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LA INDUSTRIA DE LA PRODUCCION DE ENERGIA ELECTRICA
CAPITULO I
FUENTE DE ENERGIA Y DEMANDA DE ENERGIA ELECTRICA
1.1 INTRODUCCION
El desarrollo económico de un país se lo mide en base al bienestar humano y el desarrollo
industrial, y estos están directamente relacionados a la disponibilidad de una fuente de energía
primaria.
El consumo de energía eléctrica de un país, constituye el mejor índice del bienestar humano y el
desarrollo industrial, y la tasa de crecimiento del consumo de energía eléctrica es la real señal de
progreso.
La energía primaria es aquella que está disponible directamente en la naturaleza y es la energía
hidráulica, de los combustibles fósiles (sólido, líquido y gaseoso), eólica, solar, nuclear y
geotérmica.
Desde la fuente de energía primaria hasta la obtención de la energía eléctrica se realizan varias
conversiones de energía. La fuente primaria hidráulica tiene energía de posición, la cual a través
de la turbina se convierte en energía mecánica y esta por medio del generador eléctrico se
convierte en energía eléctrica.
La fuente primaria de los combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural tiene energía
térmica, la cual a través de la turbina se convierte en energía mecánica y esta por medio del
generador eléctrico se convierte en energía eléctrica.
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Para graficar lo indicado, se presentan en la Fig. 1.1 la fuente primaria y la conversión de energía
hasta obtener energía eléctrica
1.2 SELECCION ECONOMICA DE LA FUENTE DE ENERGIA
PRIMARIA
Para la selección económica de la fuente de energía primaria con el propósito de producir
energía eléctrica se tienen las siguientes consideraciones:
La producción de energía eléctrica constituye la mayor utilización de la fuente de energía
primaria.
La fuente de energía primaria representa la materia prima de la producción de la energía
eléctrica y su selección incide de una manera determinante sobre el costo de producción de la
energía eléctrica.
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FUENTE DE ENERGIA PRIMARIA
ENERGIATERMICA
ENERGIAPOSICION
ENERGIAMECANICA
ENERGIAELECTRICA
FIG. 1.1 FUENTE PRIMARIA Y CONVERSION DE ENERGIA
PETROLEO GAS NATURAL HIDRAULICA
Las fuentes primarias que son económicamente factibles para producir energía eléctrica son
la hidráulica y de los combustibles fósiles.
a. ENERGIA HIDRAULICA
La economía de la energía hidráulica depende de la posibilidad de obtener instalaciones de bajo
costo específico. La única forma de utilizar la energía hidráulica es transformándola en energía
eléctrica, porque solo de esta manera se tiene la posibilidad de transportarla económicamente a
grandes distancias y distribuirla. Además la energía hidráulica es una fuente que se renova
anualmente y de esta manera constituye un recurso renovable.
La conveniencia económica de utilizar una fuente hidráulica para producir energía eléctrica
depende de las características hidrológica y orográfica. La mayor ventaja es para las fuentes de
grandes caudales con distribución regulada en el tiempo. La fuente hidráulica de caudal irregular
requiere para su regulación de un embalse para almacenar el agua, lo cual incrementa
significativamente el costo de la instalación.
La alta inversión que la instalación hidroeléctrica requiere constituye un impedimento para un
rápido desarrollo de las fuentes hidráulicas.
b. ENERGIA DE LOS COMBUSTIBLES FOSILES
En la selección de los combustibles fósiles influye principalmente el precio del combustible, el
costo de la instalación y los costos de operación y mantenimiento.
3
El costo del combustible fósil depende del mercado, es decir de la oferta y la demanda. Para
producir energía eléctrica es mejor utilizar combustible líquido pesado y gas natural, porque la
utilización para producir la energía termoeléctrica es la más remunerada.
1.3 DEMANDA DE ENERGIA ELECTRICA
a. DIAGRAMA DE CARGA
La producción de energía eléctrica se debe adecuar instante a instante a la demanda de la carga.
Se define como diagrama de carga la curva que relaciona la potencia que demanda la carga en
función del tiempo. La curva de carga se la presenta en la Fig. 1.2.
b. FACTORES DE SERVICIO
Los factores de servicio relacionados con la curva diaria de carga son los siguientes:
Factor de carga
Factor de planta
Factor de demanda
4
P[MW]
3 6 9 12 15 18 21 24
PMIN PMEDIA
PMAX.
t[HORAS]
FIG. 1.2 CURVA DIARIA DE CARGA
POTENCIA INSTALADA GENERACION
FACTOR DE CARGA
El factor de carga mide el grado de utilización de la demanda máxima de la carga.
Para determinar el factor de carga se calcula la potencia media, Pmedia es:
Donde:
KWh = energía suministrada en el tiempo T
El factor de carga establece una medida de la característica de la carga:
Para una planta eléctrica es desfavorable que el factor de carga sea pequeño porque esto indica
que a pesar de tener la planta una capacidad igual a la demanda máxima de la carga, la planta
operará solamente un corto tiempo en el día a plena carga y en el resto del día la planta
desaprovecha capacidad instalada de generación.
FACTOR DE PLANTA
El factor de planta es la relación entre la demanda media y la capacidad instalada de generación.
FACTOR DE DEMANDA
El factor de demanda es la relación entre la demanda máxima y la capacidad instalada de
generación.
Para disponer de la capacidad de reserva es necesario que la capacidad instalada de generación
sea superior a la demanda máxima.
5
c. CURVA DE DURACION DE LA CARGA
De la curva diaria de carga se obtiene la curva de duración de la carga y sirve para programar la
utilización de las instalaciones de generación y para realizar la previsión del futuro
requerimiento de energía y potencia. La curva de duración de la carga se presenta en la Fig. 1.3
De acuerdo a la curva de duración de la carga, para satisfacer la energía que requiere la demanda
se puede considerar dos alternativas:
ALTERNATIVA A
Utilizar una sola planta eléctrica y esta debe tener una capacidad nominal igual a la demanda
máxima. La planta opera con la capacidad nominal solamente un corto tiempo al año y en el
resto del tiempo se desaprovecha la capacidad instalada de generación.
ALTERNATIVA B
Lo más adecuado es suministrar la energía eléctrica que requiere la demanda con dos plantas
eléctricas. Una planta que suministre la energía de punta, y se caracteriza por ser de pequeña
capacidad, bajo costo de inversión y alto costo de operación y mantenimiento, por ejemplo la
planta a gas es de punta. La otra planta suministra la energía de base que es constante y
continua durante el año, y se caracteriza por ser de gran capacidad, elevado costo de 6
2000 4000 6000 80008760
Pmax
P[MW]
ENERGIAPUNTA
ENERGIA BASE
t [HORAS]
FIG. 1.3 CURVA DE DURACION DE LA CARGA
inversión y bajo costo de operación y mantenimiento, por ejemplo las plantas hidráulica y
térmica a vapor son de base.
La planta de reserva, tiene por objetivo sustituir total o parcialmente a la planta de base en caso
de mantenimiento preventivo o correctivo, pero usualmente la planta de reserva tiene una
capacidad igual al 15% de la demanda máxima.
