I
NSTITUTO
P
OLITÉCNICO
N
ACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DESPACHO ECONÓMICO CON SUMINISTRO
RESTRINGIDO DE COMBUSTIBLE MODERADO
LINEALMENTE
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DEINGENIERO ELECTRICISTA
P R E S E N T A:
LUIS DANIEL ANAYA PÉREZ
___________________________________________________________________________________
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN i
DESCRIPCIÓN DE CONTENIDO DE LOS CAPÍTULOS iii
ÍNDICE GENERAL v
ÍNDICE DE TABLAS ix
ÍNDICE DE FIGURAS xii
CAPÍTULO
I:
PROBLEMÁTICA1.1 INTRODUCCIÓN 2
1.2 OBJETIVO 3
1.3 JUSTIFICACIÓN 4
1.4 ALCANCES 6
1.5 COMBUSTIBLES EMPLEADOS PARA LA GENERACIÓN DE ENERGIA
ELÉCTRICA EN MÉXICO 7
1.6 MÉTODOS SOLUCIÓN EMPLEADOS 12
1.6.1 Programación dinámica 12
1.6.2 Programación estructurada 13
1.6.3 Programación lineal 14
1.6.4 El método simplex 15
CAPÍTULO
II:
CENTRALES TÉRMICAS Y USO DE COMBUSTIBLES___________________________________________________________________________________
2.2 ALMACENAMIENTO, MANEJO Y PREPARACIÓN DEL COMBUSTIBLE 23
2.2.1 Carbón 24
2.2.2 Fuel – oil (Combustóleo) 28
2.2.3 Gas natural 30
2.3 CIRCUITO AIRE-GASES 32
2.3.1 Precalentadores 32
2.3.2 Hogar 33
2.3.3 Filtros 35
2.3.4 Ventiladores de tiro inducido 36
2.4 CIRCUITO AGUA-VAPOR 36
2.4.1 Economizador 39
2.4.2 Calderín 40
2.4.3 Sobrecalentadores 42
2.4.4 Recalentadores 43
2.4.5 Condensador 43
2.4.6 Desgasificador 44
2.4.7 Bombas de alimentación y de condensado 46
2. 5 EVOLUCIÓN DEL VAPOR EN LA TURBINA 47
2.6 TORRES DE REFRIGERACIÓN 47
2.7 CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS 49
2.7.1 Respuesta en el sistema caldera siguiendo a turbina 50
2.7.2 Turbina siguiendo a caldera 51
2.7.3 Control coordinado 52
2.8 CARACTERÍSTICAS DE CENTRALES TERMOELECTRICAS 53
2.9 MODELOS DE LAS UNIDADES TERMOELECTRICAS 60
CAPÍTULO
III:
DESPACHO ECONÓMICO___________________________________________________________________________________
3.2 DESPACHO ECONÓMICO 65
3.3 FORMULACION DE DESPACHO ECONOMICO DE COMBUSTIBLES 68
Nomenclatura 68
3.3.1Formulación matemática 69
3.4 MODELO MATEMÁTICO 72
3.4.1 Consumo específico a máxima eficiencia 74
3.4.2 Mezcla de combustibles 74
3.4.3 Cálculo de calor suministrado por cada combustible 75
3.4.4 Cálculo de consumo de combustible 77
3.4.5 Cálculo del costo C(g) $/hr por operar al nivel g 77 3.4.6 Cálculo del costo incremental dC/dg ($/MW-hr) por operar al nivel g 77
3.4 APLICACIÓN DE DESPACHO ECONÓMICO 78
CAPÍTULO
IV
:
DESPACHO ECONÓMICO CON SUMINISTRO RESTRINGIDO DE COMBUSTIBLES4.1 INTRODUCCIÓN 92
4.2 CONTRATO DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE TOMA O PAGA 93
4.3 FUNCIÓN DE COSTO DE PRODUCCIÓN COMPUESTA 97
4.4 EJEMPLO DE APLICACIÓN, PARA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS CON EL 107 CONTRATO TOMA O PAGA
4.4.1 Resolución del problema sin considerar restricciones de gas 109 4.4.2 Resolución del problema considerando restricciones de gas 116
4.5 ASIGNACIÓN DE COMBUSTIBLE MEDIANTE PROGRAMACIÓN LINEAL 139 4.6 EJEMPLO DE APLICACIÓN, PARA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE
ASIGNACIÓN DE COMBUSTIBLE MEDIANTE PROGRAMACIÓN LINEAL 141
4.6.1 Caso 1: Asignación de combustible mediante programación lineal, sin
restricción final de combustible 150
___________________________________________________________________________________ 4.6.2 Caso 2: Asignación de combustible mediante programación lineal, con
restricción final de combustible en la unidad II 172
4.6.3 Caso 3: Asignación de combustible mediante programación lineal, con restricción final de combustible en la unidad I 177
CAPÍTULO
V:
ANÁLISIS
DE RESULTADOS 5.1 INTRODUCCIÓN 1845.2 IMPORTANCIA DEL ALMACENAMIENTO ADECUADO DEL COMBUSTIBLE 185
5.3 DESPACHO ECONÓMICO 186
5.2 CONTRATO DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE TOMA O PAGA 190
5.3 ASIGNACIÓN DE COMBUSTIBLE MEDIANTE PROGRAMACIÓN LINEAL 197
CAPÍTULO
VI:
CONCLUSIONES 204BIBLIOGRAFÍA 208
ANEXOS
A.1 ALGORITMO DEL MÉTODO SIMPLEX REVISADO A-2
A.1.1 Obtención de una solución básica factible inicial A-3
A.1.2 Métodos de las dos fases A-5
A.1.3 Ejemplo de aplicación de programación lineal utilizando el método simplex
en aplicaciones de ingeniería eléctrica A-14
A.2 OPERACIÓN DEL SOFTWARE GINO A-14
A.3 EJEMPLO DE DESPACHO DE COMBUSTIBLES UTILIZANNDO SOFTWARE
___________________________________________________________________________________
ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO II:
Tabla 2.1: Clasificación general de los combustibles empleados en plantas de
combustión 19
Tabla 2.2: Capacidad efectiva instalada por tipo de generación al mes de febrero de
2009 20
Tabla 2.3: Generación por fuente 21
Tabla 2.4: Capacidad efectiva instalada y la generación de cada uno de estos tipos de
generación termoeléctrica 21
Tabla 2.5: Equivalencias entre distintos combustibles 23
Tabla 2.6: Combustibles líquidos 29
Tabla 2.7: Datos relacionados con características de entrada -salida de unidades
termoeléctricas típicas 63
CAPÍTULO III:
Tabla 3.1: Variables del sistema, para entrada de datos al programa 85 Tabla 3.2: Resultados del programa sin considerar restricciones de potencia 86 Tabla 3.3: Resultados del sistema sin considerar restricciones de potencia 87 Tabla 3.4: Variables del sistema, para entrada de datos al programa 87
___________________________________________________________________________________ CAPÍTULO IV:
Tabla 4.1: Valores de lambda empleados en la construcción de la curva de costo
equivalente 107
Tabla 4.2: Patrón de carga 109
Tabla 4.3: Despacho óptimo ignorando restricción en suministro de gas 114
Tabla4.4: Despacho óptimo respetando restricción en suministro de gas 138
Tabla4.5: Patrón de carga semanal 141
Tabla4.6: Características de las unidades de generación 142
Tabla 4.7: Resolución de matriz de restricciones 149
Tabla 4.7.1 Resultados del sistema para el primer periodo 167
Tabla 4.7.2: Resumen de resultados del sistema para el primer periodo 167
Tabla4.8: Resultados de la simulación del sistema para el primer caso 169
Tabla4.9: Resultados del sistema para el primer caso 170
Tabla 4.10: Resultados de la simulación del sistema para el segundo caso 174
Tabla 4.11: Resultados del sistema para el segundo caso 175
Tabla4.12: Resultados de la simulación del sistema para el tercer caso 179
Tabla4.13: Resultados del sistema para el tercer caso 180
CAPÍTULO V: Tabla 5.1: Valores de lambda empleados en la construcción de la curva de costo equivalente 193
Tabla 5.2: Patrón de carga 194
___________________________________________________________________________________
Tabla5.4: Despacho óptimo respetando restricción en suministro de gas 195
