda con el complejo Tula, que como ya mencionamos se encuentra en el mismo predio que la Central “Francisco Pérez Ríos”.

La Central está constituida por dos paquetes Westinghouse de una capacidad de 238 y 244

MW

(14)

Tula,

Hidalgo.

PAQUETE NORTE

2 Turbinas de Gas, cada una de 72 MW

1 Turbina de Vapor de 100

MW

PAQUETE SUR

2 Turbinas de Gas, cada una de 69

M w

1 Turbina de Vapor de 100

MW

Localización.

Esta Central está ubicada a 83 Km.

Al

norte de la Ciudad de México, en el estado de Hidalgo

y

a 8 km al Sur de la Ciudad de Tula, sobre una superficie de 94 Hectáreas y a una altitud de 2,100 m sobre el nivel del mar. Cabe señalar que en esta superficie se encuentra también

la

Central Termoeléctrica Tula, “Francisco Pérez Ríos”

y

que colinda con la Refinería “Miguel Hidalgo” de

PEMEX.

Fecha de operación comercial.

Las unidades que componen esta Central fueron puestas en operación en fechas diferentes, primero como ciclo abierto

y

después como ciclo Combinado como se indica en el cuadro adjunto:

(15)

1.5 DESCRIPCI~N

Y

CARACTERÍSTICA~

DEL EQUIPO PRINCIPAL

1.5.1 Componentes del Ciclo Combinado.

Como el ciclo combinado esta formado por los ciclos Brayton y Rankine, estos tienen equipos de características diferentes tal

y

como se muestra en la figura 1.4. La descripción del equipo que conforma cada ciclo se muestra a continuación.

1.5.2 Planta de Potencia

con Turbina de

Gas.

1.5.2.1 Turbina de

G a s

(especificaciones técnicas)

Estas turbinas consisten en un compresor

axial,

una cámara de combustión, una turbina de tipo reacción acoplada directamente para mover el generador eléctrico en el extremo de entrada al compresor.

ll

Fabricante

I

Westinghouse

1

Westinghouse

1 II

No. Serie

II

W

501

D

24

11

W501

D

24

11

~~ ~~ ~~

Reacción

I1

Reacción

N

Velocidad

4

4 No. Pasos

3600

RP.M.

3600

Kg/h

1004351 1004351

Tabla 1.3 Turbina de Gas especificaciones técnicas.

1.5.2.2

Compresor

Axial

Es el componente mecánico en el cual la presión del fluido de trabajo (aire) es incrementada.

El

aire atmosférico es succionado a través de la casa de filtros

y

es guiado

al

interior del compresor donde es presurizado y forzado hacia el interior de las cámaras de combustión.

(16)

movimiento, constituye un paso o etapa de la compresión. La figura 1.6 ilustra la disposición de los alabes

y

el aumento de la presión en un compresor rotatorio de flujo axial. Este tipo de compresores tienen la capacidad de suministrar un flujo de gran volumen con bajo aumento de presión. La eficiencia de esta maquina es superior a la de los compresores de efecto centrífugo similares en cuanto a sus condiciones de diseño. Un problema usual en estos compresores es su tendencia a detenerse o “trabarse en condiciones distintas de las de diseño, cuando las revoluciones por minuto, ypor lo tanto, el flujo, son menores. este comportamiento se debe al retroceso de flujo en las últimas etapas de la compresión,

la

cual obstruye el paso de gas a

través del compresor. Es común emplear un desvió o “bypass” en las etapas finales que funciona hasta que se alcanzan las condiciones de diseño. La eficiencia del compresor centrífugo es uniforme en una amplia gama de condiciones de funcionamiento, de modo que existe una compensación o ajuste entre una eficiencia mayor

y

una gama reducida de condiciones de operación, o una eficiencia menor

y

una gama mas amplia de condiciones de

funcionamiento cuando se comparan los compresores de efecto centrífugo

y

los de flujo

axial.

Tabla

Fabricante

19 19

No. Pasos

Westinghouse Westinghouse

Tipo Flujo axial Flujo axial

Aire atmosférico

Filtrado Filtrado

Aire atmosférico Fluido ~~

Relación de Compresión 17: 1 17: 1

1.4 (especificaciones técnicas compresor axial).

1.5.2.3. Cámara de combustión

La combustión del combustible

y

el medio de trabajo que surte la energía para la turbina, tiene lugar en los combustores arreglados circunferencialmente alrededor del eje de la máquina.

En el ciclo abierto de una unidad motriz de turbina de gas, el aire que entra al compresor aumenta de presión: luego pasa al combustor (o cámara de combustión), donde se efectúa la ignición o quema del combustible,

y

este proceso eleva la temperatura de los gases producto de la combustión, los cuales entran luego a la turbina. Por ultimo, tales gases salen de esta maquina ypasan al generador de vapor. En la figura 1.8 se ilustra esquemáticamente este ciclo,

y la figura 1.9 muestra el diagrama

T-S

correspondiente. Observemos que el aire es el fluido de trabajo hasta la cámara de combustión,

y

que después de esta, un fluido diferente, el gas (o

(17)

la

Tula,

Hidalgo.

Tab

Fabricante Westinghouse

Combustores Para gas

16

Concéntrico al eje Concéntrico al eje "

Tipo de bujía de encendido

Ultra Violeta Ultra Violeta

Tipo de detectores de Flama

Retráctil Retráctil

No. Detectores de flama 4 4

1.5 (especificaciones técnicas de la cámara de combustión).