La capacidad de reserva es de dos tipos:
Reserva fría que corresponde a la generación que entra en servicio para sustituir a las plantas
en indisponibilidad por mantenimiento preventivo o correctivo.
Reserva rodante que corresponde a la generación en giro que sustituye a las plantas que salen
de servicio por mantenimiento correctivo.
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LA INDUSTRIA DE LA PRODUCCION DE ENERGIA ELECTRICA
CAPITULO II
INDUSTRIA DE LA ENERGIA HIDROELECTRICA
2.1 INTRODUCCION
En la planta hidroeléctrica se realiza la producción de la energía eléctrica utilizando una caída de
agua, la cual es presentada en la Fig. 2.1.
En la caída de agua de la producción hidroeléctrica se tiene la siguiente conversión de energía:
2.2 ENERGIA DE UN RECURSO HIDRAULICO8
EL AGUA TIENE LA ENERGIA DE POSICION
LA ENERGIA DE PRESION SE CONVIERTE EN ENERGIA MECANICA
LA ENERGIA MECANICA SE CONVIERTE EN ENERGIA ELECTRICA
CHIMENEA:
TURBINA:
GENERADOR:ELECTRICO
LA ENERGIA DE POSICION SE CONVIERTE EN ENERGIA DE PRESIONTUBERIA DE PRESION:
Embalse
Presa
FIG. 2.1 CAIDA DE AGUA DE LA PRODUCION HIDROELECTRICA
Chimenea
Canal de derivación
Tubería de presión
TurbinaGeneradorEléctrico A
BC
ωm
Te
Tm
a. ENERGIA DISPONIBLE DE UN RECURSO HIDRAULICO
Se considera la energía disponible E de un punto P de un elemento de caída de agua, el cual es
presentado en la Fig. 2.2.
De acuerdo al principio de conservación de la energía, en el punto P se tiene la siguiente energía:
Donde:
Energía de posición = Z
Z = altura del punto P desde el nivel de referencia [mt]
Energía de presión =
p = presión del agua en el punto P [Kg/mt²]
9
E
Z
P
Nivel de referencia
X
FIG. 2.2 ENERGIA DE UN PUNTO DE UN ELEMENTO DE CAIDA DE AGUA
g2
2
X
p
Nivel del agua
γ = peso especifico del agua [Kg/mt³]
Energía cinética =
= velocidad del agua en el punto P [mt/seg]
g = aceleración de la gravedad [mt/seg²]
La energía disponible E entre dos puntos de un elemento de caída de agua, es presentado en la
Fig. 2.3.
La energía E existente entre los puntos 1 y 2 es:
Donde:
10
Z1
Z2
H
Nivel de referencia
1
2
FIG. 2.3 ELEMENTO DE CAIDA DE AGUA
Z = altura [mt]
p = presión [Kg/mt²]
γ = peso específico [Kg/mt³]
= velocidad [mt/seg]
g = 9.8 aceleración de la gravedad [mt/seg²]
, coeficiente de coriolis y su valor depende de la turbulencia del agua
En el recurso hidráulico se considera:
La velocidad del agua en los dos puntos tiene una variación mínima, por lo tanto:
La presión del agua en los dos puntos tiene una variación mínima, es decir:
Por lo cual:
b. MAXIMA RECUPERACION DE LA ENERGIA PRIMARIA
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Para recuperar al máximo la energía primaria del recurso hidráulico es necesario que el agua
fluya por un trazado artificial, reduciendo al mínimo las pérdidas.
El trazado artificial se presenta en la Fig. 2.4.
El trazado artificial del flujo de agua permite lo siguiente:
Conservar casi toda la energía de posición del agua entre A y B.
Transformar la energía de posición en energía de presión entre B y C.
Transformar la energía de presión en energía mecánica en C, y luego esta en energía
eléctrica.
Siguiendo el trazado artificial del flujo de agua, el perfil hidráulico del recurso hidroeléctrico se
presenta en la Fig. 2.5.
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A B
C
Trazado artificial
Curso del río
FIG. 2.4 TRAZADO ARTIFICIAL DEL FLUJO DE AGUA
Tubería de desagüe
~
Chimenea de equilibrio
Embalse
Presa
Canal de derivación Tubería de presión
Turbina
FIG. 2.5 PERFIL HIDRAULICO DEL RECURSO HIDROELECTRICO
De acuerdo al perfil hidráulico del recurso hidroeléctrico, los elementos son los siguientes:
Embalse, el lugar donde se almacena el agua.
Presa, la construcción que sirve para almacenar el agua en el embalse.
Canal de derivación, conduce el agua al lugar apropiado para la caída forzada a través de la
tubería de presión.
Chimenea de equilibrio, sirve para amortiguar las sobrepresiones y bajapresiones en la
tubería de presión que se originan por la aceleración y desaceleración del agua, como
consecuencia de las variaciones de la carga.
Tubería de presión, conducción forzada del agua a las turbinas.
Turbina, la máquina que sirve para transformar la energía de presión en energía cinética y
ésta en energía mecánica.
Tubería de desagüe, conduce el agua que sale de las turbinas nuevamente al río.
2.3 POTENCIA DE UN RECURSO HIDRAULICO
La potencia de un recurso hidráulico es función de la altura útil y el caudal de agua del recurso.
a. ALTURA UTIL DE UN RECURSO HIDRAULICO
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La potencia de un recurso hidráulico no es función de la altura total del recurso, debido a que
hay pérdidas de altura en cada uno de los elementos del perfil hidráulico. Las pérdidas de altura
se presentan en la Fig. 2.6.
Las alturas del recurso hidráulico son las siguientes:
HT = Altura total, corresponde a la diferencia de altura entre las cotas máxima y mínima del
recurso, es decir la diferencia de altura entre el sitio donde se inicia el recurso y el lugar
donde se realiza el desagüe del agua.
HB = Altura bruta, corresponde a la diferencia de nivel entre la chimenea y el final de la tubería
de aspiración.
HN = Altura neta, corresponde a la altura que es utilizada para determinar la potencia eléctrica
del recurso hidráulico.
Las pérdidas de altura del recurso hidráulico son las siguientes:
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Embalse
~ Turbina
Tubería de presión
Chimenea
Canal de derivación
Tubería de aspiración
Tubería de desagüe
Presa
H4+H5+H6
HNHB
H7
H2+H3
H1
HT
FIG. 2.6 PERDIDAS DE ALTURA DEL RECURSO HIDRAULICO
H1 = Pérdida de altura en el embalse, la superficie de agua en el embalse no es horizontal, sino
que tiene una forma curva que va disminuyendo de pendiente a medida que se aproxima a
la presa, lo que da una pérdida de altura.
H2 = Pérdida de altura en el canal de derivación, desde la presa el agua entra al canal de
derivación y se tiene pérdidas de altura por rozamiento del agua, la cual es variable de
acuerdo a la pendiente del canal, la sección de contacto del agua y la rugosidad de las
paredes del canal.
H3 = Pérdida de altura en la chimenea, se dispone en la chimenea una rejilla para detener los
elementos extraños e impedir su entrada a la tubería de presión, al atravesar la rejilla el
agua sufre rozamiento que equivale a pérdida de altura.