Tabla 5.5: Patrón de carga semanal 198
Tabla 5.6: Características de las unidades de generación 199
Tabla 5.7: Resultados del sistema para el primer caso 200
Tabla 5.8: Resultados del sistema para el segundo caso 201
Tabla 5.9: Resultados del sistema para el tercer caso 202
ANEXOS
Tabla A.1: Solución del sistema A-13
Tabla A.2: Características del sistema A-19
Tabla A.3: Resultados de la simulación del sistema A-21
___________________________________________________________________________________
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO I:
Figura1.1: Escenario de planeación 7
Figura 1.2: Fuentes de combustóleo y carbón 8
Figura 1.3: Costos de generación en función del precio del combustible 9
Figura 1.4: Actuales fuentes de suministro de gas natural 9
Figura 1.5: Proceso deterministico 13
Figura 1.6: Estrategia comienzo-final en un politopo 17
CAPÍTULO II:
Figura 2.1: Tipos de combustibles 20
Figura 2.2: Esquema simplificado de una central 22
Figura 2.3: Esquema de manejo del carbón 27
Figura 2.4: Circuito aire-gases 32
Figura 2.5: Filtros 36
Figura 2.6: Ciclo del agua del circuito agua-vapor 37
Figura 2.7: Ejemplo de circuito agua-vapor 38
Figura 2.8: Ejemplo de circuito agua-vapor 38
Figura 2.9: Calderín 41
Figura 2.10: Degasificador 45
Figura 2.11: Circuito de bombeo de agua a la caldera 46
___________________________________________________________________________________
Figura 2.12: Refrigeración en ciclo cerrado 48
Figura 2.13: Torre de Refrigeración 49
Figura 2.14: Sistema caldera siguiendo a turbina 51
Figura 2.15: Sistema turbina siguiendo a caldera 52
Figura 2.16: Control coordinado 52
Figura 2.17: Unidad caldera-turbina-generador 53
Figura 2.18: Curva entrada-salida idealizada de un generador de turbina de vapor 54 Figura 2.19: Relación incremental de calor (costo) de una unidad de turbina de vapor 56 Figura 2.20: Característica de calor neto de una unidad de generación de turbina de
vapor 57
Figura 2.21: Representaciones aproximadas de una curva de calor (costo)
incremental 57
Figura 2.22: Características de un generador de turbina de vapor con cuatro válvulas de
admisión de vapor 58
Figura 2.23: Características de un generador de turbina de vapor con cuatro válvulas de
admisión de vapor 59
Figura 2.24: Curva de consumo específico 60
Figura 2.24: Planta de vapor de alimentador común 60
Figura 2.25: Planta de ciclo combinado con cuatro turbinas de gas y una de vapor 61
CAPÍTULO III:
Figura 3.1: Pasos principales a seguir en el desarrollo de un sistema 67
Figura 3.2: Contorno de potencia calorífica 75
Figura 3.3: Variación de combustibles 75
___________________________________________________________________________________
Figura 3.5: Simulación del sistema sin considerar restricciones de potencia 86 Figura 3.6: Simulación del sistema considerando restricciones de potencia 88
CAPÍTULO IV:
Figura 4.1: Sistema con N+1 unidades con la unidad T bajo contrato toma o paga 93
Figura 4.2: Patrón de la demanda 96
Figura 4.3: Patrón discretizado de la demanda 96
Figura 4.4 Método de búsqueda de γ 97
Figura 4.5 Unidad equivalente 98 Figura 4.6: Procedimiento para la obtención de una curva equivalente 100
Figura 4.7: Sistema con unidad equivalente y unidad con combustible restringido 108
Figura 4.8: Simulación del sistema para el tercer periodo 112
Figura 4.9: Simulación del sistema para el cuarto periodo 112
Figura 4.10: Simulación del sistema para el quinto periodo 113
Figura 4.11: Simulación del sistema para el sexto periodo 113
Figura 4.11: Gráfica de Despacho económico óptimo para las dos plantas 114
Figura 4.13: Gráfica de Despacho económico óptimo considerando restricciones de gas 138
Figura 4.14: Cadena de producción de energía 140
Figura 4.15: Simulación del sistema para el primer caso 168
Figura 4.16: Potencia generadas por las centrales para el caso1 171
___________________________________________________________________________________ Figura 4.18: Volumen y Entregas de combustible al inicio de la semana en las centrales
para el caso1 172
Figura 4.19: Simulación del sistema para el segundo caso 173 Figura 4.20: Potencia generadas por las centrales para el caso 2 176 Figura 4.21: Volumen de combustible al inicio de la semana en las centrales para el
caso 2 176
Figura 4.22: Volumen y Entregas de combustible al inicio de la semana en las centrales
para el caso 2 177
Figura 4.23: Simulación del sistema para el tercer caso 178 Figura 4.24: Potencia generadas por las centrales para el caso 2 181 Figura 4.25: Volumen de combustible al inicio de la semana en las centrales para el
caso 3 181
Figura 4.26: Volumen y Entregas de combustible al inicio de la semana en las centrales
para el caso 3 182
CAPÍTULO V:
Figura 5.1: Sistema de potencia con tres nodos 187
Figura 5.2: Sistema con N+1 unidades con la unidad T bajo contrato toma o paga 192
Figura 5.3: Unidad equivalente 192
Figura 5.4: Gráfica de Despacho económico óptimo para las dos plantas 196 Figura 5.5: Gráfica de Despacho económico óptimo considerando restricciones de
gas 196
ANEXOS
Figura A.1: ícono ejecutable del GINO A-14
___________________________________________________________________________________
Figura A.3: Ejemplo de archivo .dat A-15
Figura A.4.1: ícono ejecutable del GINO A-15
Figura A.4.2: Pantalla ejecutable del GINO A-16
Figura A.5: Pantalla ejecutable del GINO, con el archivo DESPA1.DAT A-16 Figura A.6: Pantalla ejecutable del GINO, con el archivo DESPA1.DAT y después de dar
enter A-17
Figura A.7: Impresión de los resultados A-17
Figura A.8: Instrucción de salida A-18
CAPÍTULO
I:
PROBLEMÁTICA
1.1 INTRODUCCIÓN
1.2 OBJETIVO
1.3 JUSTIFICACIÓN
1.4 ALCANCES
1.5 COMBUSTIBLES EMPLEADOS PARA LA GENERACIÓN DE ENERGIA ELÉCTRICA EN MÉXICO
1.6 MÉTODOS SOLUCIÓN EMPLEADOS
1.6.1 Programación dinámica 1.6.2 Programación estructurada 1.6.3 Programación lineal
PROBLEMÁTICA
1.1 INTRODUCCIÓN
En cuanto a potencia instalada y la generación de energía, la importancia de las centrales termoeléctricas es mayor, ya que representa el mayor porcentaje de todos los tipos de generación (en el capítulo II, se encuentran especificadas estas cantidades); es por ello que buscamos que se tenga una máxima eficiencia en el uso de combustibles usados en estas centrales.
El precio de la energía eléctrica está directamente relacionado con la eficiencia en el uso de combustibles y el precio de los combustibles, este a su vez con la disponibilidad, si el precio de estos es barato, el precio de la energía eléctrica es bajo; por lo tanto hay una relación estrecha entre los combustibles y la energía eléctrica ya que son clave para la generación de la misma.
