UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA
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UNIDAD:
DIVISION:
MATERIA:
TÍTULO:
FECHA:
ALUMNO:
MATRICULA:
ASESOREES:
IZTAPALAPA
CIENCIAS BASICAS E INGENIERÍA
SEMINARIO DE PROYECTO II
REPRESENTACI~N Y ANÁLISIS DE LA CENTRAL
TERMOELÉCTRICA DE CICLO COMBINADO
“IÚ0 BRAVO 450 MW”
LUNES 03 ABRIL DEL 2000
JOSÉ MANUEL BOBADILLA AVILA
9032 1498
ING. CONSTANTINO ALVAREZ MEDINA
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UNIVERSIDL4D AUTONOML4
METROPOLIT14NA
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U'
Casa abierta al tiempo
IZTAPALAPA
UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLiTANfi
REPRESENTACION
Y ANALISIS
DE
LA CENTRAL
TERMOELECTRICA DE CICLO COMBINADO
"RIO
BRAVO
450
MW"
SEMINARIO DE PROYECTO PARA OBTENER EL TITlJLO DE:
INGENIERO
EN ENERGIA
PRESENTA:
BOBADILLA AVILA JOSE MANUEL
ASESORES:
"
A mis padres
Por la oportunidad de continuar con mis estudios y pese a toda dificultad nunca me falto su apoyo y compresión.
A mis Asesores:
Que me enseñaron, me guiaron e indicaron muchas de las bases de trabajo en ingeniería,
que ahora inicio como parte de mi trabajo y vida profesional.
Mis más sincero agradecimiento
en especial a mi Madre
CONTENIDO
INTRODUCCION
Objeto de Trabajo
1.
ASPECTOS GENERALES DE LA CENTRAL
TERMOELECTRICA
Generación de electricidad Factores básicos de diseño
Descripción del sistema de turbina de gas Combustión en la turbina de gas
Caldera de recuperación de calor (Generador de vapor) Descripción del sistema de turbina de vapor
Combustibles para turbinas de gas Combustibles pesados
2. FUNDAMENTOS DE LA TERMODINAMICA
m m m m m m m m m m m m m Energía Procesos isentrópicos
Ciclo Brayton para la turbina de gas
Combustión en la turbina de gas
Análisis de los gases reales de combustión
Ciclos de potencia de vapor
Sobrecalentamiento del ciclo de vapor Equipo para la transferencia de calor Intercambiadores de calor
Equipo sobrecalentador Equipo evaporador Equipo economizador Relación de formulas
Análisis de Orsat
El ciclo Rankine
Termoeléctrica de Ciclo Combinado “Río B r a ~ o ”
3. ESTUDIO DE
PLANEACI~N
Estudio del proyecto
Descripción del proyecto
Requerimientos técnicos particulares
Características de las instalaciones (Antecedentes) Ubicación
Combustible de la Central
Características del combustible Control e instrumentación
Eficiencia
Agua de suministro
Principios de diseño, normas y reglamentos Arranques, toma de carga de la Central
Requerimientos y condiciones de trabajo de los equipos Arreglos generales
4. DETERMINACIdN Y ANÁLISIS DE EQUIPOS
Y
SISTEMAS TÉRMICOS
Selección de la turbina de gas Hojas de datos para la turbina de gas Diagrama de Flujo de Procesos (DFP)
Resultados del ciclo de vapor de Río Bravo de 450 M W
Generador de vapor
-
Caldera de recuperación de calor Hoja de datos para el generador de vaporTransferencia de calor en el generador de vapor
Descripción cid circuito de proceso en el generador Temperatura de rocío
Perfil de temperaturas en el generador
3-1 3-3 3 -3 3 -3 3-5 3 -6
3-7 3 -8 3 -8
Contenido
Termoeléctrica de Ciclo Combmado “Río Bravo”
5.
DESCRIPCION
TÉCNICA DE LOS EQUIPOS
Y
SISTEMAS
PRINCIPALES.
m m m m m m m m m m m B m m m m m mDescripción de la turbina de gas
Proceso de trabajo en la turbina de gas
Principales componentes de la turbina de gas
Descripción técnica Etapa de encendido Sistema admisión de aire Sistema de combustible
Sistema de control hidráulicoheumático Cambio de combustible de emergencia
Principales componentes de la turbina de vapor
Atemperador Domos Aerocondensador
Condensador enfriado por aire Condensador de una fila Características de diseño Diseño térmico
Controles Automáticos Sistemas de Seguridad Turbina de Vapor
Caldera de recuperación de calor
Seguridad y monitoreo
6. EVALUACION ECONOMICA
Costos y Factores Económicos m Costos de inversión
8 Costo de equipo Costo de ingeniería Costos de construcción
m Costos diversos m Costos de generación
5-1 5-2 5-3 5-3 5-3 5-5 5-5 5-6 5-6 5-7 5-8 5-8 5-9
Termoeléctrica de Ciclo Combmado "Rio Bravo"
APENDICES
I. Normas y reglamentos
11. Convocatoria para la construcción de la Termoeléctrica en Tamaulipas 111. Arreglo de turbinas
IV. Materiales y aleaciones para turbinas V. Tabla de Heat Rate
V I . Tabla de unidades y conversiones
Objeto de Trabajo:
INTRODUCCION
“Representación y análisis de la central termoeléctrica de ciclo combinado Río Bravo 450
MW”
En la representación se muestra los procedimientos a realizar para concebir el diseño de la Central, partiendo de los que llamaremos antecedentes para poder evaluar en el aspecto de diseño, la ingeniería de detalle, la cuestión económica y la operación durante el periodo de vida de l a Central.
En los antecedentes se pretende recopilar toda la información sobre las condiciones de contratación, ubicación geográfica, combustibles, normas nacionales e internacionales a cubrir, y cuestiones sobre el diseño civil, eléctrico y térmico de los sistemas.
Recopilando y mostrando información sobre los principales sistemas y equipos. que constituyen la Central y presentar la forma de operación básica y general de todo el sistema en conjunto, detallando tan sólo los Sistemas térmicos de la Central, la turbina de gas. la turbina de vapor y el generador de vapor (recuperador de calor).
En el análisis, se explican los ciclos térmicos que operan en los sistemas de la turbina de gas, turbina de vapor y la transferencia de calor en la cámara de combustión y en el generador de vapor.
Esto permite comprender los principales parámetros como fluidos de trabajo, temperaturas, presiones, para operar la Central, a la potencia que es requerida y a su vez determinar, seleccionar y conocer los equipos, tipos y forma de operación dentro de la Central.