H4 = Pérdida de altura en la tubería de presión, el agua en la tubería de presión produce pérdidas
de altura por rozamiento, cambio de sección y cambio de dirección del agua.
H5 = Pérdida de altura en la turbina, se producen pérdidas de altura por rozamiento del agua con
los elementos de la turbina.
H6 = Pérdida de altura en la tubería de aspiración, se produce pérdida de altura por rozamiento
del agua con la pared interior de la tubería.
H7 = Pérdidas de altura en la tubería de desagüe, se produce pérdida de altura por rozamiento del
agua con la pared de contacto.
De acuerdo a la altura neta el recurso hidráulico es:
Baja caída : menor a 50 mt
Media caída: de 50 mt a 250 mt
Alta caída : mayor a 250 mt
b. DIAGRAMA DEL CAUDAL DE AGUA
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El diagrama del caudal de agua en el tiempo suministra los criterios básicos para determinar la
potencia del recurso hidráulico. Normalmente se tienen la curva cronológica, que presenta el
caudal instantáneo en el tiempo y la curva de duración del caudal, que da el caudal de manera
decreciente.
Las curvas cronológica y de duración del caudal de agua se presentan en la Fig. 2.7
La potencia del recurso hidráulico se basa principalmente en la selección del caudal máximo
utilizable.
El caudal de agua de un recurso hidráulico varia significativamente de un año a otro, de acuerdo
a los niveles de precipitaciones anuales de agua, por lo cual para no cometer errores se tiene que
considerar un número suficientemente significativo de años para determinar las curvas
cronológica y de duración del recurso hidráulico.
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FIG. 2.7 CURVAS CRONOLOGICA Y DE DURACION DEL CAUDAL DE AGUA
8760 8760
AGUAUTILIZADA
AGUAUTILIZADA
AGUA NOUTILIZADA
CURVA CRONOLOGICA CURVA DE DURACION
QmaxQmax
Qmin
Q[mt³/seg] Q[mt³/seg]
t [HORAS] t [HORAS]
Qmin
La media de un periodo de tiempo significativo es la media normal, y si se utiliza el caudal
medio normal para realizar las curvas cronológica y de duración del recurso hidráulico, es
definitivamente desde el punto de vista cuantitativo y cualitativo, la mejor referencia del caudal
de agua para determinar la potencia del recurso hidráulico.
De acuerdo a las curvas cronológica y de duración es posible utilizar un recurso hidráulico entre
el caudal mínimo y el caudal máximo. Para el caso de caudal mínimo el recurso hidráulico puede
operar todo el año y para el caso de caudal máximo solo se lo utilizará en el tiempo de caudal
máximo.
De acuerdo al caudal de agua el recurso hidráulico es:
Pequeño caudal: hasta 10 mt3/seg
Medio caudal : de 10 mt3/seg a 100 mt3/seg
Gran caudal : mayor a 100 mt3/seg
c. POTENCIA DEL RECURSO HIDRAULICO DE CAUDAL LIBRE
La potencia del recurso hidráulico es directamente proporcional al caudal de agua.
El recurso hidráulico de caudal libre utiliza en cada momento la cantidad de agua disponible del
recurso.
En la práctica el aspecto económico es el que determina la potencia del recurso de caudal libre,
para lo cual se considera la Fig.2.8.
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En la Fig.2.8 se seleccionan tres caudales posibles Q1, Q2 y Q3 y se determinan los costos, los
beneficios y las rentabilidades para cada caudal.
Los costos corresponden al capital de inversión y los gastos de operación y mantenimiento. Los
beneficios provienen de la producción de la energía eléctrica y su venta. Las rentabilidades se las
obtienen de restar los beneficios y los costos.
En la Fig.2.8 a medida que se aumenta el caudal se incrementa el costo del proyecto y a medida
que se aumenta el caudal se incrementa el beneficio pero este tiende a mantenerse por el precio
del KWH.
Para determinar la potencia del recurso hidráulico de caudal libre se selecciona el caudal que da
la máxima rentabilidad del proyecto, siendo esta:
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RENTABILIDAD
COSTO
BENEFICIO
FIG. 2.8 SELECCION DEL CAUDAL DEL RECURSO DE CAUDAL LIBRE
Q[mt³/seg]
RENTABILIDAD = BENEFICIO - COSTO
VALOR [$]
Qmax
Q1 Q2 Q3
PN = 9,81 x Qmax x HN [KW]
Donde:
PN = potencia neta [KW]
Qmax = caudal de agua que da la máxima rentabilidad [mt³/seg]
HN = altura neta del recurso hidráulico [mt]
d. POTENCIA DEL RECURSO HIDRAULICO CON REGULACION
La potencia del recurso hidráulico es directamente proporcional al caudal de agua. En los
recursos hidráulicos existe el factor de utilización anual del recurso FU, que relaciona el
volumen de agua utilizado en las turbinas y el volumen de agua total que durante el año puede
suministrar el recurso.
La condición ideal es que F.U. 1, pero esto no es posible debido a que los períodos de caudal
máximo no siempre coinciden con los de demanda máxima de energía. Para aumentar el factor
de utilización se tiene que embalsar el agua sobrante en los períodos de demanda mínima y
tenerla disponible para cuando la demanda se incremente. Para lo cual se tiene que disponer de
un embalse para almacenar el agua, es decir realizar la regulación del recurso hidráulico y esta
regulación puede ser anual, semanal y diaria.
En la regulación anual se almacena en el embalse el agua sobrante de los meses de demanda
mínima para utilizarla en los meses de demanda máxima.
En la regulación semanal se almacena en el embalse el agua sobrante de los días sábados,
domingos y días festivos para utilizarla en los días laborables.
En la regulación diaria se almacena en el embalse el agua sobrante de las horas de demanda
mínima de la noche, para utilizarla en las horas de demanda máxima.
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En el recurso hidráulico con regulación para determinar la cantidad y la calidad de la producción
de energía eléctrica depende de dos variables, el caudal máximo y el volumen de agua del
embalse.
Para determinar el volumen de agua del embalse, se considera en la Fig. 2.9 el volumen de agua
que da el recurso y el volumen de agua que utiliza la turbina.
El volumen de agua del embalse es igual a la máxima diferencia entre el volumen de agua de la
turbina y el caudal mínimo del período de estiaje del recurso.
El caudal de agua esta dado por la pendiente de la línea del volumen de agua de la turbina.
Para determinar la potencia del recurso hidráulico se tiene que considerar la regulación del
recurso, es decir que tiempo se utiliza la potencia máxima instalada que corresponde al caudal
máximo. En la práctica se estima entre 1000 y 4000 horas al año, el tiempo de utilización de la
potencia máxima instalada, lo cual se presenta en la Fig. 2.10.