1.5.3 Planta de Potencia con Tubina de Vapor.

1.5.3.1 Tubina de Vapor (especificaciones técnicas).

1

Flujo de vapor M&ima capacidad

(KWhr)

" 404546

/

80.5

1

Tabla 1.6 (especificaciones técnicas de la turbina de vapor).

'bNota:

la

capacidad total de la turbina emplea dos generadores de vapor, ya que cada turbina de gas cuenta con un generador de vapor.

1.5.3.2 Generador de Vapor (Recuperador de Calor)

(18)

Norte de

la

-Gn&al Ciclo Combinado de Tula, Hidalgo.

Existen muchos pasos en el funcionamiento de un generador de vapor, pero básicamente, el agua entra al domo de baja presión a una temperatura menor que la de saturación. Luego pasa de este tambor a un banco de tubos dónde es calentada hasta alcanzar su punto de saturación y se produce la evaporación. La mezcla de vapor y agua entra al de alta presión, donde éste ultimo se acumula en su parte superior

y

el agua recircula hacia los tubos.

El

vapor, que ahora

ya esta saturado, pasa por los tubos del Sobrecalentador, donde su temperatura se incrementa por la transferencia de calor adicional que proviene de los gases calientes.

El

vapor sobrecalentado sale del generador de vapor y entra a la turbina.

Las plantas de vapor tienen como elemento principal al generador de vapor, ya que es el elemento capaz de producir vapor. Los generadores de vapor son recipientes herméticos que tiene por entradas al agua, al combustible (liquido, sólido o gas),

y

aire; como salida tienen al vapor, residuos de combustión

y

purgas, de los cuales los dos últimos son considerados como desperdicios. La producción del vapor es por lo general un proceso a altas presiones, la eficiencia térmica de un generador de vapor se incrementa al operar con mayores presiones y temperaturas; el generador de vapor es un elemento capaz de transformar energía química (combustible) en energía mecánica (vapor a alta presión

y

temperatura).

El

tipo de generador de vapor m á s usado es el de tubos de agua, en donde existe una división en los tubos, ya que si estos son rectos se encuentran dispuestos en bancos ligeramente inclinados de la horizontal yvan de un cabezal a otro cabezal; los tubos curvos van de domo a

domo para formar la superficie de calefacción. Por lo general los generadores de vapor son altos, para poder absorber todo

el

calor proveniente del quemador.

(19)

Tula,

Hidalgo.

Tabla 1.7. especificaciones técnicas del Generador de Vapor.

1.5.3.3 Domo de Alta Presión (especificaciones técnicas).

Este equipo sirve para separar el vapor húmedo

y

el liquido saturado a una alta presión. También se utiliza para amortiguar los golpes que puedan producir las bombas

y

en general el movimiento del liquido.

Ul-U2 u4-u5

Material SA 516 GR 70

SA

516 GR 70

Tabla 1.8. (especificaciones técnicas del domo de alta presión).

1.5.3.4 Sobrecalentador

Debido al requisito de altas presiones y temperaturas, el calor absorbido en esta etapa deberá ser mayor que en las anteriores dos etapas, por lo que la superficie necesaria para el sobrecalentamiento es la de mayor área. En este punto es muy importante la llamada presión crítica del vapor que es de 3,226

lb/in2,

yes donde la densidad del vapor es la misma que la del agua.

(20)

de quemadores posteriores controla la temperatura del vapor variando la temperatura de los gases que entran al sobrecalentador, con lo cual se logra incrementar la carga del sistema.

Esta es la última etapa de conversión del vapor,

y

generalmente se tiene vapor sobrecalentado a

la

salida de ésta etapa

,

mientras que a la entrada se tiene vapor saturado ; donde su entalpía es la entalpía del vapor saturado a las mismas condiciones de presión. Para obtener la entalpía del vapor sobrecalentado se utilizan las condiciones de temperatura

y

presión a la salida del generador de vapor

El

sobrecalentador esta divido en dos partes colocándose entre ellas un atemperador, debido a que como se utilizan los gases de combustión de las turbinas de gas, los flujos de estos gases pueden variar, ocasionando una variación en

la

temperatura del vapor, mediante el uso del atemperador se controla la temperatura del vapor a la salida del generador de vapor.

Tubería diámetro Exterior

Tabla 1.9 especificaciones técnicas del sobrecalentador.

1.5.3.5 Evapoxador de Alta

Presión

En sistemas de generación de vapor en donde se requiere poca agua de reemplazo para el generador de vapor caldera (menores al 3%), se suministra por medio de un evaporador.

El

(21)

el cual se hace pasar por un separador o purificador

y

se dirige hacia el deareador.

El

agua para el evaporador es pasada previamente por la etapa del calentador-deaereador

y

por el economizador.

El

calentador-deaereador tiene por objeto, remover el oxígeno,

y

el bióxido de carbono para evitar la corrosión en el economizador, el evaporador y otros equipos tales como el sobrecalentador.

El

vapor que se usa para alimentar al evaporador, se toma algunas veces de

la extracción de la turbina, o alguna parte donde exista una alta presión tal como el sobrecalentador.

Tabla 1.10 (especificaciones técnicas del evaporador de alta presión).

1.5.3.6 Economizador

En este equipo se calienta el agua con la salida de los gases del recuperador de calor o generador de vapor, de esta manera se optimiza la energía yes aprovechada al máximo.