Contenido
Temoel&nca de Ciclo Combinado "Río Bravo"
CAPITULO
1
ASPECTOS GENERALES
DE
LA
CENTRAL TERMOELECTRICA
Generación de electricidad Factores básicos de diseño
Descripción del sistema de turbina de gas Combustión en la turbina de gas
Caldera de recuperación de calor (Generador de vapor) Descripción del sistema de turbina de vapor
Combustibles para turbinas de gas Combustibles pesados
1-1
1-3
1-4 1-10
1-1 1 1-13 1-15 1-16
Seminario de Proyecto/99
Termoeléctrica de Ciclo Combinado "Río Bravo" 450 MW
Capítulo 1
Aspectos generales de la central termoeléctrica
GENERACION DE ENERGIA
ELECTRICA
La energía eléctrica es en nuestros días una necesidad básica de nuestra sociedad, está energía nos permite utilizar otras formas de energía como: la térmica, la iluminación, los motores eléctricos, los sistemas de computo, el transporte eléctrico, etc. Y la necesidad de abastecer ciudades enteras, poblaciones en crecimiento y pequeños pueblos, son las razones por las cuáles diversas centrales eléctricas utilizan hentes convencionales y alternas de generación eléctrica; buscan proporcionar una forma efectiva de generar electricidad suficiente y en gran cantidad. Entre las centrales que utilizan hentes convencionales y alternas de energía, más importantes se encuentran:
Central fuentes convencionales
Nucleoeléctrica Energía nuclear
Termoeléctrica
La caida de agua Hidroeléctrica
Energía térmica
Central fuentes alternas
Central Solar
1
La Energía solar (térmica y fotovoltáica) Eoloeléctrica La Energía eólicaLa Energía mareo motriz
Estás fuentes alternas,* pretenden contribuir y llegar a sustituir las formas convencionales de generación de energia, aunque para esto pasarán varios años más; para 1997 México contaba con reservas del orden de 40 mil de millones de barriles de petróleo crudo y las reservas mundiales llegaban a un total de 144.76 mil de millones de barriles. Las hentes alternas permitirán dejar la dependencia del combustible como Único recurso y evitar la sobre contaminación del planeta, por los efectos que están causando al clima mundial.
Teniendo en cuenta que no bastará con sustituir unas fuentes de energías por otras, en los siguientes años se deberá generar mucha más electricidad ya sea, combinando las hentes convencionales y alternas o perfeccionando algunas o ambas hentes. También deberán ser más limpias y más baratas, siendo todo un reto para los ingenieros, investigadores e industrias dedicadas a la generación de potencia eléctrica. Las centrales más comunes en la generación eléctrica aun hoy en día son las termoeléctricas, hidroeléctricas y nucleoeléctricas, principalmente, por su capacidad de generación, y con respecto a las termoeléctricas destacan las centrales de Ciclo Combinado.
b. Losfitenres ANernus podrán ser realmente aplicables en gran escala en los próximos afios con el avance de la tecnologia y reducción en los costos.
, k ~ e c t o s generales de la central termoeléctnca El rendimiento en la generación de electricidad depende en última instancia de las leyes de la termodinámica y basándose en ella, podemos decir que, “al incrementar la temueratura de entrada en las turbinas de gas y vapor mediante la introduccion de nuevos materiales v técnicas de diseño. meiorará la eficiencia del ciclo térmico“.
Si los gases de combustión generados en la turbina de gas son dirigidos a un intercambiador de calor para generar el vapor a fin de alimentar una turbina de vapor, este sistema se denomina “Ciclo Combinado”, con un rendimiento generalizado de conversión del calor en un trabajo de aproximadamente 60% de rendimiento total. En el Ciclo Combinado, los gases de escape de la turbina que se dirigen hacia una caldera denominada generador de vapor por recuperación de calor, como aquí denominaremos “Caldera de recuperación de calor” o
“Generador de vapor” l . Las centrales de ciclo combinado que hncionan con gas, están sustituyendo con rapidez a las de carbón y petróleo en todo el mundo. Un incentivo para su construcción es el menor impacto ambiental con la reducción y emisión de contaminantes a la atmósfera.
De los proyectos que en cuestión de generación eléctrica en México se realizan, está la
”Termoeléctrica de Ciclo Combinado de Río Bravo” que tendrá una potencia de 450 M W . La
central de generación eléctrica completa, está constituida principalmente por:
Sistema de suministro de combustible, agua y aire 0 Equipos especializados:
Dos turbinas de gas 0 Una turbina de vapor
0 Caldera de recuperación de calor 0 Aerocondensador
0 Paquetes de equipos diversos
En el año 2001 está planeado tener en hncionamiento la Central, que tienen a su cargo un grupo de empresas de la construceion. La Comisión Federal de Electricidad (CFE), lanza a concurso la construcción de la Central y una empresa es la encargada del proyecto, financiamiento, construcción y operación de la Central que a su vez contrata a otras empresas para distintos trabajos. La empresa licitante venderá a la CFE la energía generada para su comerciaiización durante su periodo de operación.
Dentro de los requerimientos iniciales para la Central solicitados por parte del contratista (CFE), se deben incluir todos los equipos yio componentes de las instalaciones, las interconexiones con los sistemas de la Comisión, y deberá cumplir con las normas, criterios de diseño, comportamiento, puesta en servicio, operación y mantenimiento de la Central. Las instalaciones serán diseñadas para una vida útil de 25 años, debiendo cumplir las normas y códigos aplicables en las fechas en que se realiza la construcción. El diseño de las instalaciones deberá estar probado, y construido con normas, códigos y regulaciones internacionales reconocidas y nacionales’. Los equipos propuestos serán de tecnología de punta y respaldados por la disponibilidad de partes de repuesto.
1. Caldero de recuperacldn de calor: Es el término que utilizaremos cuando se hable de los gases de combustión generados en l a t u r b i n a de gas.
Generador de vapor: Es el término que aplicaremos cuando se hable del vapor generado y enviado a la turbina de vapor.
2. Apéndice I: Normas y Reglamentos.
Capítulo 1
Aspectos generales de la central termoeléctrica
Desde la propueda hecha a la Comisión, se debe considerar las bases ofrecidas por está misma corno son: el sitio geográfico, las condiciones ambientales, el manejo del combustible, entre otros, y con ciertos estudios como base’, se determinan los equipos principales (turbinas de gas y vapor, el condensador, el recuperador de calor “HRSG”3, etc.) para obtener la potencia requerida.
FACTORES BL~SICOS
DE DISEÑO.
Las turbinas de gas se instalan individualmente o en grupo para el suministro de energía térmica, es decir, se puede instalar dos o más turbinas en la Central4. Alcanzan potencias del orden de 746 kW hasta 235 720 kW, esto dependiendo del fabricante y modelo de turbina. Hay parámetros tales como la relación de compresión, temperaturas máximas, combustibles empleados, flujos de trabajo etc., que son factores característicos de operación de la Central y
los factores básico? en la fase de diseño.
Figura 1.1.
-
Factores básicos para la fase de diseño de una Central de ciclo combinado 1. Apéndice 11: Penniso para la construccion de la tmoel8ctrica “Rio Bravo”2. Capítulo 3: Estudio del planeación
3. HeatRecovery Steam Generutor: Siglas en inglés de Generación de vapor por recuperación de calor 4. Aphdice 111: Arreglo de Turbinas
5. Estos factores están más relacionados a la ubicación geografica de la Central, por los cambios climaticos y abastecimiento de cnmhllrtihle
Aspectos generales de la central termoeléctrica Estos factores son tres principalmente:
1. La localización de la planta debe estar planeada de manera que suministre la energía a la(s) ciudad(es) de interés, así también, que está reciba u obtenga el agua necesaria, que servirá como fluido de trabajo (después de ser tratada) y demás sistemas de servicios. La altura sobre el nivel del mar, influye en la presión que se maneja en la turbina de gas.
2. El combustible deberá ser transportado hasta la central siendo importante la localización de está, y el tipo de combustible para la(s) turbina(s) de gas, según el fabricante, siendo el gas natural el combustible más indicado.
3. Las condiciones del sitio, son factores que intervienen en la operación de la Central, por que los parámetros con que trabaja el ciclo térmico determinan la potencia a obtener, que es afectada por la temperatura de entrada del aire a la turbina de gas y la temperatura de enfriamiento en los aerocondensadores. Las variaciones en el clima deberán contemplarse para hacer los ajustes en los parámetros que operan el ciclo térmico.