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VOLUMEN [mt³]
3 6 9 121 82 4 t [meses]5 7 10 11
VOLUMEN AGUA RECURSO
VOLUMEN AGUA TURBINA
FIG. 2.9 VOLUMEN DEL EMBALSE
PERIODOESTIAJE
VOLUMEN AGUA EMBALSE
Para determinar la potencia del recurso hidráulico con regulación se utiliza la siguiente
expresión:
PN = 9,81 x Q x HN [KW]
Donde:
PN = potencia neta [KW]
Q = caudal de agua para la regulación considerada [mt³/seg]
HN = altura neta del recurso hidráulico [mt]
2.4 MAQUINARIA HIDRAULICA
La turbina es la máquina hidráulica que aprovecha la energía producida por el movimiento del
agua al desplazarse entre dos alturas. En la turbina se tiene que considerar principalmente lo
siguiente:
Velocidad de la turbina
Velocidad específica de la turbina
21
2000 4000 6000 8000 8760
Pmax
P [MW]
t [horas]
FIG. 2.10 CURVA DE DURACION DE LA CARGA
1000 3000 5000 7000
100 %
Pmin
La clasificación de las turbinas hidráulicas se ha reducido a tipos de características muy
definidas y que llevan el nombre de sus primeros diseñadores y constructores y son las
siguientes:
Turbina Pelton
Turbina Francis
Turbina Kaplan
a. VELOCIDAD DE LA TURBINA
Las turbinas hidráulicas trabajan a velocidades bajas, en contraste de las turbinas de vapor y gas
que operan a altas velocidades.
Como la mayoría de las turbinas se diseñan y construyen para accionar directamente los
generadores eléctricos, su velocidad es la velocidad del generador:
Donde:
n = velocidad de la turbina [RPM]
f = frecuencia [cps]
P = número de polos
Las turbinas hidráulicas son diseñadas para soportar sobrevelocidades muy superiores a las de
trabajo normal, estas sobrevelocidades corresponden cuando el generador esta en vacío y el
distribuidor completamente abierto. La sobrevelocidad de prueba en fáfrica podría ser el 180%
de la velocidad normal.
b. VELOCIDAD ESPECIFICA DE LA TURBINA
La velocidad específica de la turbina es el número de revoluciones por minuto que tiene que dar
el rodete para desarrollar 1 HP y a una altura de 1 mt, y es el índice para determinar en cada
proyecto el tipo de turbina más apropiado.
La velocidad específica es:
22
Donde:
nS = velocidad específica de la turbina [RPM]
n = velocidad de la turbina [RPM]
HP = potencia de la turbina [HP]
HN = altura neta del recurso hidráulico [mt]
En efecto, según pruebas efectuadas en el laboratorio, las turbinas tienen buen rendimiento
solo entre ciertos límites de su velocidad específica. Por ello la velocidad específica sirve
para la elección de la turbina más conveniente.
Por ejemplo en la Fig. 2.11, si se tienen 3 turbinas distintas que tienen igual HP, para el
mismo proyecto hidráulico es decir para la misma altura neta HN y de diferentes velocidades.
La turbina A es al que tiene la mejor característica de rendimiento, por lo tanto es la más
conveniente.
c. TURBINA PELTON
23
25% 50% 75% 100%
100%
Q
95%
FIG. 2.11 CARACTERISTICAS DE RENDIMIENTO DE LAS TURBINAS EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA
A
B
C
La turbina Pelton esta constituida esencialmente de un rodete y la tobera, el rodete tiene una
serie de álabes en forma de cuchara que reciben el impulso de los chorros de agua lanzados por
una o más toberas, y como consecuencia el rodete gira. En el interior de la tobera se encuentra
una pieza especial o aguja cuya forma es de punta de lanza, y al desplazarse la aguja hacia
delante o hacia atrás puede regular el caudal del chorro de agua que sale por la tobera, de
acuerdo a las condiciones de carga del generador eléctrico.
Para aumentar la velocidad de la turbina, debido que los generadores eléctricos de mayor
velocidad son más económicos, para ello se construyen las turbinas Pelton de dos o más toberas
o también de dos o más rodetes.
Las turbinas de pequeña potencia se construyen en una sola pieza rodete y álabes. Las turbinas
de mediana y gran potencia tienen los álabes sujetos al rodete por medio de pernos.
La turbina Pelton se presenta en la Fig. 2.12.
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Tubería Tobera
Alabe
Rodete
[A]
Aguja
X
Alabe
FIG. 2.12 TURBINA PELTON [A] CONSTITUCION DE LA TURBINA PELTON [B] TOBERA DE LA TURBINA PELTON
Tobera
[B]
La energía de posición del agua, debido a la altura neta HN, se convierte en energía cinética en la
tobera y es:
Ec = m ² [Kgmt/seg]
Donde:
Ec = energía cinética [Kgmt/seg]
m = masa del caudal de agua [Kg]
= velocidad del caudal de agua que sale de la tobera
para impactar sobre los alabes del rodete [mt/seg]
Para obtener la potencia mecánica en el eje de la turbina, a partir de la potencia correspondiente
a la energía cinética del agua que sale de la tobera, se tiene que considerar el rendimiento de la
turbina.
La potencia mecánica en el eje de la turbina es la siguiente:
Pm = 9,81 x Q x HN x ηT [KW]
Donde:
Pm = potencia mecánica en el eje de la turbina [KW]
Q = caudal de agua [mt³/seg]
HN = altura neta del recurso hidráulico [mt]
25
ηT = rendimiento de la turbina
La característica de rendimiento de las turbina Pelton, se presenta en la Fig. 2.13.
La turbina Pelton tiene una buena característica de rendimiento entre el 30% y 100% del caudal,
por lo tanto en plantas equipadas con este tipo de turbinas es conveniente instalar el menor
número de unidades.
d. TURBINA FRANCIS
La turbina Francis esta constituida principalmente por el distribuidor y el rodete. El distribuidor
tiene una serie de álabes movibles de control que sirven para regular el caudal de agua que entra
al rodete, cada álabe se mueve sobre un pivote de tal forma que llegan a tocarse en la posición de
cerrado en cuyo caso no entra agua al rodete, y tienen sus caras casi paralelas en la posición de
totalmente abierto en cuyo caso el caudal de agua que entra al rodete es máximo.
El conjunto de álabes móviles del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil al que
están unidos todos los álabes y este anillo móvil es accionado por el regulador de velocidad de la
turbina.
26
25% 50% 75% 100%
100%
Q [mt³/seg]
30%
FIG. 2.13 CARACTERISTICA DE RENDIMIENTO DE LA TURBINA PELTON
El rodete tiene una serie de álabes fijos que reciben el impacto de los chorros de agua del
distribuidor, y como consecuencia el rodete gira.
La turbina Francis se presenta en la Fig. 2.14.
La energía de posición del agua, debido a la altura neta HN, se convierte en energía cinética en la
entrada a la turbina y es:
Ec = m ² [Kgmt/seg]
Donde:
Ec = energía cinética [Kgmt/seg]
27
FIG. 2.14 TURBINA FRANCIS [A] CONSTITUCION DE LA TURBINA FRANCIS [B] TURBINA FRANCIS DESARROLLADA
RODETE
DISTRIBUIDOR
X
[B]
Alabe móvil
Cámara de descarga
Rodete
Distribuidor
Alabe fijo
Eje
Tubería
[A]
m = masa del caudal de agua [Kg]
= velocidad del caudal de agua que entra a la turbina [mt/seg]
Para obtener la potencia mecánica en el eje de la turbina, a partir de la potencia correspondiente
a la energía cinética del agua que entra al distribuidor, se tiene que considerar el rendimiento de
la turbina.