Buscamos una operación económica del sistema de potencia que requiere que los expendios de combustible sean minimizados sobre un periodo de tiempo. Cuando no hay limitación en el suministro de combustible en cualquiera de las plantas, el despacho económico se realiza con las condiciones presentes, es decir, los costos de combustible son simplemente los precios entrantes de combustible con quizás ajustes para el manejo y mantenimiento de la planta; pero cuando los recursos de energía disponibles están limitados el despacho económico debe ser realizado de una forma diferente; cada cálculo del despacho económico debe tomar en cuenta que sucedió en el pasado y estimar que sucederá en el futuro.
1.2 OBJETIVO
1.3 JUSTIFICACIÓN
Hay una importancia en cuanto al suministro de combustibles a la central para minimizar los costos de generación ya que, por ejemplo, el carbón se transporta hasta la central mediante ferrocarril, barco o camiones, se almacena en los aledaños de la central, en parques a la intemperie, en los cuales se maneja mediante rotopalas, en la mayoría de los casos. La capacidad de almacenamiento del parque de carbón suele ser elevada, porque el servicio al usuario debe ser continuo y, por lo tanto, se debe tener una cantidad de combustible garantizada, sin embargo debe ser la suficiente para minimizar los costos por almacenar este combustible, los cuales se suman a los costos de generación.
Así mismo, el precio de la kcal puesto en el carbón en el parque de la central depende, a su vez, de la distancia a la mina, es decir, de la distancia de transporte. Pero el almacenamiento del carbón en grandes cantidades, si no es planeado, presenta tres tipos de problema principales: combustión espontánea, pérdida de poder calorífico y degradación del tamaño del grano. Otros fenómenos son: aumento del peso, del contenido de O2, de la temperatura de ignición, etc. Las causas principales son la
oxidación provocada por el aire y los efectos de la humedad. Para esto, existen dos tipos distintos de análisis del carbón (y, en general, de los combustibles sólidos): el análisis inmediato y el análisis elemental.
misma, el cálculo de despacho económico debe ser realizado de una forma diferente: cada cálculo del despacho económico debe tomar en cuenta que sucedió en el pasado y estimar que sucederá en el futuro.
Además, es importante que el uso de combustibles sea de manera que se tenga la máxima eficiencia, puesto que la finalidad deseada al generar energía o simplemente al hacer uso de ella es el bajo costo. A esto le sumamos que actualmente existe una preocupación sobre los efectos de la escasez de combustibles en el mundo, esto afecta a todos los sectores de nuestro país, y dentro de estos se encuentran los productores de energéticos los cuales se ven afectados en cuanto al costo de los combustibles. Por lo tanto, las industrias que se dediquen a la generación de energía eléctrica, o en general todas las industrias, tienen que realizar estudios óptimos y aplicar un despacho económico en los combustibles, para generar energía eléctrica al mejor costo.
El presente trabajo plantea los problemas que se presentan al realizar despacho de combustibles en diferentes circunstancias presentando métodos de solución, empleando modelos matemáticos y haciendo uso de la programación lineal, lo cual servirá a industrias en general o en particular a las encargadas de generar energía eléctrica para realizar una asignación de recursos energéticos de la manera más eficiente, y evaluar algún contrato del suministro de combustibles requerido.
1.4 ALCANCES
Plantear y demostrar analíticamente los métodos de solución a diferentes problemas de despacho económico con y sin restricciones de combustible.
Plantear y solucionar a diferentes problemas de despacho económico con y sin restricciones de combustible utilizando algunos tipos de software de aplicaciones de programación matemática (GINO).
Definir el modo de contrato “toma o paga”, plantear modelos de solución para este tipo de contrato y definir cuales son las ventajas y desventajas del mismo.
Definir algunos problemas, tanto en el combustible como económicos, que se presentan por el almacenamiento del combustible en grandes cantidades.
Exponer ejemplos con información fidedigna, real y práctica, para demostrar la solución a distintos problemas de despacho de combustibles y obtener una optimización en el uso de los mismos.
1.5 COMBUSTIBLES EMPLEADOS PARA LA GENERACIÓN DE ENERGIA ELÉCTRICA EN MÉXICO
En México la empresa que se dedica a generar gran parte de energía eléctrica es la Comisión Federal de Electricidad (CFE), misma que es un gran consumidor de combustibles de diferentes tipos, que son utilizados para poder arrancar las maquinas que harán el proceso de generación de energía eléctrica. Constantemente la CFE debe estar al tanto de los precios del petróleo y de otros combustibles ya que constantemente tiene que cotizar el precio del combustible con sus diversos proveedores.
El pronóstico del crecimiento de la demanda se base en modelos econométricos
que toman en cuenta: la evolución histórica, la prospectiva del crecimiento de la
población, los patrones de consumo sectorial y regional, y de manera destacada las
expectativas del crecimiento económico del país.
En modelos matemáticos que reproducen la red eléctrica nacional se formula el
Programa de Obras e Inversiones del Sector Eléctrico (POISE), necesarias para los
siguientes 10 años, que toma en cuenta las diversas tecnologías, y la disponibilidad y
precio de los combustibles.
En la siguiente gráfica, se ve el escenario de planeación del comportamiento del combustible a 10 años [5]:
El combustóleo (combustible residual de petróleo) se emplea principalmente en
unidades generadoras de carga base, localizadas principalmente cerca de los puertos o
en la proximidad de las refinerías: entre las principales se encuentran Tuxpan con 2100
MW y Manzanillo con 1900 MW.
La capacidad instalada a base de combustóleo ha disminuido considerablemente,
a diciembre de ‘97 representaba el 41% de la capacidad instalada y a Dic. 2005
representaba el 27.8%.
El Diesel se emplea en unidades que operan durante las horas de demanda
máxima, para abastecer zonas aisladas y por restricciones de disponibilidad de gas.
Toda la producción nacional de combustóleo se usa para la producción de energía, es la
más cara y tiene problemas ecológicos. Por lo tanto, el POISE no incluye nuevas
plantas convencionales que usen Combustóleo. El Diesel, sólo en pequeñas cantidades.
El carbón de origen nacional se utiliza en su totalidad en la Centrales Río
Escondido de 1200 MW y Carbón II de 1400 MW. La Central Dual Petacalco tiene
posibilidad de utilizar combustóleo y/o carbón. En la siguiente figura podemos observar las diferentes fuentes de combustóleo y carbón del país [5].
Actualmente emplea carbón importado. Una opción muy competitiva son las
plantas carboeléctricas supercríticas, cuyas adiciones deben ser consideradas en el
mediano plazo. Dado que México no posee yacimientos carboníferos con costos de
extracción competitivos, se deberá acudir a la importación. Por lo tanto será necesario
definir zonas para recepción y distribución de carbón alternos al de Petacalco y al puerto
de Lázaro Cárdenas, a fin de impulsar centros que permitan instalar alrededor de 12,600
MW adicionales (Visión de largo Plazo). A la fecha se tienen ubicados sitios opcionales
en Dos Bocas, Tabasco; Topolobampo, Sinaloa y Salina Cruz, Oaxaca. De acuerdo con
la normatividad vigente se tendrán que tomar en cuenta las inversiones adicionales
asociadas a los equipos anticontaminantes.
El gas natural ha cobrado especial importancia en los ciclos combinados recientes. Adicionalmente por restricciones ecológicas, se ha incrementado su uso en centrales termoeléctricas convencionales ubicadas en las grandes ciudades como el D.F. y Monterrey. A fin de hacer competitivo el equipo existente respecto a nuevas tecnologías, se han convertido centrales termogás a ciclos combinados. Existiendo un programa de repotenciación de centrales. (Manzanillo, Tula, Valle de México, por mencionar algunas).