La eficiencia total de la turbina de gas, depende de las eficiencias individuales del compresor y la turbina. Con la tecnología actual, la eficiencia del compresor y la turbina han llegado alrededor del 90%, y no se considera probable poder aumentarla.
DESCRIPCION DEL SISTEMA DE
TURBINA DE
GAS.
La turbina de gas (ciclo Brayton) utiliza el flujo de gases de combustión, como medio de trabajo para convertir energía térmica en energía mecánica.
La turbina de gas esta compuesta por tres elementos principales: un compresor, cámara de combustión y turbina. El compresor eleva la presión del aire que es inyectado junto con la cantidad correspondiente de combustible para su quemado. Los gases de combustión que se producen en la cámara de combustión como resultado de la combustión de gas natural (como combustible ideal) y aire, son enviados a los álabes (paletas) de la turbina, por medio de las toberas estacionarias, e impulsan y hace girar el eje, que se encuentra acoplado con un generador eléctrico.' Finalmente los gases se descargan en la atmósfera (para un ciclo abierto) o se utiliza en otros equipos.
Existen básicamente tres tipos de turbinas de gas:
l . Turbina de gas de ciclo simple (Gas turbine) 2. Turboreactor (Turbojet)
3. Turboventilador (Turbofan)
* El compresor, la turbina y el generador eléctrico acoplados sobre el mismo eje o flecha se le conoce como Turbogrupo.
Figura 1.2.
-
Corte de una turbina de gas de Avco Lgcoming, modelo T55-L-11Cub
Hilice
Estator de Turbina
\
lierta del estator
1
"T3C" Rotor de la Turbma
-\
PBastidor principal
Figura 1.3.
-
Componentes de turbina de gas, modelo LM 350 de General Electric Co.Capítulo 1
Aspectos generales de la central termoeléctnca
Figura 1.4.
-
Corte de un Turbo-reactor con postquemador, modelo 585-21 de General Electric Co.Las turbinas de gas se emplean para propulsar barcos, trenes y aviones en los que se usa una forma modificada de la turbina de gas (o turbina de combustión), el Turbo-reactor.
Figura 1.5.
-
Corte de un Turbo-ventilador, modelo CF6-50 de General Electric Co.Capítulo 1
Aspectos generales de la central termoeléctrica
Una turbina de gas de ciclo simple’ (figura 1.6), está compuesta por:
1. Un compresor recibe aire lo comprime y lo suministra a la cámara de combustión
2. Se mezcla con el combustible a presión y temperatura similares a la del aire (evitando un choque térmico en la mezcla)
3. Se producen gases con alta energía por la temperatura y presión que alcanzan, siendo enviados a la turbina donde se expanden produciendo trabajo mecánico que a su vez genera electricidad
4. Y finalmente salen los gases’ (diagrama Ts en la figura 1.7).
I
CombustibleI
Figura 1.6. - Esquema del ciclo de la turbina de gas (ciclo Brayton).
3
S
Figura 1.7. - Diagrama temperatura - entropía del ciclo de la turbina de gas (ciclo Brayton).
1. C~clo smple: Llámese a este “ciclo abierto”, por que los gases de escape o combustión se desechan a la atmósfera. 2. L o s gases de escape que salen se pueden enviar una generador de vapor para aprovechar la energia térmica que aun llevan.
Asvectos generales de la central termoeléctrica
La figura 1.7, en los puntos 2, y 4r, hacen referencia a los estados reales de compresión y expansión para el compresor y la turbina respectivamente, esto implica una eficiencia asociada al equipo y es distinta según el fabricante.
Las turbinas de gas emplean como combustible gas natural de refinería y alto homo, aceite de petróleo destilado (son los más indicados) o combustibles líquidos como queroseno y diesel. También puede usarse carbón una vez transformado en gas (en un gasificador). El combustor debe llevar el gas a una temperatura uniforme controlada con un mínimo de impurezas y pérdidas de presión. La liberación de calor es de 5 a 20 veces mayor que la caldera de vapor de alta producción.
En algunos países las turbinas de gas pesadas, tanto de ciclo simple como ciclo combinado, ocupan un lugar importante en la generación de electricidad a gran escala. Es posible obtener una potencia por unidad superior a los 235
MW,
esto dependiendo del diseño de los distintos tipos de turbinas y de la potencia de la misma. Los compresores giratorios se consideran entre las máquinas de trabajo y las turbinas entre las máquinas de fuerza. Hace más de 30 años, las turbinas de gas se utilizaron en gran número como unidades motrices en refinerías de petróleo.Las diferencias por las cuales las turbinas de gas se utiiizan mayormente que las turbinas de vapor con condensación, es por las siguientes razones:
Las turbinas de gas son unidades integradas. No necesitan calderas, condensadores, sistemas de agua de alimentación o enfriamiento.
Producen alta potencia a una alta velocidad, con gran confiabilidad, fácil mantenimiento, y ocupan poco espacio.
Las turbinas de gas tienen eficiencias térmicas mucho mas elevadas que las de vapor con condensación para procesos.
No producen una contaminación ambiental con su escape y cuentan con un sistema de drenado de combustible líquido que no fue quemado durante un arranque fallido.
En cuanto a sus componentes, el compresor (de tipo axial), cuenta generalmente con álabes directrices, con filas de álabes fijos y álabes móviles, estos últimos unidos al rotor, y a cada conjunto de álabes fijos y móviles, se le denomina etapa, tanto para una turbina o compresor.
Gran parte del aire comprimido (80% dependiendo del fabricante) es utilizado para enfriamiento de las partes mismas de la turbina de gas.
El gas llega a los álabes fijos que cambian su dirección hacia los álabes móviles que impulsan el eje del equipo.
Máquinas muy grandes emplean compresores y turbinas con varias etapas.
Los álabes móviles proporcionan la fkerza necesaria para comprimir el aire en cada etapa y los álabes fijos guían el aire a la siguiente etapa con el ángulo apropiado.
Capítulo 1
Aspectos generales de la central termoeléctrica
Figura 1.8. - Representación de la colocación de los álabes de una turbina de flujo axial.
Los compresores de flujo axial se emplean en grandes instalaciones de turbinas de gas con flujos de 48 O00 Tonlhr y los compresores centríhgos se utilizan en instalaciones de baja relación de compresión y un flujo bajo.
Aspectos generales de l a central termoeléctrica
COMBUSTIbN EN LA TURBINA DE GAS
La combustión es un proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una combinación química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono (CO*), monóxjdo de carbono (CO) y agua (H20), junto con otros productos como dióxido de azufre (SO*), que son componentes menores del combustible.
Para que se realice la combustión del gas combustible y el aire completamente, se necesita una cantidad de aire, y está la obtenemos de la ecuación estequiométrica de combustión. El gas metano ((2%) reacciona de la siguiente forma:
La combustión real se realiza con un exceso de aire resultando compuestos como monóxido de carbono (CO), y la ecuación química, nos permite obtener: La temperatura adiabática de combustión, la relación aire - combustible
“ra/;’,
con la cual podemos conocer y manejar elflujo de aire y combustible utilizado en el ciclo.
Es importante en la turbina de gas (ciclo Brayton), saber con detalle a que temperatura se obtienen los productos de la combustión, por que existe un límite en los materiales utilizados en la turbina; esta se conoce como Temperatura Adiahatica de Combustión, de los gases.