La potencia mecánica en el eje de la turbina es la siguiente:
Pm = 9,81 x Q x HN x ηT [KW]
Donde:
Pm = potencia mecánica en el eje de la turbina [KW]
Q = caudal de agua [mt³/seg]
HN = altura neta del recurso hidráulico [mt]
ηT = rendimiento de la turbina
La característica de rendimiento de la turbina Francis, se presenta en la Fig. 2.15.
28
25% 50% 75% 100%
100%
Q [mt³/seg]
60%
FIG. 2.15 CARACTERISTICA DE RENDIMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS
La turbina Francis tiene una buena característica de rendimiento entre el 60% y 100% del caudal,
lo que quiere decir que la operación óptima es solamente cuando la carga es mayor del 60%.
e. TURBINA KAPLAN
La turbina Kaplan está constituida esencialmente por el distribuidor y el rodete. El distribuidor
tiene una serie de alabes fijos.
El rodete tiene una serie de alabes móviles que reciben el impacto de los chorros de agua del
distribuidor y como consecuencia el rodete gira. Un dispositivo especial de accionamiento
alojado en el interior del eje de la turbina es el que acciona los alabes del rodete de acuerdo a las
condiciones de carga del generador eléctrico.
La turbina Kaplan se presenta en la Fig. 2.16.
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Alabe fijo
Tubo de aspiración
Cámara de descarga Distribuidor
Alabe móvil
Rodete
[A]
La energía de posición del agua, debido a la altura neta HN, se convierte en energía cinética en la
entrada a la turbina y es:
Ec = m ² [Kgmt/seg]
Donde:
Ec = energía cinética [Kgmt/seg]
m = masa del caudal de agua [Kg]
= velocidad del caudal de agua que entra a la turbina [mt/seg]
30
RODETE
DISTRIBUIDOR
X
CAMARA DE CARGA
[B]
FIG. 2.16 TURBINA KAPLAN [A] CONSTITUCION DE LA TURBINA KAPLAN [B] TURBINA KAPLAN DESARROLLADA
Para obtener la potencia mecánica en el eje de la turbina, a partir de la potencia correspondiente
a la energía cinética del agua que entra al distribuidor, se tiene que considerar el rendimiento de
la turbina.
La potencia mecánica en el eje de la turbina es la siguiente:
Pm = 9,81 x Q x HN x ηT [KW]
Donde:
Pm = potencia mecánica en el eje de la turbina [KW]
Q = caudal de agua [mt³/seg]
HN = altura neta del recurso hidráulico [mt]
ηT = rendimiento de la turbina
La característica de rendimiento de las turbina Kaplan, se presenta en la Fig. 2.17.
La turbina Kaplan tiene una buena característica de rendimiento entre el 30% y 100% del caudal,
por lo tanto en plantas equipadas con este tipo de turbinas es conveniente instalar el menor
número de unidades.
31
25% 50% 75% 100%
100%
Q[mt³/seg]
30%
FIG. 2.17 CARACTERISTICA DE RENDIMIENTO DE LA TURBINA KAPLAN
f. SELECCION DE LA TURBINA
La selección de la turbina más conveniente para un proyecto hidroeléctrico determinado se lo
realiza en función de la altura neta y la velocidad especifica.
Así por ejemplo se tiene en la Fig. 2.18 el diagrama para la selección de la turbina:
Para seleccionar la turbina más conveniente se tiene que considerar lo siguiente:
Los generadores eléctricos de mayor velocidad son de menor costo, debido a sus devanados
más sencillos y más fáciles de montar, por lo tanto resulta ventajoso elegir una turbina de
mayor velocidad específica.
La turbina Kaplan es más costosa que la Francis y la velocidad específica de la turbina
Kaplan es mayor de la turbina Francis, por lo cual se tiene que realizar un estudio técnico-
económico comparativo del generador – turbina.
32
ns [RPM]100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
100
500
2000HN [mt]
270
Pelton
1 Tobera2 Toberas4 Toberas
KaplanlentaF
ran
cis
len
ta
Fra
nci
s n
orm
al
Fra
nci
s rá
pid
a
Fra
nci
s ex
tra
ráp
ida
Kap
lan
nor
mal
Kaplanrápida Kaplan
extra rápida
FIG. 2.18 DIAGRAMA PARA LA SELECCION DE LA TURBINA
En los proyectos hidráulicos de menos de 100 mt de altura, la experiencia ha demostrado que
es mejor instalar el menor número de unidades. En el caso de instalar una sola unidad, la
turbina Kaplan es la más adecuada.
En los proyectos hidráulicos de 100 a 400 mt de altura, es ventajoso utilizar la turbina
Francis, y se tiene que tomar en cuenta su característica de rendimiento para determinar el
número de unidades.
En los proyectos hidráulicos superiores a 400 mt de altura, se debe instalar turbinas Pelton.
Como estas turbinas tienen una buena característica de rendimiento, permite instalar un
reducido número de unidades.
La subdivisión de la capacidad del proyecto en dos o más unidades tiene como consecuencia
el incremento en el costo de la instalación.
Desde hace muchos años se ha prescindido de la disposición horizontal de la turbina. Con el
incremento de las capacidades de las turbinas, sus pesos cada día son mayores y hacen
preferible utilizar la disposición vertical, de más fácil apoyo a fin de eliminar las vibraciones.
Además los grupos horizontales exigen una mayor área:
Área de la casa de máquinas de la turbina vertical < 0,5 del área de la casa de máquinas de la
turbina horizontal.
El tubo de aspiración sirve de enlace entre la turbina y el canal de desagüe y para aprovechar
además la altura entre la turbina y el desagüe.
En las turbinas Pelton no tiene importancia la distancia entre el centro del rodete y el nivel de
agua del desagüe porque representa una altura pequeña en comparación con la altura total del
recurso. Pero para las turbinas Francis y Kaplan esta altura si es de importancia.
2.5 OBRAS CIVILES DEL RECURSO HIDROELECTRICO
Las principales obras civiles del recurso hidroeléctrico son las siguientes:
Presa Desagües de los embalses
33
Canal de derivación Chimenea Tubería de presión Casa de máquinas Canal de desagüe
a. PRESA
La presa es una construcción que se levanta sobre el lecho de un río para almacenar el agua en el
embalse, produciendo una elevación de su nivel.
La elección del tipo de presa depende de:
El precio y la facilidad de obtención de los materiales de construcción.
Las condiciones de solidez y compactación del suelo de la base.
La altura de la presa y la seguridad.
Los principales tipos de presas son los siguientes:
Presa de gravedad
Presa de arco simple
Presa de arco - gravedad
Presa de tierra
PRESA DE GRAVEDAD
Esta presa resiste el esfuerzo del agua en virtud de su propio peso. El perfil de la presa de
gravedad se presenta en la Fig. 2.19.
34
Embalse Dorso
Presa
Coronación
Talud
Base
FIG. 2.19 PRESA DE GRAVEDAD
La presa de gravedad esta constituida de la siguiente manera:
Dorso, es la parte que recibe los esfuerzos de la presión del agua. A veces es vertical y otras
ligeramente inclinada.