El

economizador se usa frecuentemente para precalentar el agua de alimentación que entra al generador de vapor, el agua que alimenta al economizador proviene del Domo de Baja Presión, el cual junto con el Deareador forman el calentador-deareador, el cual tiene la función de elevar la temperatura del agua proveniente del condensador y mediante una bomba alimenta directamente al economizador, posteriormente el agua caliente se dirige al Domo de Alta Presión en donde vaporiza la mayor parte del agua caliente. Esta etapa aprovecha al máximo el calor existente en los gases que abandonan el generador de vapor, ya que está colocada entre el

economizador y las etapas del evaporador de Baja y Alta Presión (en la parte m á s alta de la

(22)

Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula. Hidalgo.

economizador trabaja a cargas altas, es posible que el calor cause atomización en el Domo de Alta Presión lo que implicaría, una contaminación del vapor que sale de la caldera, lo cual incrementa el arrastre de partículas.

Ul-U2 u4-u5

Fabricante Foster Wheeler Foster Wheeler

Tabla 1.1 1 (especificaciones técnicas del economizador).

1.5.3.7 Evaporador de Baja Presión

En este equipo se evapora el agua a baja presión, para luego bombearlo al evaporador de alta presión.

(23)

Simulación

y

Optimización Técnica del Sistema Turbina de Vapor Condensador de

la

Unidad Norte de la Central Ciclo Combinado de

Tula,

Hidalgo.

1.5.3.8 Quemadores Posteriores

Son un equipo que permite incrementar la temperatura de los gases de entrada al Recuperador de Calor, por medio de la combustión de gas natural con el exceso de oxigeno contenido en los gases de escape de la turbina de gas.

Con este incremento de temperatura por los quemadores se incrementa la capacidad de flujo de vapor en el Recuperador de Calor y así la capacidad de generación de la turbina de Vapor crece en un 20% aproximadamente.

Tabla l. 13 (especificaciones técnicas de los quemadores posteriores).

1.5.3.9 Condensador (especificaciones técnicas).

El

sistema del condensador se compone de distintos equipos, bombas de circulación

y

de vacío. Como y" se menciono antes, este equipo es el objeto de estudio.

1

CaDacidad del condensador

II

KcaVhr~II ~~ ~~

1 . 8 6 ~ 1 0 ~

II

Flujo Radial No. De pasos

Factor de limpieza Presión de operación mm.

Área efectiva

285010 8196.3

-¡

/I

/

No. De tubos 12660

Diámetro ext. De tubos m.m

₁₁

I

Calibre tubería

Material de tubería I Cwro níauel90- 1 O Elevación de temperatura

11

"C

I(

11.5

Tabla 1.14 Especificaciones técnicas del condensador.

(24)

1.5.3.10 Bombas de Vacío.

La función de este equipó es

la

extraer los gases no condensables descargados al condensador,

ya sea por las entradas de aire o a través de juntas mal selladas que permitan las filtraciones de aire. Este proceso es de manera continua para mejor el rendimiento del ciclo.

" I

j \ r e l o c i d a d l l l l

705 Tabla 1.15 Especificaciones técnicas de las bombas de vacío.

Tabla 1.16 Especificaciones

I

técnicas de los motores de las bombas de vacío.

1.5.3.11 Bomba de Condensado

La función de este equipo es la de extraer el condensado del pozo caliente del condensador principal para enviarlo al deareador e iniciar el ciclo agua vapor en los recuperadores de calor.

Cantidad Marc a

I "

Tipo

IT(

Centrífuga vertical

j/

1

-I I

No. De pasos Flujo

Tabla

Tabla 1.17

I1 I

Especificaciones técnicas de la bombas de condensado.

1.18

E

spec ificaciones t

r&niente

11

A

I

1770

(l/I]-

275

(25)

1.5.3.12

Torre

de Enfriamiento

(26)

Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula. Hidalgo.

1.6

MARCO TEORICO

1.6.1. Introducción

En las máquinas de Otto y diesel se

ha

demostrado que el uso directo de la energía de gases a altas temperaturas y presiones, sin transferencia de calor externa, posee ciertas ventajas en

la

producción de potencia (menos complicada). Por otra parte, la turbina es m á s eficiente que las máquinas reciprocantes, debido principalmente a la fricción entre el cilindro

y

el pistón reciprocante y a la fricción generada en el fluido por la acción de las válvulas. La Turbina de gas combina en una unidad las ventajas de la combustión interna con las de la turbina.

En las turbinas lo que produce el trabajo es un fluido que pasa a través por el interior, la energía cinética del fluido es

la

que mueve a la flecha por donde se transmite

la

energía al generador eléctrico.

Figura 1.5. Turbina de Gas Westinghouse modelo W501D

La turbina de gas es impulsada por gases a temperaturas elevadas provenientes de la cámara de combustión, como se indica en la figura 1.6.

El

aire que entra es comprimido (supercargado) hasta una presión de varios bares antes de la combustión.

El

compresor centrífugo opera con la misma flecha de la turbina, y parte del trabajo de esta sirve para impulsar el compresor. La unidad que muestra la figura es una planta de potencia completa, como los son las máquinas de

Otto. La turbina de gas constituye simplemente una parte del conjunto y realiza la misma

función que una turbina de vapor en las plantas termoeléctricas.

(27)

Unidad

teórica del combustible. E n consecuencia, es necesario suministrar un exceso de aire suficiente para mantener la temperatura de combustión dentro de un nivel seguro.

1.6.2 Fundamento de la turbina de gas

Si se hace incidir una corriente de aire sobre unas aspas inclinadas colocadas sobre un eje rotatorio, las hace girar, convirtiendo la energía del chorro en fuerza giratoria sobre el eje. Este es el caso de los molinos de viento, cuyas aspas grandes o pequeñas, son en realidad, verdaderos álabes de una turbina.