Existen en México fuentes adicionales de gas natural aún sin explotar. Además, la
tecnología del GNL está disponible y los depósitos de gas extranjeros se pueden
contratar a precios competitivos.
Fuentes de Gas Natural actual y futura son: Producción de PEP, Importaciones de
PEMEX de los Estados Unidos, Importaciones de privados de los Estados Unidos,
Importación de Gas Natural Licuado por la CFE, Importación de Gas Natural Licuado por
CFE, Sempra/Shell (Ensenada) y Manzanillo (Futuro).
En las siguientes graficas, se muestra el costo de generación en función del precio
Figura 1.3: Costos de generación en función del precio del combustible
Nota: Los puntos sobre las líneas corresponden a costo de generación estimado utilizando el precio
nivelado del 2006-2005 del combustible, asociado los cuales están basados en el escenario de precios de
referencia de la CFE 2006 (12% de Tasa de Descuento)
Figura 1.4: Actuales fuentes de suministro de gas natural.
Ante el crecimiento de demanda de gas natural para el desarrollo del sector
• Precios altos para el gas natural.
• Limitaciones en la oferta nacional por parte de PEMEX.
CFE ha emprendido 3 importantes proyectos para:
• Asegurar el suministro de gas a las centrales.
• Diversificar sus fuentes de suministro.
La operación económica de un sistema de potencia requiere que los expendios de combustible sean minimizados sobre un periodo de tiempo. Cuando no hay limitación en el suministro de combustible para cualquiera de las plantas en el sistema, el despacho económico puede ser realizado solamente con las condiciones presentes como datos de entrada en el algoritmo. En tal caso, los costos de combustible son simplemente los precios entrantes de combustible con quizás ajustes para el manejo y mantenimiento de la planta.
Cuando los recursos de energía disponibles para una planta en particular (siendo carbón, combustóleo, gas, agua o nuclear como combustibles) están limitados en la operación de la misma, el cálculo de despacho económico debe ser realizado de una forma diferente. Cada cálculo del despacho económico debe tomar en cuenta que sucedió en el pasado y estimar que sucederá en el futuro.
1.6 MÉTODOS SOLUCIÓN EMPLEADOS
Para el modelado del despacho se pueden emplear los siguientes métodos, del cuales se utilizará la programación lineal y método simplex.
1.6.1 Programación dinámica
La programación dinámica presenta la ventaja que si el problema consiste en T etapas y las variables de estado están discretizadas en M estados, el número total de trayectorias factibles a través del espacio que se quiera estudiar. Sin embargo, con la programación dinámica el número de trayectorias que se tiene que investigar son diversas.
Al resolver un problema de optimización por programación dinámica se deben de cumplir los siguientes pasos:
1. Se definen las etapas secuenciales del problema como se muestran en la figura.
2. Se separan las variables del problema en 2 grupos: las variables de control y las variables de estado. Las variables de control son variables independientes que representan la toma de decisiones. Las variables de estado son variables independientes, ya que su valor esta fijado por las variables de control. Para propósitos de simplicidad y rapidez, las variables de estado pueden ser discretizadas en niveles factibles. Las variables de estado están designadas por Xij, en donde el primer subíndice se refiere al estado discreto de la variable (j = 1, 2 , …….. M1), por ejemplo para una
etapa “t” que esta comprendida entre los puntos “t” y “t+1”, para “t” hay “t+1” puntos en los cuales se define la variable de estado.
Figura 1.5: Proceso deterministico
1.6.2 Programación estructurada
La programación estructurada es una forma de escribir programación de computadora de forma clara, para ello utiliza únicamente tres estructuras: secuencial, selectiva e iterativa; siendo innecesario y no permitiéndose el uso de la instrucción o instrucciones de transferencia incondicional. Hoy en día las aplicaciones informáticas son mucho más ambiciosas que las necesidades de programación existentes en los años 60, principalmente debido a las aplicaciones gráficas, por lo que las técnicas de programación estructurada no son suficientes. Ello ha llevado al desarrollo de nuevas técnicas tales como la programación orientada a objetos y el desarrollo de entornos de programación que facilitan la programación de grandes aplicaciones.
El teorema del programa estructurado, demostrado por Böhm-Jacopini, demuestra que todo programa puede escribirse utilizando únicamente las tres instrucciones de control siguientes:
1. Secuencia
2. Instrucción condicional.
3. Iteración (bucle de instrucciones) con condición al principio.
Solamente con estas tres estructuras se pueden escribir todos los programas y aplicaciones posibles. Si bien los lenguajes de programación tienen un mayor repertorio de estructuras de control, éstas pueden ser construidas mediante las tres básicas.
1.6.3 Programación lineal
El desarrollo de la programación lineal ha sido clasificado como uno de los avances científicos más importantes de mediados del siglo XX. En la actualidad es una herramienta de uso normal que ha ahorrado miles o millones de dólares a muchas compañías o negocios, incluso empresas medianas, en los distintos países industrializados del mundo; su aplicación a otros sectores de la sociedad se ha ampliado con rapidez. Una proporción muy grande de los programas científicos en computadoras esta dedicada al uso de la programación lineal.
hasta el diseño de una terapia de radiación, etc. No obstante, el ingrediente común de todas estas situaciones es la necesidad de asignar recursos a las actividades mediante la elección de los niveles de éstas. La programación lineal utiliza un modelo matemático para describir el problema. El adjetivo lineal significa que todas las funciones matemáticas del modelo deben ser funciones lineales. En este caso, la palabra programación no se refiere aquí a términos computacionales, en esencia es sinónimo de planeación. Por lo tanto, la programación lineal involucra la planeación de las actividades para obtener un resultado óptimo; esto es, el resultado que mejor alcance la meta especificada de acuerdo con el modelo matemático entre todas las alternativas factibles.
Aunque la asignación de recursos a las actividades es la aplicación mas frecuente, la programación lineal tiene muchas otras posibilidades. En realidad, cualquier problema cuyo modelo matemático se ajusta al formato general del modelo de programación lineal, es un problema de programación lineal (por esta razón. Los problemas de programación lineal y sus modelos con frecuencia son llamados sólo programas lineales), aún más, si se dispone de un procedimiento de solución muy eficiente llamado método símplex para resolver estos problemas lineales, incluso los de gran tamaño. Estas son algunas razones del tremendo efecto de la programación lineal en las décadas recientes
1.6.4 El método simplex
En el año 1947 el doctor George Dantzig presentó el algoritmo que desarrolló y que denominó SIMPLEX. A partir de este logro se pudieron resolver problemas que por más de un siglo permanecieron en calidad de estudio e investigación con modelos formulados pero no resueltos. El desarrollo paralelo de la computación digital hizo posible su rápido desarrollo y aplicación empresarial a todo tipo de problemas.
de holgura o artificiales, según sea necesario. Este tipo de conversión conduce normalmente a un conjunto de ecuaciones simultáneas donde el número de variables excede al número de ecuaciones, lo que significa que las ecuaciones dan un número infinito de puntos de solución.
Los puntos extremos de este espacio pueden identificarse algebraicamente por medio de las soluciones básicas del sistema de ecuaciones simultáneas. De acuerdo con la teoría del algebra lineal, una solución básica se obtiene igualando a cero las variables y el número total de ecuaciones para que la solución sea única, y luego se resuelve el sistema con las variables.