Dependiendo de la cantidad de exceso de aire que se utiliza en la combustión se obtendrá una determinada temperatura de combustión y esto permite que el exceso sea un control de está.
Capítulo 1
Asnectos generales de la central termoeléctrica
CALDERA DE RECUPERACION DE
CALOR (GENERADOR DE
VAPOR)
En la mayoría de los sistemas de turbina de gas, existe un sistema recuperador de calor de los gases de escape como son las calderas, generadores de vapor, calentadores, etc. Se puede utilizar los gases de escape, como fuente de calor para equipos y en diversos procesos, ayudando a compensar el costo del combustible.
Para las centrales de ciclo combinado, el generador de vapor (HRSG)’ se diseña para absorber el calor desechado por los gases de escape de la turbina de gas (TG) o turbina de combustión (TC), para generar el vapor requerido en la turbina de vapor (TV). El generador de vapor está diseñado para flujos de doble o triple presión.
Siglas de los flujos para cada presión
A P : Alta presión PM: Presión media’ BP: Baja presión
El recuperador de calor está compuesto de bancos de tubos verticales3, el calor se transfiere del gas de descarga (gases de combustión) hacia el agua que fluye a través de la tubería. La caldera es del tipo de tubos de agua, es decir, los gases de combustión fluyen alrededor del tubo y el agua y vapor en la coraza (en la parte interior).
En el plano DFPGV-PS 4, se presenta el esquema de la caldera de recuperación (HRSG), donde los gases de escape pasan primero por el sobrecalentado?
(AP)
y recalentador de alta presión, y un poco más lejos están el economizador y evaporador de baja presión (BP). Las secciones de los intercambiadores de calor se ubican de tal manera que permitan aumentar al máximo la eficiencia de la generación de vapor en el calentamiento de agua. Un diseño común de la caldera de recuperación es construirla en secciones verticales.Aunque la descarga del gas de escape está a temperaturas muy altas (600 a 1000 “C) se colocan quemadores posteriores en el ducto principal del recuperador de calor, quemando el exceso de aire de los gases de combustión y esto permite que la capacidad de generación de vapor sea la adecuada según el diseño.
1. La Caldera de Recuperation de Color” es la traducción técnica al español de Hear Recover Steam Generator, (HRSG), por lo cual también llamaremos Generador de Vapor sencillamente. El tkmino de caldera es más utilizado en los sistemas de quemado de combustible donde a d e m de encontrarse una serie de bancos de tubos por donde circula el agua de alimentación y por consiguiente, vapor hacia la turbina, también está contenido el horno dentro de la caldera.
2. Para Calderas de recuperacih de dos flujos de presiones no se utiliza el t i m i n o (PM)
3. Ver plano CTHRSG-P6, Sección transversal del generador de vapor. Diseñado para la Central Termoeléctrica de “Río Bravo” 4. Capitulo 4: Detenninación y análisis de equipos y sistemas termicos. Sección: DFP para el generador de vapor: Plano DFPGV-PS, 5. Capítulo 2: Fundamentos de termodinámica Sección: Intercambiadores de calor.
Aspectos generales de la central termoeléccuica
Figura 1.9. - Central de potencia Deeside Weighbridge Road Deeside
Industrial Estate DEESIDE Clwyd CH5 2UL.
Figura 1.10.
-
Vista interior de una central de ciclo combinado con recuperador decalor. A carga completa, convierte 280
Tu& de agua a vapor. La altura de este
recuperador en particular es de 22 m de altura.
Central de potencia Deeside
La caldera de recuperación también está provista con una reducción catalizadora selectiva (SCR), amoniaco ( N H 3 ) es suministrado para reducir el volumen de óxidos de nitrógeno (NO,) en el gas de descarga, en las últimas etapas del recuperador de calor hacia la chimenea. El NO, es producido durante la combustión con altas temperaturas que ocurren en la cámara de combustión (durante la operación).
Amoniaco vaporizado se inyecta en el flujo de gas de descarga, aumentando la corriente del evaporador de alta presión. El amoniaco se mezcla con catalizador que induce una reacción química entre el amoníaco y cualquier NO, en el gas de descarga y producen nitrógeno ( N 2 ) y vapor de agua (HzO). La caldera de recuperación, se debe diseñar de manera que reduzca el volumen de NO, en un 85% y dentro del recuperador se tiene un control de la temperatura para que no se forme agua líquida impidiendo que se alcance el punto de rocío', para evitar crear ácidos con el azufre que puedan tener los gases de combustión y dañen al mismo recuperador.
*. Capítulo 4: Determinacion y Análisis de los equipos y sistemas termicos. Srccion: Transfaencia de calor en el generador de vapor.
Capítulo 1
Aspectos generales de la central termoeléctrica
DESCRIPCI6N DEL SISTEMA DE TURBINA DE
VAPOR
Las turbinas de vapor tienen la misma fbnción que las turbinas de gas, proporcionar el trabajo mecánico de rotación al generador eléctrico para que este genere electricidad.
Los sistemas de turbinas de vapor, se diferencian de los sistemas turbinas de combustión por que la sustancia de trabajo pasa por distintos dispositivos separados, tales como el generador de vapor (caldera de recuperación de calor), condensador o aerocondensador, bombas y por la misma turbina.
La turbina de vapor (ciclo Rankine) es uno de los principales sistemas de generación eléctrica en las centrales termoeléctricas y su clasificación esta basándose en:
0 La capacidad 0 El flujo
o Regulación de velocidad
La presión está basada en sus condiciones de operación. La unidad Turbina - Generador
(Turbogenerador) es capaz de operar con variaciones de temperatura y presión. Las variaciones permisibles están previstas para operaciones de emergencia y es de esperar que tal operación anormal se mantendrá al mínimo, especialmente la ocurrencia de variaciones simultáneas en presiones y temperaturas.
En las aplicaciones de cogeneración que requieran calor (utilizado en un proceso industrial) para producir electricidad, se extrae vapor desde la turbina a la temperatura y la presión que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor pueden utilizarse en plantas de ciclos escalonados* con un generador de vapor que recupera el calor de los gases de combustión a distintas presiones. Las unidades industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y generadores eléctricos.
Figura.l.11.
-
Turbina de vapor de la compañía Elliott de 45,000 hp (33,600 kW) que cuenta con un compresor para refrigeración.* Un clclo escalonado es aquel donde el fluido pasa por varios recalentamientos y flujos de presión que se manejen (por el diseño).
Aspectos generales de l a central termoeléctrica
Las turbinas de vapor son máquinas simples que ti:.:nen prácticamente una sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren de algunos componentes auxiliares para funcionar, como: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la posición del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes, chumaceras que sostienen y mantienen fija la turbina, sistemas de sellos de vapor para mantener la presión dentro de la misma turbina, etc. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de vapor, (válvulas de estrangulación).
Figura.l.12.
-
Turbina de vapor de la compañía Shin Nippon Machinery, que maneja tres flujos de presión de vapor.La eficiencia de expansión de las turbinas modernas de varios escalones es alta, dado el avanzado estado de desarrollo de los componentes utilizados en las turbinas y la posibilidad de recuperar las pérdidas de un escalón en los siguientes, con un sistema de recalentamiento.