La conversión del movimiento rectilíneo ycontinuo de un fluido en otro movimiento giratorio, aprovechable como fuerza motriz, es de uso antiguo

y

general: si el fluido es el aire atmosférico en movimiento, se tienen los molinos de viento ; si es el agua en las centrales hidroeléctricas se lleva canalizada a presión para hacerla pasar entre los alabes de las turbinas hidráulicas que giran con potencia de miles de Wats

y

mueven los generadores de electricidad. En las turbinas de vapor, el agua se calienta en calderas desde las que el vapor se lleva a presión a incidir sobre los álabes de

la

correspondiente turbina.

El

funcionamiento es el siguiente:

Por el punto A se succiona el aire, donde un compresor centrifugo lo envía comprimido a las cámaras de combustión punto C. En esta hay un mechero o quemador por el que sale, atomizado o elevado a altas presiones el combustible. Una bujía (punto

F)

que realmente es un encendedor, basta que se inflame

la

mezcla al principio, enciende el chorro de combustible en el mechero,

y

se produce una gran elevación de temperatura y presión en el aire carburado e inflamado. Los gases salen a gran velocidad, presión

y

temperatura

(

es decir con enorme fuerza expansiva) hacia la salida o escapé, en cuyo camino hay una turbina

T,

al incidir violenta

y

continuamente sobre sus pequeñas aspas o alabes, la turbina se pone a girar recogiendo

la

fuerza de los gases inflamados.

Figura 1.6 Esquema de una turbina de gas ysus componentes.

De esta turbina (punto

T)

se saca movimiento para hacer funcionar el indispensable compresor alimentador de aire, como se ve en la figura

.

En el compresor consume entre el 60 y el 75 O/O (de dos a tres terceras partes) de toda la energía que da la combustión del petróleo. Como no

(28)

por ello no se utiliza gasolina

ni

mala

ni

buena, si no el que m á s conviene es el petróleo flamante o keroseno

(

en el caso de los aviones). En realidad, cualquier combustible liquido o gaseoso slrve.

En el motor de pistones la temperatura de

la

explosión alcanza los 2,000 "C pero es un breve instante porque la expansión de los gases la disminuye, las fases de escape y compresión son

menos calientes, y la de admisión es refrigerante (por entrar gases frescos y por vaporizarse el combustible en contacto con el cilindro y el pistón calientes). En cambio, en la turbina de combustión es permanente, por

lo

que se hace entrar mas aire para que al llegar los gases a los alabes de la turbina los pasen a la máxima temperatura que estos pueden soportar (hoy en día

puede llegar hasta los mil cuatrocientos grados centígrados).

Esta es la parte difícil para la construcción de las turbinas porque conviene

la

mayor temperatura posible para mejorar el rendimiento,

y

nos es fácil conseguir materiales que soporten continuamente el chorro velocísimo de gases ardiendo, conservando, a la vez y sin fatiga, resistencia mecánica

y

química

(

a la oxidación sobre todo).

Generalmente, los alabes (fig. 1.7) se fabrican sueltos y se montan en la rueda o rotor de la

turbina. En la actualidad, entre los materiales mas usados figuran: las aleaciones de cromo- níquel, cromo-cobalto-molibdeno

y

materiales cerámicos (los cuales son baratos

y,

fáciles de moldear y sumamente resistentes al calor, pero quebradizos

y

frágiles. Se ensayan constantemente nuevas aleaciones

y

métodos de fabricación para conseguir cada vez mejores materiales, mas baratos

y

fhciles de trabajar. Actualmente se están introduciendo en las turbinas mas recientes los materiales cerámicos.

(29)

Simulación Optimización Técnica del Sistema Turbina de Vapor Condensador de la Unidad Norte de la Central Ciclo Combinado de

Tula,

Hidalgo.

1.6.2.1

El Ciclo

Brayton

La idealización del ciclo de

la

turbina de gas (basado en aire y denominado ciclo Brayton) se muestra en un diagrama PV

y

Ts en la figura.

El

proceso de compresión

AB

se representa por una trayectoria adiabática reversible (ioentrópica), donde la presión aumenta de

PA

(presión atmosférica) a

P,.

El

proceso de combustión se reemplaza por la adición de una cantidad de calor Qc a presión constante. En la turbina se produce trabajo como resultado de

la

expansión isoentrópica del aire a la presión

P,.

Como los gases calientes de la turbina se descargan a la atmósfera,

I

?

,

=

P,.

La eficiencia térmica del ciclo se calcula por:

we (neto) - - wCD - wAB - - q B C - q A D

por el compresor está dado por la ecuación:

-

wAB = hB - hA

Figura 1.8 Diagrama

P-V

del Ciclo Brayton

T

Figura 1.9 Diagrama

T-S

del Ciclo Brayton.

V

C

D

(30)

Considerando el aire como gas ideal con capacidades caloríficas constantes,

De manera semejante, para los procesos de combustión

y

para el trabajo efectuado por la turbina,

Sustituyendo estas ecuaciones en la ecuación (x, y)

y

simplificando se tiene.

y para una expansión y compresión adiabática reversible entre

Se tiene que la relación de presiones

y

temperaturas es:

La combinación de

las

dos expresiones anteriores da lo siguiente

1.6.3. Fundamento de la Turbina de Vapor

Es una máquina que tiene por objeto transformar la energía mecánica y parte de la energía térmica disponible en el vapor que es producido en el generador de vapor.

El

principio de funcionamiento es

el

mismo que el de la turbina de gas, el vapor a alta presión

y

temperatura va cediendo su energía a los alabes a su paso a través de la turbina.