Talud, tiene una inclinación de 2 a 5 mt. de base por cada metro de altura. El perfil de la
presa debe ir ensanchándose hacia la parte inferior debido a que la presión del agua aumenta
con la profundidad.
Coronación, la parte superior de la presa es la coronación y cuya anchura es tal que sirve para
el tráfico peatonal y vehicular.
Base, tiene cimientos en forma de serrucho para agarrarse bien al terreno.
PRESA DE ARCO SIMPLE
Por lo general se instalan en lugares estrechos y de gran altura. La presa de arco simple se
presenta en la Fig. 2.20.
35
Estribo Presa
[A]
Embalse
Presa
FIG. 2.20 PRESA DE ARCO SIMPLE [A] VISTA EN PLANTA [B] VISTA EN PERFIL
[B]
La presa de arco simple es de una economía importante, pues necesita una cantidad de hormigón
armado menor que la presa de gravedad, por lo cual su estudio y cálculo debe ser mucho más
profundo para que los esfuerzos de la presión del agua se transmitan debidamente a los estribos.
PRESA DE ARCO GRAVEDAD
Esta presa resiste los esfuerzos de la presión del agua en parte por el peso y en parte por el arco.
Es el tipo de presa que más garantiza la seguridad.
PRESA DE TIERRA
La presa de tierra resiste el esfuerzo del agua por su propio peso. El diseño y la construcción de
la presa de tierra deben satisfacer que el suelo y la presa sean impermeables.
La presa de tierra, generalmente se la utiliza en los proyectos que no son exclusivamente
hidroeléctricos, sino que además sirven para irrigación y el control de las inundaciones.
b. DESAGUES DE LOS EMBALSES
Los desagües de los embalses son los siguientes:
Aliviadero
Tomas de agua
Desagüe de fondo
ALIVIADERO
Se utiliza el aliviadero para proporcionar adecuada salida del agua sobrante en el embalse, la
cual puede determinar una excesiva elevación del nivel máximo, poniendo en peligro la
estabilidad de la presa.
Los aliviaderos son de dos tipos:
36
Aliviadero de superficie
Aliviadero de coronación
Aliviadero de superficie.-
El agua sobrante se devuelve al río, aguas abajo de la presa, por medio de canales de descarga
que son abiertos, excavados en la roca o en tubería.
El aliviadero de superficie se presenta en la Fig. 2.21.
Aliviadero de coronación.-
Es el que se dispone en la coronación de la presa en forma de vertedero. Este procedimiento
resulta más económico, pero la presa debe cimentarse sobre terreno consistente o sólido para
evitar la erosión en la base de la presa por efectos de la energía cinética del agua vertiente. El
agua se la debe verter de una manera amortiguada.
El aliviadero de coronación se presenta en la Fig. 2.22.
37
Embalse Presa
Vertedero
FIG. 2.22 ALIVIADERO DE CORONACION
Agua sobrante
FIG. 2.21 ALIVIADERO DE SUPERFICIE
Canal de descarga
Presa
TOMAS DE AGUA
Las tomas de agua sirven para conducir el agua del embalse y llevarla a las turbinas. El número
y capacidad de las tomas de agua de un embalse depende del volumen del embalse, de la
capacidad de la central y de la profundidad del agua.
Por lo general se disponen varias tomas de agua si el embalse es grande y la central es de gran
capacidad.
La disposición de las tomas de agua en los embalses con presa de hormigón depende de la altura
del recurso así para recursos de poca altura y que la casa de máquinas se la instala cerca de la
presa, la toma de agua se hace a través de la presa, y en los recursos de gran altura se aprovechan
las obras ya realizadas para la desviación de las aguas.
Las tomas de agua se la presentan en la Fig. 2.23.
38
Casa de Máquinas
~Embalse
Presa
Toma de agua
[A]
DESAGÜE DE FONDO
Los desagües de fondo sirven para vaciar casi totalmente el embalse y realizar la limpieza
periódica de la sedimentación, como esto significa la paralización de la central, el desagüe de
fondo se construye a un nivel superior al del fondo del cauce y queda siempre una cierta
profundidad del embalse que no se desagua nunca.
El desagüe de fondo se presenta en la Fig. 2.24.
39Embalse
Presa
Desagüe fondo
FIG. 2.24 DESAGUE DE FONDO
~
~
Presa
Canal derivaciónToma de agua
Chimenea
Tubería Presión
Casa máquinas
FIG. 2.23 TOMAS DE AGUA [A] TOMA DE AGUA PARA RECURSO DE PEQUEÑA ALTURA
[B] TOMA DE AGUA PARA RECURSO DE GRAN ALTURA
[B]
c. CANAL DE DERIVACION
El canal de derivación se lo utiliza para conducir el agua desde el embalse hasta la chimenea,
con el mínimo de pérdidas. Para evitar filtraciones en el terreno, al canal de derivación se lo
reviste interiormente de hormigón armado, hormigón en masa o mampostería.
En el canal de derivación se consideran tres parámetros la longitud, la sección y la pendiente. La
función de costo anual del canal de derivación que relacionan estos parámetros es la siguiente
expresión:
FUNCION COSTO ANUAL = COSTO CANAL + COSTO PERDIDA DE ALTURA
COSTO CANAL = lC(i + d + u + s + imp)
COSTO PERDIDA DE ALTURA = pE2CE
E2 = 9.81*8760*Q*H2
FUNCION COSTO ANUAL = lC(i + a + u + s + imp) + pE2CE
Donde:
l = longitud del canal [mt]
C = costo del canal [$/mt]
i = interés o costo del capital [%]
u = utilidad [%]
s = seguros [%]
imp = impuestos [%]
d = depreciación [%]
40
p = pendiente del canal
E2 = pérdida de energía en el canal de derivación [KWH/año]
Q = caudal del agua [mt³/seg]
H2 = pérdida de altura en el canal de derivación [mt]
CE = precio de la energía [$/KWH]
La selección adecuada de la longitud, la sección y la pendiente hacen mínimo la función de
costo.
El canal de derivación es de los siguientes tipos:
Canal en desmonte Canal en túnel
CANAL EN DESMONTE
Este canal se lo obtiene excavando el terreno, solución que es la más segura desde el punto de
vista de la estabilidad y también para minimizar las filtraciones.
El canal de desmonte se presenta en la Fig. 2.25.
41FIG. 2.25 CANAL EN DESMONTE
CANAL EN TUNEL
El canal en línea (horizontal) es la que daría menos desarrollo y menos pérdida de salto. Esta
solución ideal casi nunca es posible porque hay que salvar los accidentes del terreno y deben
evitarse en lo posible los canales en terraplén que son caros. Lo que se hace es ajustar el canal a
la línea de pendiente del terreno que sea igual a la pendiente elegida para el canal y que se haga
un reducido movimiento de tierra.
En el origen del canal se dispone de un dispositivo que permite el paso controlado de agua de
acuerdo a la capacidad del canal.
El canal en túnel se presenta en la Fig. 2.26.
d. CHIMENEA
Se utiliza la chimenea para reducir los efectos de los golpes de ariete en la tubería de presión.