Al no tener un espacio de soluciones graficas que nos guié hacia el punto óptimo, necesitamos un procedimiento que identifique en forma inteligente las soluciones básicas promisorias. Lo que realiza el método simplex es identificar una solución inicial y luego moverse sistemáticamente a otras soluciones básicas que tengan el potencial de mejorar el valor de la función objetivo. Finalmente, la solución básica correspondiente a la óptima será identificada, con lo que termina el proceso de cálculo. En efecto, el método simplex es un procedimiento de cálculo iterativo donde cada iteración esta asociada básicamente.
Figura 1.6: Estrategia comienzo-final en un politopo
CAPÍTULO
II:
CENTRALES TÉRMICAS Y USO DE COMBUSTIBLES
2.1 INTRODUCCIÓN
2.2 ALMACENAMIENTO, MANEJO Y PREPARACIÓN DEL COMBUSTIBLE
2.2.1 Carbón
2.2.2 Fuel – oil (Combustóleo) 2.2.3 Gas natural
2.3 CIRCUITO AIRE-GASES
2.3.1 Precalentadores 2.3.2 Hogar
2.3.3 Filtros
2.3.4 Ventiladores de tiro inducido
2.4 CIRCUITO AGUA-VAPOR
2.4.1 Economizador 2.4.2 Calderín
2.4.3 Sobrecalentadores 2.4.4 Recalentadores 2.4.5 Condensador 2.4.6 Desgasificador
2.4.7 Bombas de alimentación y de condensado
2. 5 EVOLUCIÓN DEL VAPOR EN LA TURBINA
2.6 TORRES DE REFRIGERACIÓN
2.7 CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS
2.7.1 Respuesta en el sistema caldera siguiendo a turbina 2.7.2 Turbina siguiendo a caldera
2.7.3 Control coordinado
2.8 CARACTERÍSTICAS DE CENTRALES TERMOELÉCTRICAS
CENTRALES TÉRMICAS Y USO DE COMBUSTIBLES
2.1 INTRODUCCIÓN
Aunque en un sentido amplio dentro de la categoría de “central térmica” habría que incluir las nucleares y las solares (de ciclo termodinámico), lo cierto es que normalmente al referirnos a aquéllas queremos significar central térmica de combustible fósil, por antonomasia, dejando aparte los otros tipos ya citados, aunque a veces es posible añadir el adjetivo convencional, o también clásica, para el mismo propósito.
En este sentido, la generación de energía eléctrica mediante el calor desprendido al quemar un combustible ocupa, en el mundo y en México, un lugar muy importante. La proporción de centrales térmicas en el conjunto del parque de generación de un país, depende de la disponibilidad relativa de las distintas fuentes de energía primaria hoy en uso y, hasta cierto punto, de las distintas políticas energéticas puestas en práctica por los respectivos gobiernos.
Independientemente de cuál sea el combustible fósil que utilice, el esquema de funcionamiento de una central térmica clásica es prácticamente siempre el mismo. Las diferencias estriban en el tratamiento previo del combustible, en el diseño de los quemadores y en el sistema de limpieza de humos y evacuación de cenizas.
Conviene entonces, clasificarlas para su estudio en diferentes apartados. Una posible clasificación es la siguiente [3]:
Figura 2.1: Tipos de combustibles
Actualmente en México, Comisión Federal de Electricidad tiene las siguientes potencias instaladas [9]:
Tabla 2.2: Capacidad efectiva instalada por tipo de generación al mes de febrero de 2009
Tipo de Generación Capacidad efectiva en MW Porcentaje
Termoeléctrica 22,404.69 45%
Hidroeléctrica 11,054.90 22%
Carboeléctrica 2,600.00 5%
Geotermoeléctrica 964.50 2%
Eoloeléctrica 85.25 0%
Nucleoeléctrica 1,364.88 3%
Termoeléctrica
(Productores Independientes) 11,456.90 23%
Tabla 2.3: Generación por fuente
Tipo de Generación Porcentaje
Geotermia 3.24%
Carbón 7.81%
Nuclear 5.59%
Eólica 0.15%
Productores Independientes 34.32%
Hidráulica 12.78%
Hidrocarburos 36.12%
Para el cierre de febrero de 2009, la capacidad efectiva instalada y la generación de cada uno de estos tipos de generación termoeléctrica, es la siguiente [9]:
Tabla 2.4: Capacidad efectiva instalada y la generación de cada uno de estos tipos de generación
termoeléctrica
Tipo Capacidad en MW* Generación GWh*
Vapor 12,641.10 4,942
Dual 2,100.00 1,806
Carboeléctrico 2,600.00 2,612
Ciclo Combinado 16,913.16 16,497
Geotermoeléctrica 964.50 1,084
Turbogas 1,991.21 130
Combustión Interna 216.12 185
Nucleoeléctrica 1,364.88 1,870
Total 38,790.97 29,127
que buscamos que se tenga una máxima eficiencia en el uso de combustibles usados en éstas centrales.
Dada la complejidad de una central térmica, para su estudio es preciso dividirla en segmentos o parcelas. Como, en definitiva, de lo que tratamos es de transferencias de materia y energía, podemos subdividir el conjunto en los apartados siguientes:
a) Equipo de combustión.
b) Sistema aire - gases.
c) Sistema agua - vapor.
d) Equipos auxiliares de cenizas y escorias.
e) Equipos de control.
2.2 ALMACENAMIENTO, MANEJO Y PREPARACIÓN DEL COMBUSTIBLE
El combustible, antes de ser enviado al hogar para ser quemado, necesita una serie de operaciones preparatorias que dependen de la clase del combustible: sólido, líquido o gas. La complejidad es mayor para los carbones, menor para el fuel y prácticamente ninguna para el gas natural.
Tabla 2.5: Equivalencias entre distintos combustibles
Las características de un combustible son las que determinarán la posibilidad de utilizar esa sustancia en un momento determinado o para fines de generación de energía eléctrica en plantas termoeléctricas. Una de las propiedades que más interesa de un combustible es su poder calorífico.
El poder calorífico, es la cantidad de calor generado al quemar una unidad de masa del material considerado como combustible. El poder calorífico está relacionado con la naturaleza del producto. Teniendo como unidades para esta propiedad:
El Poder Calorífico Inferior (PCI) es el poder calorífico neto, es decir, es el calor desprendido en la combustión de 1 Kg de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión no condensa; y el Poder Calorífico Superior (PCS), es el poder calorífico total, es decir, es la cantidad de calor desprendido en la combustión de un Kg de combustible cuando se incluye el calor de condensación del agua que se desprende en la combustión.
Otras propiedades de los combustibles son:
a) Temperatura de Combustión: La temperatura de combustión aumentará con el poder calorífico y con la cantidad de residuos y productos que se generen en la combustión.
b) Residuos de Combustión: Es lo que no arde en un combustible. Son de dos clases según la fase en la cual se encuentren:
• Gaseosos: Están en el seno de los humos o gases que se desprenden de los combustibles
• Sólidos: Cenizas o escorias
La combustión se realiza normalmente en la fase gaseosa. Las cenizas o escorias de un combustible están formadas por la parte orgánica de un combustible, siendo perjudiciales tanto por su naturaleza como por su cantidad.
Enseguida se hará mención brevemente de los combustibles más utilizados para la generación de la energía eléctrica así como su composición química y origen.
2.2.1 Carbón
Los distintos tipos de carbones son:
8% en materias volátiles, y más de un 92% de carbono fijo. Su poder calorífico se encuentra en torno a los 33860 kJ/kg [3].
• Hullas: son los combustibles más apropiados, tanto por contenido energético como por su dureza. Contienen entre un 8 y un 48% de material volatil, siendo su poder calorífico en torno a 15460 kJ/kg.
• Lignitos: comprende un grupo muy variado de carbones, relacionados por la época de su formación. Entre ellos, los principales son:
- Pardos: aspecto terroso. El porcentaje de humedad llega al 60%. Su poder calorífico es 8360 kJ/kg.