(31)

Simulación y Optimización Técnica del Sistema Turbina Vapor Condensador de la

Unidad

Si bien están diseñadas de dos formas diferentes, las partes fundamentales de las turbinas de vapor son parecidas. Consisten en boquillas o chorros a través de los que pasa el vapor en expansión, descendiendo la temperatura y ganando energía cinética, y palas sobre las que actúa la presión de las partículas de vapor a alta velocidad. La disposición de los chorros

y

las palas depende del tipo de turbina. Además de estos dos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o tambores sobre los que están montadas las palas, un eje para las ruedas o los tambores, una carcasa exterior que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina,

y

varios componentes adicionales como dispositivos de lubricación y controladores.

La turbina de vapor de la central posee dos etapas de operación: alta presión (formada por 10

(32)

1.6.3.1

El Ciclo Rankine

En la figura 1.11 se representa el Ciclo Rankine

.

Se representa por los estados 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 en un diagrama T-s. Del punto 1 al 2 se tiene una bomba que eleva

la

presión al fluido de trabajo, del punto 2 al 3 es calentado hasta la temperatura de saturación. Del punto 3 al

4

es fluido es calentado hasta tener la condición de vapor saturado, del punto

4

al 5 el vapor es sobrecalentado, los puntos 2 , 3 , 4 , 5 tienen la misma presión. En

la

penúltima etapa se produce el trabajo mecánico es decir el vapor se expande de los puntos 5 al 6.

El

vapor una vez expandido es condensado hasta el punto 1.

500

400

9 E

U 3

300

z

$

200

1 O0

O

Diagrama T-S del ciclo Rankine

O 1 2 3 4 5 6 7 8 9

entropía (kJlkg K)

Figura 1.1 1 Diagrama

T-S

del Ciclo Rankine.

Asumiendo un Ciclo Reversible se calcula la eficiencia de la siguiente manera.

(33)

Simulación y Optimización Técnica del Sistema Turbina de Vapor Condensador de Unidad Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula, Hidalgo.

1.6.4

El Ciclo Combinado la

Intersección.

1.6.4.1

El Ciclo de

Carnot

El

ciclo de Carnot es la forma mas eficiente para producir trabajo a partir del flujo de calor de una temperatura alta

TI

a una temperatura baja

TI.

en general,

la

eficiencia de la producción de trabajo se define como

trabajo realizado

1wl

IQlI - 1 Q 2 I

'

= calor de la fuente de temperatura alta - lQl

1

-

Q,

-

Para el ciclo de Carnot esta eficiencia depende solo de la temperatura de la fuente

y de

la temperatura del sumidero, o

(1.10)

Este ciclo se representa mediante un rectángulo en el diagrama

T-S,

como se muestra en la figura (1.12)

T,

Flujo de calor de

l a fuente caliente, a TI

T,

S

S, S,

Figura l. 12 Ciclo de Carnot.

Ahora el Ciclo de Carnot puede aproximarse bien mediante la circulación de un gas. Comparando con el diagrama

T-S

de una turbina de gas se observa como es que puede mejorarse la eficiencia la turbina de gas, una forma es con el ciclo Brayton regenerativo, donde se aprovechan las altas temperaturas para precalentar los gases que entran a la cámara de combustión y de esta manera disminuir el consumo de combustible, otra forma es colocar un generador de vapor, el cual aprovecha los gases de escape para producir vapor y utilizarlo en una turbina de vapor (ciclo Rankine) de esta manera se hace mas eficiente el sistema de generación de potencia.

(34)

turbina de gas. Una forma puede ser modificando

la

temperatura del aire que entra al compresor, otra humidificando el aire de entrada lo que disminuye su temperatura

y

sumándole

la masa del agua aumenta la masa que entra al compresor por lo tanto la eficiencia.

Al

modificar la temperatura en ambos casos aumenta la densidad y como el volumen se mantiene constante, hay un incremento en la masa.

1.6.4.2 La Intersección

La eficiencia de una &quina de Camot es la máxima que se puede obtener de una máquina

térmica, por

lo

tanto en el diseño de máquinas térmicas se desea aproximar a ese valor, una forma de lograrlo en una turbina de gas es mediante precalentamiento del aire comprimido utilizando los gases de escape. En la turbina de vapor es recalentando el fluido en la etapa de expansión del ciclo.

De esta manera se logra aumentas la eficiencia, pero

y

si en lugar de precalentar aire, en la turbina de gas calentamos el Agua del Ciclo Rankine. Resulta que en la Turbina de Gas se tienen altas temperaturas de operación, de hasta 1,300 "C en la salida de la cámara de

combustión

y

entrada a la turbina, de ahí que a la salida los gases de escape tengan también altas temperaturas de alrededor de 600 "C. En el ciclo Rankine se emplea vapor sobrecalentado a unos 500 550

"C

de temperatura, entonces si se tiene la suficiente cantidad de gases de escape a una temperatura de 600

"C

se pueden aprovechar para calentar

y

evaporar el fluido de trabajo de un ciclo Rankine (agua). De esta manera se aumenta la eficiencia de la siguiente manera.

(35)

Simulación y Optimización Técnica del Sistema Turbina de Vapor Condensador de la

Unidad

Tula,

Hidalgo.

T

1000 "C

600 "C

550 "(

374 "(

45 "(

-

. . . _{. . .} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I r

L

S

(36)

2

PLANTEAMIENTO DEL

PROBLEMA

La Central de Ciclo Combinado de Tula Hidalgo, de la Comisión Federal de Electricidad fue creada mediante la transformación de una central funcionando úricamente con turbinas de gas (ciclos Brayton) a ciclo combinado mediante

la

adición de una turbina de vapor por cada dos de gas. Esto se logró mediante la utilización del calor de los gases de desecho de las turbinas de gas, utilizando para ello generadores de vapor (calderas de recuperación) con post combustión.