Golpe de ariete, es la variación de presión en una tubería por arriba o por debajo de la presión
normal, ocasionada por bruscas fluctuaciones del caudal. Cuando la carga del generador
disminuye bruscamente, el regulador automático de la turbina cierra la admisión de agua y los
efectos de inercia del agua provocan un golpe de ariete positivo, es decir, una sobrepresión
brusca en la tubería de presión. Cuando aumenta la carga, la turbina demanda más agua y el
42
FIG. 2.26 CANAL EN TUNEL
regulador abre la admisión provocando un golpe de ariete negativo o sea una depresión brusca
en la tubería de presión.
En las tuberías de presión de gran longitud estos golpes de ariete pueden ser importantes y
además en estas tuberías el agua toma más tiempo que en las de corta longitud en acelerarse o
desacelerarse lo necesario, para acoplar la velocidad del agua al nuevo régimen de carga.
Para evitar estos inconvenientes se utiliza la chimenea de equilibrio, que es un pozo vertical o
inclinado, abierto en la parte superior y ubicado lo más cerca posible a la turbina.
Cuando se produce un golpe de ariete positivo en la tubería de presión, el agua encuentra menos
resistencia a vencer debido a la chimenea y actúa sobre el agua de ésta, elevando su nivel y
produciendo una desaceleración del agua en la tubería de presión. Por el contrario, cuando se
produce un golpe de ariete negativo, baja el nivel del agua de la chimenea originándose una
aceleración del agua en la tubería de presión. Es decir la chimenea actúa como un condensador
en un circuito eléctrico, que impide las variaciones bruscas de tensión.
e. TUBERIA DE PRESION
La tubería de presión tiene por objeto conducir el agua desde la chimenea a las turbinas, para
transformar la energía potencial de posición que tiene el agua en la chimenea en energía
potencial de presión en la turbina.
El diámetro económico de la tubería de presión es el parámetro que hace mínimo a la función de
costo anual de la tubería de presión:
FUNCION COSTO ANUAL = COSTO TUBERIA PRESION + COSTO PERDIDA ALTURA
COSTO TUBERIA DE PRESION = CP(i + d + u + s + imp)
COSTO PERDIDA ALTURA = E4CE
43
E4 = 9.81x8760xQxH4
FUNCION COSTO ANUAL = CP(i + a + u + s + imp) + E4CE
Donde:
C = costo de la tubería de presión [$/Kg]
P = peso de la tubería de presión [Kg]
i = interés o costo del capital [%]
u = utilidad [%]
s = seguros [%]
imp = impuestos [%]
d = depreciación [%]
Q = caudal de agua [mt³/seg]
D = diámetro de la tubería de presión [mt]
l = longitud de la tubería de presión [mt]
CE = precio de la energía [$/KWH]
E4 = pérdida de energía en la tubería de presión [KWH/año]
H4 = pérdida de altura en la tubería de presión [mt]
El diámetro económico se determina por la intersección de las líneas de costo de la tubería de
presión y el costo de las pérdidas de altura. El diámetro económico de la tubería de presión se lo
presenta en la Fig. 2.27.
44
FUNCIONCOSTO
[$]
D [mt]Deconómico
COSTO TUBERIA DE PRESION
COSTO PERDIDA ALTURA
FIG. 2.27 DIAMETRO ECONOMICO DE LA TUBERIA DE PRESION
Cuando el recurso hidráulico es superior a los 15 mt. de altura se emplea la tubería de presión.
La solución ideal para unir las tuberías de presión a las turbinas es que cada turbina sea
alimentada por su propia tubería, cuando esto no es posible por el factor económico, es necesario
servir dos o más turbinas con una sola tubería de presión y se tiene que disponer de las
derivaciones necesarias para alimentar las turbinas, en cuyo caso habrá de disponerse un sistema
de seccionamiento para poder sacar de servicio cualquier turbina sin interrumpir el
funcionamiento de las demás.
Las derivaciones en ángulo recto son más sencillas en construcción, pero es preferible las
derivaciones curvas porque las pérdidas de presión son menores. La turbina de presión se
presenta en la Fig. 2.28
.
45
Derivación curva
FIG. 2.28 TUBERIA DE PRESION
Tubería de presión
Válvula de seccionamiento
Turbina
f. CASA DE MAQUINAS
En la casa de máquinas se montan las turbinas, los generadores eléctricos, el sistema auxiliar y
los sistemas de control, comando y protección de la planta de generación.
La casa de máquinas son de los siguientes tipos:
Al exterior
Subterránea
CASA DE MAQUINAS AL EXTERIOR
Estas se construyen sobre la superficie del terreno y conviene que la casa de máquinas esté lo
más cerca posible del punto en que las aguas derivadas tengan que regresar al río.
En las plantas de generación en que la altura se la obtiene exclusivamente con la presa del
embalse, lo mejor es situar la casa de máquinas cerca de la presa y se denomina planta de pie de
presa.
En otras ocasionas la casa de máquinas esta situada lejos del aprovechamiento hidroeléctrico,
esto sucede en los recursos de gran altura.
CASA DE MAQUINAS SUBTERRANEA
La casa de máquinas subterránea se la construye en el interior de la montaña.
La ventaja de esta casa de máquinas es la seguridad y además se la puede situar en el sitio más
conveniente, de acuerdo a la disposición general de la planta y permite disponer la tubería
forzada y la chimenea en el interior de la montaña.
Los inconvenientes son los siguientes:
46
No se puede disponer de grandes espacios, se tiene que usar una turbina de eje vertical.
Dificultad para el acceso de maquinaria durante los períodos de montaje y mantenimiento.
Posibilidad de filtraciones de agua.
Dificultad psicológica del personal, debido al problema de la claustrofobia.
La disposición de los equipos en el interior de la casa de máquinas es la siguiente:
Casa de máquinas de un piso: En el mismo piso se instalan la turbina, el generador y la
excitatriz, la turbina es de eje horizontal, esta disposición es para plantas de generación de
pequeña capacidad.
Casa de máquinas de dos pisos: En el primer piso se instala la turbina y en el segundo piso el
generador y la excitatriz, la turbina es de eje vertical, y esta disposición es para plantas de
generación de media capacidad.
Casa de máquinas de tres pisos: En el primer piso se instala la turbina, en el segundo el
generador y en el tercero la excitatriz, la turbina es de eje vertical y esta disposición es para
plantas de generación de gran capacidad.
g. CANAL DE DESAGÜE
Recoge el agua a la salida de la turbina para devolverla nuevamente al río en el punto
conveniente. A la salida de la turbina el agua tiene una velocidad importante y por lo tanto
poder erosivo y para evitar erosiones del piso o paredes hay que revestir cuidadosamente el
desemboque del agua.
47
LA INDUSTRIA DE LA PRODUCCION DE ENERGIA ELECTRICA
CAPITULO III
INDUSTRIA DE LA ENERGIA TERMOELECTRICA A VAPOR
3.1 INTRODUCCION
En la planta a vapor se realiza la producción de la energía termoeléctrica a vapor y se utiliza el
ciclo térmico de la Fig. 3.1.