Capítulo 1
Aspectos generales de la central termoeléctrica
COMBUSTIBLES
PARA
TURBINAS DE GAS
La quema de combustibles en el sistema de la turbina de gas, proporciona la liberación de energía térmica contenida en los gases de combustión. Los combustibles que trataremos contienen principalmente carbono e hidrógeno, y el oxidante puede ser aire u oxígeno, siendo el dióxido de carbono (COZ) y el agua ( H z O ) ~ , los productos primarios, y el nitrógeno (N2) no participa en la combustión y solo se considera su presencia para altas temperaturas en la combustión.
La combustión completa requiere la presencia del oxígeno suficiente para que todo el carbono y el hidrógeno del combustible se conviertan en bióxido de carbono y vapor de agua, mientras que en la combustión incompleta aparecen productos, como el monóxido de carbono CO y otros compuestos con el nitrógeno como los (NO,) y con el azufre (SO,). En la industria, por lo general la quema de combustibles se lleva a cabo con aire, junto con pequeñas cantidades de otros gases.
Las turbinas de gas pueden trabajar con una gran variedad de combustibles: gaseosos y líquidos.
+
*
Tipos de combustiblesI
Líquidos1
1
Gaseosos1
Los gaseosos pueden ser:
Butano (C&~O) Hidrógeno (H2) Propano (C3Hg) gas de homo de coque gas natural monóxido de carbono (CO)
Los combustibles líquidos pueden ser desde destilados ligero, combustible diesel, gasoil, combustóleo, etc.
El tipo de combustible empleado depende de factores tales como:
I
Precio Demanda de la planta0 Funcionalidad de.! 0 Controles de cmtaminación. sistema
Combustibles apropiados para U M turbina de gas, aun que existan combustibles sólidos no se utilizan en turbinas directamente.
Aspectos generales de la central termoeléctrica Un concepto importante asociado a los combustibles es el poder calorífico del cual tenemos:
El poder calorífico superior, es el calor total desarrollado durante la combustión.
El poder calorífica inferior, es el calor neto desarrollado en la combustión, restando el calor perdido en la evaporación del agua.
Una turbina alimentada con gas puede ofrecer a una planta de procesos una gran libertad para su operación mayor que la turbina de vapor.
Combustibles pesados
Para obtener una duración razonable en la operación de las turbinas de gas con combustibles liquidos pesados, hay que modificar la turbina y agregar instalaciones para el manejo y tratamiento del combustible. Las modificaciones incluyen diseños en las cámaras de combustión (combustores), toberas y álabes, el empleo de materiales y revestimiento especiales para el manejo del combustible que se va a utilizar y reducción en la potencia nominal.
El tratamiento con combustibles pesados es más complicado, puede incluir, precalentamiento, etapas de lavado con aguas centríhgas y el empleo de aditivos e inhibidores; y siempre se debe cumplir con las especificaciones establecidas del combustible.
En la práctica, una turbina puede estar equipada con un sistema doble o triple de combustible, se puede arrancar con gas natural, y pasar a un sistema de gas de proceso*, o combustible líquido como el diesel, para no ver interrumpido el proceso.
* Por ejemplo: un suministro de combustible de emergencia puede ser el propano o deslilado ligero.
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS
DE LA
TERMODINAMICA
m B m m m Energía Procesos isentrópicosCiclo Brayton para la turbina de gas
Combustión en la turbina de gas
Análisis de los gases reales de combustión
Ciclos de potencia de vapor
Sobrecalentamiento del ciclo de vapor Equipo para la transferencia de calor Intercambiadores de calor
Equipo sobrecalentador Equipo evaporador Equipo economizador Relación de formulas
Análisis de Orsat
El ciclo Rankine
2-1
-
3-3
2-4
-
3 - j2-5 2-8 2-8 2-10 2-10 2-12 2-14 2-14 2-15 2-16 2-16
Seminario de Proyecto/99
Termoeléctrica de Ciclo Combinado “Rio Bravo” 450 MW
J. Manuel Bobadilla A.
Capítulo 2
Fundamentos de Termodináxmca
La Termodinámica siendo una ciencia, nos permite estudiar y aplicar las transformaciones de
energía y las propiedades fisicas de las sustancias proporcionándonos métodos de análisis. Implícitamente la termodinámica nos indica el intercambio de calor y la fberza que la impulsa a realizar este cambio.
La Energía denota la “habilidadpara realizar un trabajo”, manifestándose de muy diversas
formas y usos. A partir de la Revolucion Industrial donde surgen los motores de combustión interna, máquinas de vapor, motores eléctricos, motores a reacción principalmente; permitiendo el desarrollo de las grandes ciudades en sus medios de transportes, de producción eléctrica y de calor.
En todas estás formas de trabajo, está implícito el intercambio de energía de un cierto tipo a otro tipo de energía, mismo que es estudiado por la l a Ley de la Termodinámica y con la observación de la 24 Ley de la Termodinámica que nos indica los cambios que son posibles en la realidad, y esto nos conduce al concepto de exergía o disponibilidad.
La Ingenieria denota la “capacidad de crear algo útil”, como todas las máquinas y sistemas antes mencionados, se han realizado logrando comprender la interacción y conversión de las formas potenciales de energía hacia una forma útil para su aprovechamiento y lograr que los recursos naturales tengan un beneficio para la humanidad.
Entre todas las aplicaciones que la ingeniería puede dar a la energía, se encuentran la centrales de potencia o generación eléctrica, el presente Seminario de Proyecto, está enfocado a estudiar el diseño industrial y la termodinámica (básica) utilizada de una central termoeléctrica de ciclo combinado específicamente.
Capítulo 2
Fundamentos de Termodmhnica
La termodinámica en una ciencia (teoría fisica de contenido universal) que nos permite analizar los procesos de interacción entre sistemas.
La ]"Ley
de
la Termodimimica o ley de conservación de la energía, nos dice:L a energía no puede crearse o destruirse. Sólo puede cambiarse de una forma a otra, o se puede agregar al sistema o a sus alrededores. Los tipos de energia que son base para nuestro estudio son:
Calor:
Trabajo:
Energía Interna:
Energía Potencial:
Energía Cinética:
Es la transferencia de energía de un cuerpo caliente a un cuerpo fiío
Es el cambio de energía por la acción de una reacción química, una diferencia de voltaje (eléctrico), de empuje, elástico, mecánico, etc.
Resulta del cambio de energía debido a cambios de temperatura, fase, molecular o atómica, etc.
Es debido al cambio de posición en un sistema afectado por la gravedad, por un campo eléctrico o magnetico, que aumenta con la distancia al centro de atracción.
Es el resultado por el cambio respecto a la velocidad, que se incrementa conforme más rápido se mueva un objeto.
A l r e d e d O r e S Volumen de
calor
/
control""""""""""""
AdiciBn de
calor
Figura 2.1.
-
Existen dos tipos de sistemas básicamente sistema cerradoy sistema abierto
Capitulo 2
Fundamentos de Termodinámm
PROCESOS ISENTROPICOS
Un proceso internamente reversible se puede utilizar como un estándar contra el cual comparar todos los procesos reales (irreversibles), tanto para sistemas abiertos o cerrados. Para evaluar en un proceso isentrópico la temperatura, presión o volumen específico del fluido a trabajar, utilizaremos la ecuación adecuada para el cálculo:
k-1
(2.1)
( k - l ) / k
(2.2)
Si sustituimos la ecuación del gas ideal, en cualquiera de las dos ecuaciones anteriores, obtenemos:
k
(2.3)
Nota:
Las ecuaciones son bastante exactas si el cambio de temperatura durante el proceso no excede unos cientos de grados y representan el cambio de estado isentrópico de los gases ideales. Las relaciones son válidas para cualquier masa constante de un gas ideal que efectúe un proceso a entropía constante.S
Figura. 2.2.