El

diseño de la turbina de vapor fue tal que al operar ésta a plena carga existe un remanente de vapor después de la primera etapa de la turbina. De este excedente, una parte se canaliza a

la

caldera de recuperación y otra se envía directamente al condensador. Estos flujos en esencia, direccionados como hasta ahora, no son aprovechados en toda su capacidad, sino existen perdidas exegéticas importantes.

Esta perdida que se tiene de energía debida a la segunda extracción se ha planteado

utilizarla

mediante en un enfriador por absorción el cual con vapor de baja calidad opera normalmente, con el enfriador se puede disminuir la temperatura del aire que entra al compresor de la turbina de gas logrando con esto un aumento en la densidad del aire por lo tanto un mayor flujo

y

al haber un mayor flujo de aire se tiene una mayor potencia en la turbina de gas logrando con esto una mayor potencia

y

eficiencia en el ciclo Brayton, lo que mejora la eficiencia del ciclo combinado.

Es por esto que

al

no condensar el vapor de la segunda extracción en el condensador es necesario analizar lo que sucede al retirar este flujo. En una primera hipótesis se puede decir que el condensador

y

sus equipos auxiliares van a operar mas eficientemente. Como la torre de enfriamiento al necesitar menos cantidad de agua para enfriar el agua de enfriamiento.

Otros de los beneficios que se pueden tener en varias hipótesis.

De esta manera las corrientes a estudiar son las siguientes:

P

Flujo de vapor que entra a la turbina de vapor.

P

Flujo de vapor que de la primera extracción.

P

Flujo de vapor de

la

segunda extracción.

P

Flujo de agua de enfriamiento.

P

Flujo de bombas de vació.

Los equipos a analizar son:

P

Turbina de vapor

P

El

condensador.

P

Bombas de agua de enfriamiento.

P

Bombas de vació.

>

El generador de vapor se supone como una sola unidad de la cual se conocen todos los

P

Torre de enfriamiento.

aspectos por lo cual solo se utrliza la información con la que se cuenta.

(37)

Tula.

Hidalco.

2.1 Balances de Energía.

Mediante los balances de energía, se modela la transferencia de energía en el sistema turbina vapor condensador, realizándolo lo mas cercano a la realidad, utilizando datos reales de operación de la instrumentación de la planta de ciclo combinado.

A

continuación se presenta un diagrama esquemático temperatura vs. entropía donde se ejemplifica claramente el proceso de evaporación del agua

y

las corrientes que intervienen en los equipos. Para que de esta manera se comprenda mejor que es

lo

que sucede.

Del diagrama siguiente se determino la gráfica

T-S

del ciclo Rankine encontrándose las siguientes variables

Gases de combustión

t

3enerador de Vapor

rr’

Gases de

t

(38)

Norte de la ‘bktral Ciclo Combinado de Tula, Hidalgo.

Diagrama T-s del Ciclo Rankine

500

400

9

E

S 300

2 U

al

Q

t-

i

200

1 O0

O

O 1 2 3 4 5 6 7 8 9

entropía (kjlkg K)

Figura 2.2 Diagrama de entropía vs. temperatura del ciclo Rankine.

Estado 1

En este punto se tiene vapor sobrecalentado a una temperatura, presión

y

flujo conocidos.

Estado 2

En este punto se realiza la extracción de vapor (después de que ha realizado su trabajo en la parte de alta presión de la turbina), el cual se regresa al generador de vapor (al domo de baja presión). Se conoce su presión

y

su temperatura en el domo de baja presión. Por lo que se realizan balances de energía y masa para determinar los datos de la extracción.

Estado 2a

Punto donde se tiene vapor saturado a la presión de la primera extracción,(Se utiltza para los cálculos en el balance termodinámico).

Estado 3

(39)

la cantidad de masa,

ni

la presión,

ni

la temperatura, por lo tanto se hacen unas suposiciones y balances de energía

y

masa, la primera es que la expansión es isoentálpica,

y

de ahí se pueden suponer la mejor opción en cuanto al valor de la m i s m a

y

por

lo

consecuente la presión

y

la temperatura y así obtener la presión a la cual se realiza la misma.

Estado 3p

Es el punto donde se junta la presión de condensación y la línea de entalpía constante de la extracción. Donde se conoce la presión y la temperatura que son las del condensador.

Estado

4

Son las condiciones de salida del vapor de la turbina, se conoce presión, temperatura

y

por supuesto la calidad.

Estado 5

Son las condiciones de salida del condensado, se conoce presión, temperatura.

Estado 6

Salida del fluido después de ser bombeado a la presión del domo de baja presión. Se conocen la presión y la temperatura.

Estado 7

Fluido que entra a la bomba de alta presión, se conoce la presión

y

la temperatura, el fluido es liquido saturado.

Estado 8.

Fluido que sale de la bomba de alta presión, se conoce la presión

y

la temperatura.

Estado 8a

Fluido que entra en el domo de alta presión, después de pasar por un recuperador de calor. Las condiciones del fluido son de liquido saturado, presión y temperatura conocidos.

Estado 8b

(40)

Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula. Hidaleo.

La siguiente nomenclatura es la que se va a utilizar para describir los balances de masa

y

energía.

‘abla 2.1 Nomenclatura utilizada para describir el sistema.