- Negros: son duros y presentan una coloración negra tanto mate como con brillo. Su porcentaje de humedad es menor del 25%. Su poder calorífico es aproximadamente de 15460 kJ/kg.
Tradicionalmente la primera clasificación de los carbones se basaba en su índice de carbonización, sinónimo de antigüedad del combustible:
Ic = 1 – (42[H]+2.1[O]+3[N])/7[C]
cuyos valores extremos se asignaban a la madera (Ic=0) y al grafito (Ic=1).
Existen muchas y diversas teorías con respecto al origen de la formación de los distintos tipos de carbón. La teoría tradicional sostiene que los carbones menos nobles son estados en transición hacia la hulla. En contraposición, existen teorías que justifican el distinto origen de los lignitos, ya no sólo debido a la fase geoquímica sino incluso ya desde la fase biológica [3].
El análisis INMEDIATO o "según se quema" (as fired) permite valorar el comportamiento del combustible bajo la acción del calor. A partir de él se obtiene el porcentaje en carbono fijo (FC), volátiles (V), humedad (M) y cenizas (A) que posee la muestra tomada del combustible [3].
El análisis ELEMENTAL es ya un análisis de tipo químico, que nos ofrece una composición en elementos simples de la muestra de combustible (C - H - O - N - S - P ...), que resultará imprescindible para calcular la composición y cuantía de los productos de escape derivados del proceso de combustión [3].
El precio de la kcal puesto el carbón en el parque de la central depende, a su vez, de la distancia a la mina, es decir, de la distancia de transporte. El almacenamiento del carbón en grandes cantidades presenta tres tipos de problema principales: combustión espontánea, pérdida de poder calorífico y degradación del tamaño del grano. Otros fenómenos son: aumento del peso, del contenido de O2, de la temperatura de ignición, etc. Las causas principales son la oxidación provocada por el aire y los efectos de la humedad.
Debido al contacto con el aire, el carbón se oxida (se produce una combustión a baja temperatura) con una velocidad que es proporcional a la temperatura. Aproximadamente, por cada 8ºC de aumento de temperatura la velocidad se duplica. Por encima de 30ºC ya es considerable y a 65ºC es peligrosa. Con una temperatura ambiente de unos 30ºC y expuesto a la radiación solar los 65ºC superficiales son fácilmente alcanzables, por ello el apilamiento debe hacerse teniendo en cuenta este hecho. En caso de acumularse en pilas, las capas inferiores alcanzan temperaturas más altas ya que su enfriamiento por radiación o convección es mucho menor. También la presencia de piritas provoca aumentos de temperatura, al oxidarse con reacción exotérmica. Si el carbón debe permanecer en el parque más de un año se recurre a darle un recubrimiento asfáltico que proporciona un cierre estanco al aire [3].
partículas férricas y de un separador de gruesos para las piedras, trozos de madera, etc., que pudieran dañar los molinos. De la torre pasa a los silos de las calderas o a las tolvas. El carbón de las tolvas cae, por gravedad, a unos alimentadores que dosifican la carga a los molinos en función de la demanda de la caldera. Estos alimentadores pueden ser de funcionamiento continuo a velocidad variable, o intermitentes a base de racletas. El uso de carbón pulverizado se ha generalizado modernamente debido a los siguientes factores:
• El rendimiento de la combustión es máximo.
• Es posible utilizar carbones de calidad inferior a la de otros quemadores.
• Las cenizas y escorias formadas no son pastosas, lo que facilita su manejo (disminuye la temperatura de ignición).
El carbón entra en los molinos con una granulometría variable aunque siempre por debajo de unos 100 a 150 mm. Una vez reducido a polvo, la inyección en el hogar puede ser directa o indirecta. Cuanto mayor sea el grado de finura del polvo mejor es la combustión, ya que se aumenta la superficie de contacto entre el carbón y el oxígeno del aire.
Antiguamente los molinos no descargaban directamente a la caldera sino a unas tolvas de carbón pulverizado. Los molinos funcionaban siempre a plena carga, por tanto con mejor rendimiento y con un grado de finura uniforme pero se duplica el número de tolvas y el de equipos de extracción.
Actualmente se hace la inyección directa al hogar. El carbón se mezcla con aire primario precalentado de forma que pueda ser transportado por un extractor hasta los quemadores o mecheros. El ventilador extractor suele ser de palas rectas de acero resistente a la abrasión, a pesar de lo cual su desgaste es elevado por lo que es necesario reponer las palas con frecuencia.
Para evitar esto modernamente se tiende a hacer los molinos presurizados, es decir que el ventilador inyecta aire precalentado limpio a los molinos. Estos funcionan a una presión superior a la atmosférica y por tanto superior también a la del hogar (que en calderas de carbón suele estar en depresión) por lo que la mezcla carbón–aire puede entrar directamente al hogar. La complicación que supone el sistema de cierre hermético de los molinos compensa el alargamiento de la vida de los ventiladores [3].
Existen diferentes tipos de molinos, tanto de eje vertical como horizontal. A la salida del molino se dispone un clasificador que permite extraer las partículas con la finura deseada y devuelve al interior las más gruesas. El grado de finura (200 m) depende del contenido en volátiles: cuanto menor sea éste, mayor finura se requiere para asegurar la combustión rápida y completa del carbón. Cuando el contenido de humedad es muy elevado (caso de Puentes, por ejemplo), el carbón antes de entrar en el molino se mezcla con gas caliente para evaporar el agua.
La capacidad de los molinos debe corresponder, como mínimo, a la potencia máxima de la caldera, tanto si el sistema es de alimentación directa como si no. Es usual disponer de un molino más de los estrictamente necesarios para tenerlo en reserva caso de que ocurra una avería en uno de los que están en servicio [3].
2.2.2 Fuel – oil (Combustóleo)
caldera, para que alcance una temperatura próxima a la de inflamación facilitando su combustión en el momento en que entra en el hogar.
El fuel utilizado en las centrales procede de la destilación del petróleo. Los productos de refinería son los siguientes:
Tabla 2.6: Combustibles líquidos
Combustibles líquidos
1 Gas de refinería 11
Naftas y materias petroquímicas
2 Gases licuados (G.L.P.) 12 Disolventes y petroquímicos
3 Gasolina de aviación 13 Lubricantes
4 Gasolinas auto 14 Aceites base
5 Keroseno aviación 15 Parafinas
6 Keroseno corriente 16 Materia prima parafínica
7 Gasóleo. (A,B y C) 17 Asfalto
8 Dieseloil 18 Emulsión asfáltica (cut-back)
9 Fuelóleo.(BIA, nº1, nº2); BIA = Bajo Indice de Azufre 19 Coque de petróleo
10 Combustible de refinería
La reserva de fuel para garantizar el funcionamiento continuo de la central se consigue mediante grandes tanques de superficie. Los tanques, cilíndricos y de eje vertical, se construyen de chapa de acero al carbono soldada. Las dimensiones, espesor y tamaño de las virolas, forma de la cubierta, detalles de las conexiones etc. vienen fijados por las regulaciones.
Las bombas de trasiego suelen ser de engranajes o de husillo, y más raramente de pistón. Así el fuel llega al equipo de preparación para la combustión. Este equipo, duplicado por seguridad, consta de calentadores y bombas, válvulas de incomunicación, de control, tuberías y filtros desde donde se envía a los atomizadores y de estos a los quemadores.
La misión de los atomizadores es reducir el fuel a partículas lo más pequeñas posible, lo cual se logra inyectando aire o vapor a presión. De esta manera se obtiene en la tobera de los quemadores una mezcla muy homogénea de combustible y aire. Los quemadores frecuentemente se distribuyen alrededor del hogar en uno o varios niveles, y son alimentados por los correspondientes anillos de reparto. A carga parcial, el exceso de fuel retorna a través de un colector a unos tanques de consumo diario instalados entre las bombas de trasiego y el equipo de preparación de combustible. La capacidad de estos tanques es la correspondiente al consumo durante uno o dos días a plena carga.