-
Modelo isentrópico de un proceso real con un cambio de presión.En el diagrama Ts de la figura 2.2, se muestra un proceso real (1-2r)en el que interviene un aumento de presión, y para el proceso internamente reversible (1 -2) ocurre adiabáticamente,: en el estado 2 que se encuentra directamente sobre el estado inicial l .
* Proceso Adiabutico: es un proceso en el cual intervienen exclusivamente interacciones de trabajo.
Capítulo 2
Fundamentos de Termodinámica C,H,, y los valores de los subindices x, y dependen de la familia de hidrocarburos a la que pertenezcan.
Los combustibles gaseosos presentan una combustión casi completa y de mayor limpieza, sin presentar cantidades considerables de productos contaminantes y peligrosos como el azufre.
Para determinar los constituyentes del proceso de combustión, se plantea una ecuación química que lo describe, aplicando la ley de conservación de la masa. La mayor parte de los procesos se llevan a cabo con aire que es filtrado por el sistema de admisión de aire* (en una turbina de gas) para su utilización. La composición voiumétrica o molar del aire atmosférico, es aproximadamente de:
r
Composición molar del aire atmosférico
21% de oxígeno ( 0 2 )
78% de nitrógeno (Nz)
1% de argón y otros gases más.
Por lo que, si tuviéramos 100 moles de aire, tendríamos 21 moles de oxigeno, 78 moles de nitrógeno y 1 mol de argón. Normalmente el nitrógeno y el argón no reaccionan químicamente con otros elementos, pero a ciertas temperaturas el nitrógeno reacciona con el oxígeno formando óxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO?). Si consideramos que el aire esta compuesto principalmente de 21% de 0 2 y 79% de Nz, por ser los principales
gases que componen el aire, podemos decir, que la relación entre estos elementos es:
79
- = 3.76 moles de nitrógeno / moles de oxigeno 21
De este aire que se admite en la turbina de gas, la cantidad minima de aire necesario para oxidar los reactivos es el aire lebrico, esto idealmente. Pero para que una reacción real se lleve a cabo se requiere de adicionar un exceso de aire, ambos expresados en porcentaje. Al hablar de un exceso de aire (u oxígeno), significa que se utiliza más del 100% de aire tecirico, por ejemplo: con 400% de aire tedrico, hablamos de un 300% de excesu de aire.
Cuando se presenta una combustión completa, se define como una reacción teórica o estequiométrica, resultando importante la cantidad de aire que se consume. Para 1 mol de metano
C b ,
tenemos la ecuación:coeficientes esteauiométricos
CH4 + X (O2
A
3.76 N2)
+
011 COZ + 012 Hz0+
013 N2* Capitulo 5. Descripcion técnica de los equipos y sis!emas principales. Seccion: Sistemas de admision de aire.
Capítulo 2
Fundamentos de Termoddmica
Aplicando el principio de conservación de masa, obtenemos, un sistema de ecuaciones:
Elemento Sistema de ecuaciones Solución
C:
U3=7.52 3.76 X = C L ~
N:
x = 2 2 X = 2 a 1 + a2
O:
az= 2 4 = = 2 a z
H:
a1 = 1 1 =a1
:.
Las cantidades que aparecen en los productos se determinan mediante el balance de masa; (de igual forma para casos de combustión real que involucra más hidrocarburos como el CO y un mayor exceso de aire u oxígeno 0 2 ) , para este sistema la ecuación resultante es:Ecuación estequiométrica:
C& + 2 (O2
+
3.76 N2)+
COZ + 2 Hz0+
7.52 N2Si el exceso de aire es insuficiente para permitir una combustión completa, quedara carbono en forma de monóxido de carbono, es decir, aparecen hidrocarburos no quemados en los productos.
Otra definición importante es la relación aire - combustible
“Y
cI/c)’, que representa la cantidadde aire suministrado al proceso de combustión, por unidad de masa de combustible (proporción aire - combustible).
Para el metano C&, en la ecuación anterior, se necesita:
..
Relación
r
9.52 moles de aire / 1 mol de combustible &re - combustibley su recíproco:
r
da= 1 mol de combustible / 9.52 moles de aire RelaciónCombustible
-
aire en términos de masa:9.52) (28.97 kgknmol)
a‘c’ ( 1 (16.04 kgikgmol) = 17.19 kg. aire k g . comb.
1 (16.04 k.dkczmo1)
r
(9.52) (28.97 kgikgmol) = 0.058 kg. aire k g . comb.Capítulo 2
Fundamentos de Tennodmimica Un factor importante que afecta a la eficiencia de la combustión es la cantidad de exceso de
aire; si no es suficiente, la combustión es incompleta, desperdiciando la energía química del mismo y si el aire es demasiado, el calor que se genera se desperdicia calentando el aire en exceso y reduciendo el calor generado por la combustión.”
Una forma sencilla para determinar la relación y
rCfa
es con la ecuacion siguiente:( 4 x
+
y)(12x + Y >
rOic = 0.345 (1 O0
+
%Exceso) (2.8)donde:
x, y Son los subindices de un hidrocarburo representado como C,Hy.
ANALISIS DE LOS GASES REALES DE COMBUSTION
Se utilizan métodos experimentales para determinar la concentración de diversos componentes en los productos de los gases de combustión, existen equipos para la medición de estos. El análisis de los gases de combustión comúnmente se reporta con base seca o base
húmeda*.
El equipo analizador Orsat, presenta el análisis total en base seca, sin reportar la fracción mol de vapor de agua de la muestra original.
Anaisis de Orsat
El análisis indica la cantidad de cada producto presente en los gases que se forma por la combustión, midiendo volumétricamente el COZ, el CO y el 0 2 . Los gases pasan por diversas
sustancia químicas que absorben los compuestos a medir, disminuyendo volumétricamente y dividiéndolos por su volumen original respectivamente; da por resultado el porcentaje de cada producto de la combustión, determinando las proporciones volumétricas en base seca.
* El criterio para “base seca”, es que no se presenta porcentaje de vapor de agua m la corriente gaseosa.
Capítulo 2
Fundamentos de Termodinámica
Figura 2.4. - Equipo Orsat
La figura 2.4 esquematiza el aparato típico de Orsat, y las partes principales son:
Una bureta de medición A, pipetas de absorción B, C, D, E, conectadas entre sí, por las llaves I, un fiasco nivelador F y un filtro de gas H.
Las pipetas de absorción contienen tubos de vidrio para extender la superficie expuesta de los reactivos absorbentes al gas a analizar.
La bureta de medicion esta rodeada de agua para evitar variaciones de temperatura y densidad de agua.
El anhídrido carbónico es absorbido en la pipeta la cual está parcialmente llena de potasa cáustica KOH; en la pipeta C queda retenido el oxígeno; dicha pipeta contiene una disolución alcalina de ácido pirogálico; y el óxido de carbono es absorbido por una solución ácida de cloruro cuproso contenida en las pipetas D y E.
Estas pipetas deben contener algo de cobre metálico, para mantener la solución activada.
Las absorciones deben realizarse en el orden indicado, obteniéndose el nitrógeno por diferencia.
Deben utilizarse reactivos recién preparados, y deben protegerse del aire por que se diluiría con este.