2.2 Información disponible de la planta

La planta cuenta con la instrumentación necesaria para el análisis térmico del recuperador

de

calor, la siguiente tabla indica los parámetros que se pueden leer en monitores o en las hojas de los operadores, así como la composición del combustible suministrado por

PEMEX.

‘i.

La precisión en las lecturas quedara sujeta a la calibración de los equipos de medición.

(41)

y

Unidad

Tula,

Hidalgo.

2.3 Balances de Energía y Masa.

En el Condensador.

I

Figura 2.3 Balance del condensador.

Balance de masa

m j = m3 + m 4

m, =m7

m j

+m,

= m 3 + m ,

+ m ,

Balance de energía en el condensador.

Balance

de

masa en la turbina de vapor

mlhl

(42)

m, = m , +m3 + m 4 (2.7)

Figura 2.5 Balance Sistema Turbina Vapor Condensador.

Balance

de

masa.

m, = m 2 +m 3 +m, = m 2 + m ,

(43)

Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula, fidalgo.

2.4

Caracterización del Ciclo Rankine

Con los balances anteriores

y

con el desarrollo y análisis teórico de la turbina de vapor se llega a la siguiente tabla de resultados donde obtenemos una primera aproximación para el valor de

la segunda extracción de vapor.

Para poder calcular la primer

y

segunda extracción en primer lugar se calculo el ciclo sin las extracciones.

Así

de esta manera se conoce la potencia para el caso en donde se tienen las extracciones con esta potencia donde se calcula el flujo requerido para producirla, se divide entre las eficiencias mecánica y eléctrica para obtener el valor real

y

con una sencilla resta se puede saber cual es la cantidad de flujo que se extrae.

En la tabla siguiente se muestran los valores y el diagrama entropía temperatura para el ciclo sin extracciones operando a las condiciones reales.

5 114.85 LSU 1.53251 513.895 80 121.1 6 114.85 LSU 1.53008 512.975

80 120.8 6s 11 4.85 0.00 1.53008 504.701 2 120.2

Tabla 2.3 Ciclo sin extracciones a condiciones reales.

Diagrama T-s del ciclo Rankine

500

400

300

200

1 O0

O

O 1 2 3 4 5 6 7 8 9

entropía (kJlkg K)

L

(44)

Tula,

Bdalgo.

La potencia generada en el ciclo Ranlune con extracciones es de 124,000

kW

con un flujo

de

112 kg/seg de vapor, esto sin considerar las eficiencias mecánica ni eléctrica de la turbina

y

el generador eléctrico respectivamente. Calculando la potencia con el mismo flujo de vapor y sin extracciones se tiene que es de 150,000

kW,

y al restar las potencias

y

calcular la masa necesaria de vapor para producir esa diferencia

de

potencia, donde el flujo de vapor es de 24 kg/seg aproximadamente.

Así

de esta manera se tiene una primera aproximación al valor de las extracciones, teniendo el

valor de ambas, ahora falta calcular el valor de cada una. Como una primera idea el valor de la primera debe ser mayor que

la

segunda, ya que se realiza en la etapa numero diez de la turbina es decir al final de la zona de acción.

A continuación se tiene el balance del generador de vapor junto con la turbina y el condensador. Para el generador de vapor se realizo el balance en cada punto.

2.5 Balance del Recupendor de Calor (Genendor de Vapor)

la salida del Recuperador de

Economizador

(45)

Simulación Optimización Técnica del Sistema Turbina de Vapor Condensador de la Unidad Norte de la Central Ciclo Combinado de Tula, Hidalgo.

Como ya se describió antes, se compone de varios equipos en los cuales se realizaron los balances correspondientes. Comenzando con el Domo de Baja Presión.

2.5.1 Domo de baja presión.

En este equipo entra el condensado (fluido que sale del condensador), el cual se compone de tres flujos que entran

y

dos que salen.

El

que sale de la turbina de la ultima etapa, el que sale de la primera extracción de la turbina

y

un flujo que regresa después de pasar por el evaporador de baja presión. Los flujos de salida son:

El

flujo que sale para pasar por el evaporador de baja presión

y

el que sale para pasar por la bomba de alta presión.

Las condiciones

y

flujos de entrada son las siguientes:

El

condensado tiene las características de liquido saturado a la presión de operación del domo de baja presión.

El flujo que sale de la primera extracción el cual tiene las condiciones de vapor con cierta calidad.

El

flujo que regresa del evaporador de baja presión el cual tiene las condiciones de vapor saturado a la presión del domo de baja presión.

Las condiciones de salida son las siguientes.

De ambos flujos es de liquido saturado a la presión del condensador.

Evapomdor

Baja Presión

Figura 2.8

El

balance de energía es:

2.5.2 Evapondor de Baja Presión.

(2.11)

(2.12)

En este intercambiador se evapora el liquido que sale del punto 3c yeste es regresado al Domo de Baja Presión.

(46)

QEVA.BP = m r 4 h c 4 - m c 3 h c 3 (2.13)

me3 = m c 4

2.5.3

Bomba de

Alta Presión.

En este equipo solo se eleva la presión del fluido. Por lo mismo el cambio en sus características es a la salida,

El

balance es el siguiente.

Figura 2.9

w ~ B A P = mc6 - mc5

mc6 = mc5 = m ,

(2.14)

De la bomba de alta presión el fluido pasa por el economizador donde se eleva la temperatura del fluido a la misma presión que se tiene al salir de la bomba.

2.5.4

Economizador

Figura 2.1

O

A

la entrada las condiciones son las mismas que a la salida de

la

bomba de alta presión, y a

la

salida tiene las condiciones de vapor saturado a

la

misma presión de entrada.