2.2.3 Gas natural
El gas se almacena también en tanques, en estado líquido, o puede llegar directamente mediante gasoducto. Este combustible va a adquirir un papel cada vez más importante durante los próximos años. Desde el punto de vista de su utilización en calderas, el gas natural puede quemarse sin preparación previa, tal y como viene por el gasoducto, con sólo ligeras modificaciones en los mecheros. No produce cenizas ni escorias, nada de humos y muy poco hollín. Se mezcla fácil e íntimamente con el aire, contiene muy poco azufre y su poder calorífico es elevado. Todo ello hace que sea considerado como el combustible más apropiado para la generación de vapor en centrales.
la turbina de vapor y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador.
La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38% normal de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60%.
Y la alta disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas equivalentes al año. Uno de los principales problemas que plantean las centrales térmicas es que se trata de un proceso relativamente complejo de conversión de energías. Utilizan combustible de alto grado de calidad. Provocan contaminación con la alta emisión de gases [3].
La composición varía de acuerdo con la procedencia pero como valores medios pueden tomarse los siguientes (en peso):
Carbono 69%
Hidrógeno 23%
Oxígeno 1,5 %
Nitrógeno 6%
Azufre 0,5 %
Poder calorífico 12.800 kcal / kg
2.3 CIRCUITO AIRE-GASES
Se entiende por tal el recorrido que hace el aire desde que se toma del exterior, pasando por todos los dispositivos hasta que es expulsado en forma de humos por la chimenea. Como ya se vio al exponer la combustión, el 79 % del aire, que es nitrógeno, a efectos de la misma es inerte; sale sin apenas transformación (salvo la formación de cierta cantidad de NOx) pero carga todas las conducciones. El 21 % de oxígeno restante es devuelto a la atmósfera combinado con el carbono en forma de CO2 [3].
Figura 2.4: Circuito aire-gases
2.3.1 Precalentadores
Antes de impulsar el aire, mediante los ventiladores de tiro forzado a los molinos o al hogar (primario, secundario etc.) se aprovecha el calor de los gases de escape para aumentar la temperatura del aire. Esto se logra en los precalentadores.
El aire caliente, al ser introducido en el hogar, aumenta la temperatura de éste y por consiguiente, aumenta también la transmisión de calor radiante a la caldera.
1. Calentadores tubulares.- El calentador tubular es un cambiador de calor en contracorriente. Los gases calientes entran en los tubos por la parte superior y salen por la parte inferior. El aire frío entra por la parte inferior derecha, fluye lamiendo la superficie externa de los tubos y sale por la parte superior izquierda. El curso del aire se dirige por medio de tabiques horizontales, con lo que se consigue la máxima transmisión de calor.
2. Calentadores de placas.- En el calentador de placas el aire se inyecta por los pasos entre placas, por la parte inferior y llega a la superior después de varios cambios de dirección y atravesando cuatro veces el calentador, en dirección perpendicular a la corriente descendiente de gases de la combustión. Cada par de placas tiene bordes soldados para hermeticidad y son fáciles de desmontar y limpiar.
3. Calentadores regenerativos.- Los calentadores regenerativos se basan en otro principio y tienen distinta forma que los anteriores. El principio de funcionamiento es similar en los dos tipos (patentes) usuales: un tambor metálico está relleno por una serie de chapas onduladas delgadas y próximas.
2.3.2 Hogar
Si todo el calor desprendido en la combustión tuviese que ser absorbido en la zona de radiación, la cifra anterior nos daría una idea de la superficie de absorción necesaria. En el hogar, zona claramente de radiación, se alcanzan las mayores temperaturas lo que provoca que en esta región el flujo de calor hacia la superficie de calefacción sea el más intenso. En el punto más caliente las temperaturas que pueden alcanzarse son del orden de 1500-1700º C para reducirse hasta 1000-1200º C junto a las paredes y a la salida del hogar. Ese rango de temperaturas conduce a flujos máximos de calor del orden de 350 kW/m2, aunque el valor medio es notablemente inferior (100-125 kW/m2).
La presión en el interior del hogar puede ser superior (2000-2500 mmca) o inferior (15-30 mmca) a la atmosférica. En el primer caso se dice que el hogar está presurizado; los ventiladores de tiro forzado que impulsan el aire al interior del hogar proporcionan presión suficiente para vencer las pérdidas de carga en todo el circuito aire-gases. En el segundo caso el hogar está en depresión; es necesario un segundo ventilador, de tiro inducido, para aspirar los gases de la combustión y enviarlos a la chimenea pasando por los recuperadores, filtros etc.
Las calderas de combustible sólido suelen estar en depresión mientras que las de combustibles líquidos o gaseosos son presurizadas. La forma del hogar y la disposición de los mecheros e inyecciones de aire secundario y terciario dependen del tipo de combustible.
Generalmente se precisa inyectar un aire secundario, terciario y hasta cuaternario, a distintos niveles, con objeto de completar la combustión. Calderas para gas natural pueden tener hasta treinta y seis quemadores. En algún caso se ha recurrido a hogares con quemadores verticales que dan desarrollo de la llama en forma de W.
En cualquier caso la combustión debe completarse en el hogar, ya que si la llama se propaga a la zona de convección, los tubos de los sobrecalentadores pueden resultar dañados. A veces se plantea la necesidad de aumentar la potencia de un determinado tipo de caldera, bien por remodelación de la central, o para adaptarla a un grupo turbogenerador diferente. Debe tenerse presente que no basta con ampliar las dimensiones a escala, incluso en un pequeño porcentaje: el volumen del hogar — por tanto la potencia — aumenta con el cubo de las dimensiones lineales, pero la superficie de absorción de calor aumenta con el cuadrado, con lo cual las temperaturas de los haces de tubos y del vapor aumentan quizá hasta límites incompatibles con la seguridad de los mismos. En algún caso, para incrementos moderados, se ha recurrido a añadir una pared de tubos intermedia. Son soluciones poco recomendables.
2.3.3 Filtros
Figura 2.5: Filtros
2.3.4 Ventiladores de tiro inducido
A continuación de los filtros, si el hogar es en depresión, están los ventiladores de tiro inducido (dos, por seguridad) que envían los gases a la chimenea. Antiguamente la altura de la chimenea se calculaba de forma que el tiro natural, al conectar con niveles de la atmósfera normalmente más fríos, estuviese garantizado en cualquier circunstancia. Modernamente, el tiro se encomienda a los ventiladores, y la altura de la chimenea se calcula de forma que la dilución de contaminantes en la atmósfera garantice unas emisiones, a nivel del suelo, dentro de los márgenes legales. Este cambio de criterio de dimensionamiento, de técnico a medioambiental, está cada vez más presente en el diseño de centrales térmicas; también se da en la temperatura del agua de refrigeración, que repercute en el tamaño del condensador, en los parques de almacenamiento de cenizas y escorias, para prevenir infiltraciones ( percolación al terreno, etc. ).
2.4 CIRCUITO AGUA-VAPOR
aumentar la cantidad de energía transmitida de la caldera a la turbina, por unidad de masa de agua (vapor), el salto entálpico tiende a ser cada vez mayor, y con él las presiones y temperaturas a la entrada de la turbina. Desde el punto de vista técnico, la limitación está en la calidad de los aceros tanto de los haces de tuberías de la caldera como de los álabes de la turbina. En la actualidad son usuales presiones en torno a los 180 bar y temperaturas del orden de 550ºC. Recordando las propiedades de los fluidos, sabemos que, para una presión dada, al aportar calor la temperatura se eleva hasta alcanzar el punto de ebullición; mientras dura el cambio de fase la temperatura no varía y cuando todo el fluido está en fase de vapor, posteriores aportaciones de calor suponen un nuevo aumento de la temperatura. Si reflejamos en un gráfico este hecho encontramos uno como el de la figura.