El análisis se realiza a la temperatura y presión del lugar el cual se encuentra por debajo de la temperatura de rocío’ de la mayoría de los productos hidrocarbónicos de combustión. Cuando se presenta que los gases de escape tienen una temperatura menor al punto de rocío, se produce una precipitación de agua; los gases y el agua presente forman una sustancia corrosiva.
Esto daña seriamente los tubos de agua del generador de vapoi, por lo que la temperatura de los gases en toda su etapa en el intercambio de calor deberá estar por amba del punto de rocío en chimeneas y tubos de escape de gases.
1. El término “Temperaturn de rocio” es equivalente a decir “Punto de rocio”
2. Capitulo 5: Determinación y A d i s i s de equipos y sistemas térmicos. Sección: Transferencia de calor en el generador de vapor
Fundamentos de Termodinámica
CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR
El objetivo básico para un inseniero de proyecto de una Central de Termoeléctrica, Hidroeléctrica, Nucleoeléctrica, etc., es la generación de potencia eléctrica en cualquiera de sus posibles fbentes energéticas, inclusive combinando (equipos y/o sistemas) que eleven la eficiencia y capacidad de generación. Las centrales de ciclo combinado son el resultado de conjuntar tecnologías utilizadas en turbinas de vapor y turbinas de gas.
La eficiencia térmica de un ciclo de potencia se maximiza si todo el calor suministrado por una fbente de energía ocurre a la máxima temperatura posible, y si toda la energía expulsada a un sumidero ocurre a la mínima temperatura posible.
El Ciclo
deRankine
El ciclo básico de vapor se presenta en un diagrama Ts, la figura 2.5. Básicamente el ciclo de potencia de vapor de Rankine simple consiste en:
l . Compresión isentrópica* por medio de una bomba (1 -2)
2. Adición de calor a presión constante en una caldera o generador de vapor (2-5) 3. Expansión isentrópica en la turbina (5-6)
4. Extracción de calor a presión constante en un condensador (6-1)
T
I
5
S
Figura.2.5.
-.
Diagrama 7" del ciclo Rankine para centrales de potencia de vapor* Los procesos isentrópicos (1-2) y (5-6) están idealizados lo cual no ocurre en 10s procesos reales
Capítulo 2
Fundamentos de Termodmánuca
El calor suministrado en el proceso 2-3-4-5 puede provenir de la quema de combustibles, de una hente solar o de un reactor nuclear; está transferencia de calor al fluido en la caldera se representa en el diagrama Ts mediante el área bajo la curva delimitada por los estados 2-3-4-
5, y el área en los estados 6-1, y representa el calor extraído en el condensador.
La I" ley de la Termodinámica, nos indica que para un proceso cíclico abierto indica que el
calor total (neto) es igual al trabajo neto (Ec. 2.10) y está representado por la diferencia en las áreas del calor de entrada y el calor expulsado, es decir, el área (2-3-4-5) - (6-1).
El trabajo isentrópico de la bomba:
Y la producción de trabajo isentrópico de la turbina es:
La eficiencia térmica del ciclo se define como:
(2.9)
(2.1 O)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
El trabajo de la bomba, a menudo se determina, con el grado de exactitud deseado mediante la relación:
wentrada, bomba =
yfe2
-
pl) para S2 = S1 (2.14)En el condensador (6-1) se transfiere calor desde el vapor que se condensa hacia el agua o al aire de enfriamiento. Con temperaturas en un intervalo muy reducido (15 a 30 "C). La mínima temperatura de condensación para el vapor va de los 25 a los 45" C. Para presiones de saturación entre 0.03 y O. 10 bares.
Aun cuando el efecto de disminuir la presión de condensación es ventajoso porque hace que aumente la eficiencia tbrmica, tiene la gran desventaja de hacer que aumente el contenido de humedad del fluido que abandona la turbina, y esto hace que decrezca la eficiencia de una turbina real. Además, el impacto de las gotas de líquido sobre los álabes de la turbina puede generar un grave problema de erosión. En la práctica, es deseable que el contenido de humedad se mantenga por debajo del 10% en el extremo de un flujo de baja presión de la turbina. La eliminación del problema de la humedad en la turbina se puede lograr de manera simultánea mediante la adición de un sobrecalentador al ciclo de Rankine.
Capítulo 2
Fundamentos de Tenn-ca
SOBRECALENTAMIENTO
DEL CICLO DE VAPOR
En este ciclo, la eficiencia se incrementa mediante el empleo de un sobrecalentador. E1 proceso de sobrecalentamiento en general hace que se eleve la temperatura promedio a la cual se suministra calor al ciclo. Se puede lograr un aumento equivalente en la temperatura promedio durante el proceso de entrada de calor elevando la presión máxima del ciclo y la temperatura de la füente de calor, en otras palabras, utilizando dos o tres flujos de presión en el generador de vapor y elevando la temperatura de los gases de combustión.
Las gotas de agua que pueden acompañar al vapor, dañan los alabes de la turbina, y es necesario incrementar la temperatura y presión del vapor. Para evitar el problema de la erosión sin perder la ventaja de las mayores temperaturas logradas mediante el incremento de la presión en la caldera, se ha implementado sobrecalentamiento’ y según el diseño del ciclo, se pueden tener más de una etapa de sobrecalentamiento. (o también llamados, recalentamientos)
Hablamos de un sobrecalentamierzto a todo proceso que eleva la temperatura del vapor saturado a una cierta presión y recalentamiento aquel proceso que vuelve a elevar la temperatura del fluido y no necesariamente vapor saturado.
En el ciclo de sobrecalentamiento no se permite que el vapor se expanda completamente hasta la presión del condensador en una sola etapa (figura 2.6 :. Después de una expansión parcial el vapor se extrae de la turbina y se recalienta a presión constante en el sobrecalentador del generador de vapor (recalentamiento’). Luego se regresa a la turbina para expandirlo hasta la presión de condensado. Es común que en los ciclos de vapor de una Central de ciclo combinado se manejen 3 flujos de presiones, de alta presión, media y baja.
Debe tenerse mucho cuidado al seleccionar la trayectoria 6-7 para el sobrecalentamiento, ya que la temperatura promedio del proceso de recalentamiento puede resultar menor que la temperatura promedio del proceso de adición de calor 2-5. Por tanto, el recalentamiento no necesariamente hace que aumente la eficiencia térmica del ciclo de Rankine. El empleo correcto del sobrecalentamiento eliminará el alto contenido de humedad de la salida de la turbina y hará que aumente la eficiencia térmica. La eficiencia máxima de un ciclo ideal de recalentamiento ocurre cuando el cociente PS /!S se encuentra el intervalo de O. 15 a 0.35.
1. Sobrecalentamiento es el proceso que se aplica al fluido de trabajo para elcvar su temperatura por encima de la línea de
2. Un N,. de recaletamientos infinitos, elevaria la eficiencia del ciclo, pero siendo imposible el término infinito en la realidad, vapor s u o .
se manejan 2 o 3 flujos a presiones disuntas.
Capítulo 2
Fundamentos de Termodmhca
Figura.2.6.