Balance economizador

(2.15)

Del economizador el fluido pasa por un nodo divisorio el cual divide el flujo en dos, uno que entra al domo de alta presión y uno que sale al atemperador.

Las condiciones termodinámicas de entrada y salida son las mismas solo cambian 10s flujos a la salida.

Balance en el nodo divisor.

(47)

Simulación

y

Optimización Técnica del Sistema Turbina de Vapor Condensador de la Norte de la Central Gclo Combinado de Tula, Hidalgo.

m c 7 h c 7 = m c s h c 9 + m c * h c *

m c 7 = m,, + m,, (2.17)

(2.16)

Del nodo divisor el fluido entra al domo de alta presión. Donde el fluido es evaporado mediante el evaporador de alta presión.

2.5.5 Domo de Alta

Presión.

En este equipo se tienen dos flujos de entrada

y

dos de salida. Los de entrada son: el que sale del economizador y el que regresa del evaporador de baja presión. Los de salida el que sale hacia el evaporador de baja presión y el que sale

al

sobrecalentador.

Figura 2.12

Las condiciones de los flujos de entrada son: de liquido saturado a la presión del domo de alta presión

y

de vapor saturado a la misma presión.

Las condiciones de los flujos de salida son de liquido saturado a

la

presión del domo de alta presión

y

de vapor saturado a la misma presión.

2.5.6 Balance

Domo

Alta

Presión

(2.18)

(2.19)

Además se utiliza una bomba para hacer pasar por el evaporador de alta presión al fluido.

Bomba del domo de alta presión.

Balance bomba domo alta presión

(2.20)

(48)

2.5.7 Sobrecalentador I

Figura 2.13

15c

17c _b

Aquí solo se tiene una entrada

y

una salida por sobrecalentador.

Balance del sobrecalentador uno.

(2.2 1)

De la salida del sobrecalentador el fluido pasa por un nodo el cual es un atemperador, este tiene dos flujos, uno de entrada yuno de salida.

De los de entrada se puede decir que uno tiene condiciones de vapor saturado a ciertas condiciones

y

el otro de liquido saturado ambos a la presión del domo de alta presión.

Del flujo de salida pues continua siendo vapor sobrecalentado a una menor temperatura del que entra al atemperador.

2.5.8 Atemperador

Balance atemperador

p q c

15c

Figura 2.14

(2.22) (2.23)

Saliendo del atemperador el fluido pasa por el ultimo intercambiador de calor el sobrecalentador dos.

2.5.9 Sobrecalentador I1

Se tienen dos flujos uno de entrada y uno de salida, el de entrada ya se conoce son las condiciones de salida del atemperador y a la salida son las condiciones a las cuales el vapor sobrecalentado entra a la turbina de vapor.

Balance sobrecalentador

(49)

Tula,

Hidalgo.

2.6 Cálculos Numéricos

Ahora si, ya que se tiene descrito al generador de vapor, a la turbina, al condensador, y a las bombas procedemos a los cálculos que se muestran a continuación. Debido al número de variables no se podían conocer los valores de la extracciones porque se necesitaban conocer mas datos, los cuales no se tienen disponibles

ni

en el prontuario

ni

en la misma Central. Una forma de hacerlo fue utilizando un método de optimización el cual consiste en iterar con métodos numéricos. De esta manera se utilizo la función Solver de Excel de Microsoft. Donde el problema se planteo de la siguiente manera.

El

valor a optimizar es:

La suma de los flujos, el flujo que entra a la turbina debe ser igual a la suma de las extracciones mas el flujo que entra al condensador.

Con las siguientes restricciones.

La potencia debido a los flujos es igual 101,000

kW.

La suma de las extracciones es menor a 25kg/seg.

Dando el siguiente resultado de 18.8 kg/seg para la primera extracción yde 3.88 kg/seg para la segunda extracción. Debido a as restricciones que se tienen, se consideran los valores aproximados a los valores reales. Se colocan los valores calculados en la tabla siguiente donde se tiene la caracterización de todo el ciclo. En la parte que corresponde al generador de vapor los cálculos se realizaron sin considerar al atemperador. Esto en consideración de que en

lo

que respecta a los cálculos en el condensador es despreciable el efecto del atemperador en las extracciones. Debido a

nomenclatura que se uso

Evaporador Baja-Presión

Evaporador

1

A t a Presión

I

Sobrecalentador

I

(50)

Norte de la bnLtral Ciclo Combinado de Tula, Hidalgo.

Tabla 2.4 Caracterización del ciclo Rankine

En la tabla anterior se tienen las características del fluido en cada punto del sistema generador turbina condensador donde los números acompañados de una S indican que el estado es

isentrópico, los que tienen a

ó

b

que el estado es saturado vapor

y

liquido correspondientemente, los estados del c l al c l 1 son los del generador de vapor

y

por último el 3p es la extracción cuando entra al condensador de vapor. La calidad nos indica: O es liquido saturado, 1 es vapor saturado, si esta entre O

y

1 se tienen una mezcla liquido vapor, LSU es líquido subenfriado

y

VSC es vapor sobre calentado.

En la parte que corresponde al generador de vapor se tiene que en los valores que corresponden a la masa son la mitad del flujo en el estado 1. Esto es debido a que se tienen dos generadores de vapor los cuales se dividen el flujo de condensado y la primera extracción. Todos los cálculos se realizaron a partir de valores obtenidos del centro de control (monitores)

y hojas de datos de los operadores cuando la turbina esta estable y trabajando al 100 Yo, a