.
Figura 2.6: Ciclo del agua del circuito agua-vapor
Como puede verse hay unas condiciones de presión y temperatura para las que el cambio de fase es instantáneo; no coexisten líquido y vapor simultáneamente. Son las condiciones críticas, que definen el punto crítico.
evaporación, a temperatura constante, y la tercera de recalentamiento con elevación de la temperatura del vapor. La presión se mantiene constante, salvo las pequeñas pérdidas de carga en los tubos [3].
Figura 2.7: Ejemplo de circuito agua-vapor
2.4.1 Economizador
Con los gases que salen de la caldera, hacia la chimenea, escapa una considerable cantidad de calor, cuya utilización en la misma caldera ya no es posible. Para aprovechar este calor en lo que sea posible se hacen pasar los humos por un economizador, llamado también recuperador que, consiste esencialmente en un sistema de tubos por cuyo interior circula el agua de alimentación, y que está rodeado por los gases cuyo calor se pretende recuperar. El agua entra fría por la parte inferior del economizador y sale caliente por la parte superior.
La economía de combustible que estos dispositivos permiten alcanzar, llega hasta el 20%. Situado en el extremo final de la zona de recuperación de calor en la caldera, recibe el agua de alimentación impulsada por las BAA, previamente precalentada tras pasar por los calentadores de alta presión, y permite el intercambio de calor con la corriente descendente de gases de combustión en una configuración de flujos cruzados. Es este punto la temperatura de los humos todavía es elevada (por encima de 500º C) y el modo predominante de transmisión de calor es por convección. Para asegurar la transferencia de calor óptima los fluidos circulan a baja velocidad: los gases lo hacen a 5-10 m/s por el exterior del haz tubular mientras el agua circula lentamente por el interior de los tubos a menos de 1 m/s (incluso en el caso de tubos aleteados interiormente).
El empleo de los economizadores actualmente es general. Aparte de la economía en combustible ya mencionada su uso presenta las siguientes ventajas:
• Al alimentar la caldera con agua caliente, se reducen las variaciones de temperatura en la chapa de ésta, con evidente beneficio para su conservación.
• El calentamiento del agua provoca y favorece la precipitación de lodos e incrustaciones que, de otra forma, se depositarían en la caldera.
• Al calentarse el agua, pierde gran parte del aire en disolución, lo cual reduce el peligro de oxidaciones y corrosiones.
El economizador aprovecha el calor residual de los gases al final de su recorrido por la caldera, justo antes de ir hacia el precalentador de aire. El economizador es un cambiador del tipo agua/gas formado por un conjunto de haces tubulares.
2.4.2 Calderín
El tipo de ciclo empleado es el Rankine, con un recalentamiento. La circulación de agua en las calderas subcríticas puede ser natural o asistida; en las hipercríticas es forzada. En las calderas de circulación natural el agua de alimentación, que procede de la bomba principal de condensado, pasa por el economizador, para aumentar su temperatura y se introduce en un calderín desde donde baja, por un conjunto de tubos exteriores al hogar, para alimentar las llamadas “paredes de agua”. El vapor formado asciende arrastrando una parte de agua sin evaporar, hacia el calderín donde se realiza la separación del agua y del vapor mecánicamente [3].
Una vez separados el agua vuelve a bajar para seguir vaporizándose, mientras que el vapor se dirige a los sobrecalentadores para aumentar su temperatura. El calderín cumple dos misiones distintas: por un lado, mantener una reserva de agua para hacer frente a fluctuaciones en la demanda de vapor, y por otra, separar el vapor del agua arrastrada.
Situado en la parte más alta de la caldera, el calderín es un gran cilindro horizontal de 1-2 m de diámetro y 10-15 m de longitud, en cuyo interior reinan condiciones de saturación a la presión de operación.
La existencia del calderín posibilita desde el punto de vista del control un cierto grado de desacoplamiento entre los sistemas de alimentación de vapor a turbina y de alimentación de agua a la caldera.
de recirculación que incluye un "botellón de arranque" -que hace las veces de calderín- y una bomba de recirculación de caldera. Por ello, a veces se las denomina calderas de circulación mixta (en circuito abierto en carga y en circuito cerrado durante el arranque). Dos inconvenientes característicos de este tipo de calderas:
• Inestabilidad hidrodinámica: los tubos no se comportan exactamente de la misma forma pues no reciben el mismo aporte calorífico. En consecuencia exigen un control más riguroso de la temperatura del vapor
• No hay capacidad adicional de almacenamiento de refrigerante en la caldera, ya que el caudal que circula por el hogar es exactamente es caudal de agua de alimentación
Las calderas supercríticas son obviamente de circulación forzada, ya que de poco serviría el calderón ante un caudal bifásico de fases indiferenciadas.
Figura 2.9: Calderín
presión de trabajo es superior a la crítica, y no existen tubos con mezcla agua - vapor, ya que el agua se transforma completamente en vapor al llegar a la temperatura crítica, sin cambio de volumen. Estas calderas se suelen denominar “ monotubular” o “ de un solo paso” [3].
La caldera de circulación natural es la más simple, más económica por no utilizar bombas y menos expuesta a averías. La de circulación asistida tiene más flexibilidad de operación y menos inercia en arranques y paradas; mayor uniformidad en la distribución de temperaturas a lo largo de los tubos y rendimiento algo mejor.
2.4.3 Sobrecalentadores
El sobrecalentador suele subdividirse en dos porciones; una en la zona de radiación y otra en la de convección, con lo que se consigue una cierta autorregulación de la temperatura del vapor, en efecto: supongamos que aumenta la carga; con ello aumentará el caudal de vapor en la zona de radiación la temperatura desciende puesto que la energía transmitida por unidad de superficie no varía. Sin embargo en la zona de convección aumenta puesto que el coeficiente de película es mayor tanto fuera (mayor flujo de gases) como dentro del tubo (mayor velocidad del agua). Con un diseño adecuado ambos efectos pueden neutralizarse, al menos para un margen relativamente amplio de regímenes de carga [3].
2.4.4 Recalentadores
En las calderas que alimentan turbinas de tres o más cuerpos (alta, media, baja presión) existe un recalentador intermedio destinado a calentar el vapor parcialmente expansionado en el cuerpo de alta presión, para volverlo a enviar a los cuerpos de media presión. Este recalentador intermedio también se subdivide en dos partes situadas en las zonas de radiación y convección por el motivo ya explicado. Las zonas por donde entra el vapor en el cuerpo de alta presión de la turbina son de aceros especiales aleados, ya que deben soportar alta temperatura. Normalmente se busca que el vapor se expansione ampliamente en esta etapa con el fin de bajar lo más posible la presión y temperatura en el resto de la turbina. Todo ello conlleva a la utilización de materiales costosos.
2.4.5 Condensador
Una vez que el vapor se ha expansionado en la turbina se envía al condensador para volver el vapor al estado líquido y separar del agua los gases incondensables, principalmente el oxígeno disuelto, muy perjudicial para la vida de las tuberías. De hecho, el vapor llega al condensador parcialmente ( un 10 % ) condensado por lo que es capaz de erosionar las paletas de las dos últimas coronas. Por este motivo dichas coronas son de diseño especial con bordes de stellita 2 las móviles y de fundición especial las fijas. En el interior del condensador la presión es de unas 0,03 atm, es decir un vacío bastante alto.