-
Diagrama Ts del ciclo Rankine con recalentamientoY las ecuaciones (2.8) al (2.12), cambian con la adición del calor registrado en el
(2.15)
(2.16)
(2.17)
(2.18)
(2.19)
Capítulo 2
Fundamentos de Termodhimuca
EQUIPO
PARA
LA TRANSFERENCIA
DE
CALOR
Un equipo cuyo propósito principal es la transferencia de energía entre dos fluidos se llama
intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor por lo general se clasifican en tres categorías:
l . Regeneradores
2 . Intercambiadores de tipo abierto
3 . Intercambiadores de tipo cerrado o Recuperadores
Los generadores son intercambiadores en lo que fluyen, alternadamente fluidos calientes y
fríos. La cantidad de energía transferida depende de temperaturas iniciales de los fluidos, las propiedades del flujo así como de la geometría y de las propiedades térmicas de la superficie de intercambio.
En los intercambiadores de tipo cerrado, las corrientes caliente y fría de fluido no entran en contacto directo entre sí, sino que están separadas por la pared de un tubo o por una superficie. El intercambio de calor se realiza de un fluido a una superficie, por convección; a través de la pared (del tubo) por conducción y después de la pared al fluido de trabajo y no menos importante por radiación.’
INTERCAMBIADORES
DE CALOR
Un recuperador se clasifica dé acuerdo con su configuración y el número de veces que una corriente de fluido pasa al atravesar el intercambiador de calor.
Ambos fluidos fluyen formando ángulos rectos, entre sí, por lo que el intercambio de calor se le llama de flujo cruzado (figura 2.7).
Para poder llevar a cabo una transferencia de energía tan grande como se pueda en el menor espacio posible, es deseable utilizar pasos múltiples de uno de los fluidos o de ambos. Una configuración muy común es la de tubo y coraza. El fluido (agua) que pasa por el interior del tubo y tiene más de un paso por envolvente, en tanto que del lado de la coraza, los gases pasan solamente una vez, por esos tubos (ver plano CTHRSG-P6)’.
1. Nota general: El intercambio de calor por radiación estíi fuera del alcance de estudio de este Seminario de Proyecto. 2. Capitulo 5: Descripción técnica de los equipos y sistemas principales. Seccion: Caldera de recuperación de calor.
Capítulo 2
Fundamentos de TermodináImca
I
Figura 2.7.
-
Intercambiadores en contra flujo, el agua fluye dentro de los tubos y los gases de escape alrededor (coraza)Para determinar el intercambio de calor,* podemos utilizar según el equipo a analizar, las siguientes ecuaciones:
Para el equipo Sobrecalentador
Correspondiente a la fase gaseosa del agua (vapor)
(2.20)
Para el caso de la cadera de recuperación de calor, por las altas temperaturas de los gases de combustión se realiza una transferencia de calor por convección en los tubos y un alto porcentaje es por radiación. Las características fisicas de cada recuperador así como los coeficientes globales de transferencia de calor, y operación general, son datos propios del fabricante.
Para el caso en que se cuente con datos como el área y el coeficiente global de transferencia de calor, se puede utilizar la siguiente ecuación:
(2.22)
AT,,,, = AT, - ATB , Está es la diferencia logarítmica media de temperatura. (2.23)
In(AT, I ATB )
Donde ATA y ATB, son las diferencia de temperaturas entre dos flujos que intercambian calor, como se muestra en la figura 2.8. Está diferencia de temperaturas medias entre ambas corrientes de fluido es la fuerza impulsora.
*. Todo intercambio de calor presenta una eficiencia de transferencia que involucra el coeficiente global de transferencia de calor, el
área de transmisión, el No. de Unidades Térrnrcos (NUT), que es una cantidad que se utiliza en los equipos de transferencia de Calor.
Capítulo 2
Fundamentos de Termodukmca
A B
\
Te,
T j m&
O Arca Area Total
Figura 2.8. Perfil de temperaturas en un intercambio de calor entre dos flujos contrarios y de distintas temperaturas.
La ecuación (Ec. 2.22) implica al calor recibido por el fluido (parte derecha de la ecuación) y el calor que proporcionan los gases a través de los tubos al fluido (parte izquierda).
I
O Arca Area Total
Figura 2.8. Perfil de temperaturas en un intercambio de calor entre dos flujos contrarios y de distintas temperaturas.
La ecuación (Ec. 2.22) implica al calor recibido por el fluido (parte derecha de la ecuación) y el calor que proporcionan los gases a través de los tubos al fluido (parte izquierda).
Para el equipo Evaporador
Correspondiente a la fase líquida - vapor (agua saturada)
q
= -mgc
CgcATgc
=Ah
=h,
(2.24)Para el equipo Ekonomizador
Correspondiente a la fase líquida del agua.
= -
m
gcCgcATgc
=m
aguaCagUa
ATagua
(2.25)Contenido
Termoeléctrica de Ciclo Combinado “Río Bravo“
CAPITULO 3
ESTUDIO
DE
PLANEACION
m m m m m m m m m m m m m mEstudio del proyecto
Descripción del proyecto
Requerimientos técnicos particulares
Características de las instalaciones (Antecedentes) Ubicación
Combustible de la Central
Características del combustible Control e instrumentación
Eficiencia
Agua de suministro
Principios de diseño, normas y reglamentos Arranques, toma de carga de la Central
Requerimientos y condiciones de trabajo de los equipos Arreglos generales 3-1 3-4 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-8 3-9 3-10
3-1
o
3-12 3-13? ?
2-2
Seminario de Proyecto/99
Termoeléctrica de Ciclo Combinado “Río Bravo” 450 MW
Capítulo 3
Estudo de planeación del diseño
ESTUDIO DEL
PROYECTO
Al inicio de un estudio deplaneación, los ingenieros a cargo del proyecto deben considerar en forma general las características de la Central y la información necesaria para la fase de planeación siendo importante la “calidad’ de la misma, tanto para el diseño que se realizará basándose en los requerimientos del cliente (llámese gobierno o empresas privadas) así como de todos los equipos que se utilizarán en la fase de la ingeniería de detalle y su construcción.
La Ingenieria Básica, comprende desde la concepción misma del proyecto con los aspectos generales y a su vez globales de toda la ingeniería que se requiere para lograr el objetivo principal de la Central y los requerimientos técnicos de está. La Ingenieria de Detalle inicia con la puesta en marcha de los diseños estructurales, de equipos, de tuberías, de
instrumentación, de procesos, etc. en etapas ya programadas de todas sus áreas y secciones; captura y revisión de sus planos e isométricos, que se elaboran con una descripción exacta, para su construcción y los documentos necesarios para la operación de la Central. Estas etapas, encierran varios aspectos como se muestra en la figura 3. l .
Para la Central de “Río Bravo” se anunció el concurso para la construcción de la Central Termoeléctrica en el Estado de Tamaulipas con capacidad nominal de 450
MW,
siendo el tercer proyecto de inversión privada en México.‘ Primeramente se hace convocatoria por parte de la CFE a las empresas constructoras’ nacionales e internacionales para que estás, propongan un diseño, sus costos y tiempos de construcción (prin~ipalmente)~ y entregen unapropuesta delproyecto a la Comisión, la cual elige a una, como empresa licitante.
Figura 3.1. Diagrama general de realización y operación de una Central termoeléctrica (aplicable a muchos otros proyectos industriales)
1. Proyecto de Producción Independiente de energia (1PP).
2. Las empresas interesadas en obtener el contrato y proporcionar equipos, comprenden industrias de la construcción, fabricantes 3. La propuesta del proyecto presenta aspectos generales de la Central detallando los principales equipos, sistemas; y los costos
de turbinas, intercambiadores de calor, tratamiento de aguas, d c .
de construcción en l i n e a s de tuberías, cantidad de material, mano de obra y tiempo, principalmente.