48
A
B
C
QF
Generador Eléctrico
Caldera
Fuente térmica
Turbina
Condensador
Vapor
Vapor
Líquido
Agua
TmWm
Te
FIG. 3.1 CICLO TERMICO DE LA PRODUCCION TERMOELECTRICA A VAPOR
W
QC
En el ciclo de la producción termoeléctrica a vapor se tiene la siguiente conversión de energía:
3.2 UBICACION DE LA PLANTA A VAPOR
La ubicación de la planta a vapor se la realiza considerando un criterio de optimización global,
es decir el sector productivo, que es el mercado de la energía eléctrica, el aprovisionamiento del
combustible, la transmisión y distribución de la energía eléctrica y la disponibilidad de agua.
El primer factor que determina la ubicación de una industria es la obtención de la materia prima
y la colocación del producto en el mercado. Para la industria de la energía eléctrica la materia
49
LA FUENTE TERMICA (COMBUSTIBLE) PRODUCE ENERGIA TERMICA (CONTENIDA EN EL VAPOR)
LA ENERGIA TERMICA SE CONVIERTE EN ENERGIA MECANICA
LA ENERGIA MECANICA SE CONVIERTE EN ENERGIA ELECTRICA
CALDERA:
TURBINA:
GENERADOR:ELECTRICO
prima es el combustible y el producto es la energía eléctrica. El problema es ubicar la planta a
vapor para hacer mínimo el costo del transporte de combustible y de la energía eléctrica.
El costo del transporte de la energía eléctrica disminuye significativamente con el incremento de
voltaje.
El transporte de combustible puede ser continuo o discontinuo. El transporte de combustible es
continuo cuando se lo realiza por un oleoducto y es conveniente para plantas de gran capacidad y
de un alto factor de utilización, es decir para plantas a vapor que son de base.
El transporte de combustible discontinuo es el que se lo realiza con auto cisterna y en barco
cisterna, y es conveniente para plantas de baja capacidad y de pequeño factor de utilización, es
decir para plantas que son de punta.
De gran importancia para definir la ubicación de la planta a vapor es la disponibilidad de agua
para la refrigeración del condensador.
3.3 CICLOS AGUA – VAPOR
a. ENERGIA DEL CICLO AGUA – VAPOR
ENERGIA DE LA FUENTE TERMICA
En la producción de la energía termoeléctrica a vapor es fundamental determinar el calor QF que
entrega la fuente térmica al agua de la caldera para producir el vapor. Para determinar el calor QF
se requiere del concepto de la entropía.
50
Generalmente se calcula cambios de entropía de un fluido y por lo tanto se la define en función
de una variación.
Donde:
ΔS = variación de entropía [Btu/ºC]
ΔQ = variación de calor [Btu]
Tabsoluta = temperatura medida desde el cero absoluto [ºC]
La aplicación del concepto de la entropía a un sistema se lo presenta en la Fig. 3.2.
La aplicación del concepto de la entropía a la caldera se presenta en la Fig. 3.3.
51
Caldera
Fuente térmica
QF
Agua alimentación VaporT1 S1
T2
S2
[A] LA CALDERA
ds
1
2
S1
T1 T
S2
T2
S [Btu/ºC]
T [°C]
FIG. 3.3 APLICACION DE LA ENTROPIA A LA CALDERA [A] LA CALDERA [B] DIAGRAMA TEMPERATURA vs. ENTROPIA
[B]
QEntra
S1 S2
Q = QEntra – QSale
Q = calor que absorbe el sistema a la temperatura TS = S2 - S1
S = cambio de entropía
QSale
SistemaT
FIG. 3.2 APLICACION DEL CONCEPTO DE ENTROPIA A UN SISTEMA
Donde:
En el diagrama de la Fig. 3.3 se tiene el elemento:
dQF = Tds
La integración Tds de 1 a 2 da la cantidad de calor QF transferida por la fuente térmica al agua de
la caldera y para la generación de vapor:
QF =
ENERGIA DE LA TURBINA
Parte del calor QF se convierte en trabajo W en la turbina.
ENERGIA EN EL CONDENSADOR
La ley que determina el proceso cíclico de la planta a vapor es la segunda ley de la
termodinámica, la cual establece:
52
Ningún sistema que funciona siguiendo ciclos puede convertir en trabajo todo el calor que se
suministra a la sustancia de trabajo, esta tiene que descargar o ceder parte de su calor QC a un
sumidero naturalmente accesible. Debido a esto se conoce la segunda ley de la termodinámica
como la ley de la degradación de la energía.
Para que se produzca el ciclo agua - vapor en la planta a vapor, se tiene que condensar el vapor
que sale de la turbina y para ello, tiene que el vapor entregar el calor QC al medio refrigerante
que es el agua de circulación.
b. CICLO DE RANKINE
El ciclo básico agua-vapor de la planta a vapor es el ciclo de Rankine, que se lo presenta en la
Fig. 3.4.
53
QC (agua circulación)
Líquido
Caldera
Fuente térmica
Turbina
Vapor
Vapor
Líquido
Agua
W
Bomba de alimentación
WBA
1
2
3
4 QF
Condensador
[A]
En el ciclo de Rankine la eficiencia térmica del ciclo esta dada por lo siguiente:
El calor QF que entrega la fuente térmica al agua de la caldera es el área bajo la curva 4-1.
El calor QC que se entrega al agua de circulación en el condensador es el área bajo la curva
3-2.
La eficiencia térmica del ciclo de Rankine es la siguiente:
Donde:54
S [Btu/ºC]
T[°C]
T2
T1’
T1
S2S1
Condensador
Turbina
Bombaalimentación
WNETO
WB
A
Caldera1
23
4
QC
Trabajo realizado por la bomba alimentación
[B]
FIG. 3.4 CICLO DE RANKINE [A] CICLO AGUA-VAPOR [B] DIAGRAMA TEMPERATURA VS. ENTROPIA
η = eficiencia del ciclo
W = trabajo que entrega la turbina [Btu]
WBA = trabajo que absorbe la bomba de alimentación [Btu]
QF = calor que entrega la fuente térmica [Btu]
Con el propósito de incrementar la eficiencia térmica del ciclo básico de Rankine, se tienen los
siguientes ciclos:
Primario Ciclo con recalentamiento
Primario y secundario
Ciclo regenerativo y con recalentamiento primario
b. CICLO CON RECALENTAMIENTO PRIMARIO
En este ciclo se recalienta el vapor que sale del domo superior de la caldera y el recalentamiento
se lo realiza en el recalentador primario. El ciclo con recalentamiento primario se presenta en la
Fig. 3.5.
55
3 Líquido
Agua
Recalentadorprimario
Caldera
Fuente térmica
Turbina
Vapor
Vapor
Líquido
W
Bomba dealimentación
WBA
1
2
4
Condensador
QF
QC
[A]
En el ciclo con recalentamiento primario se incrementa la eficiencia térmica del ciclo por lo
siguiente:
El calor QF que entrega la fuente térmica al agua de la caldera es el área bajo la curva 4-1.
El calor QC que se entrega al agua de circulación en el condensador es el área bajo la curva
3-2.
La eficiencia térmica del ciclo con recalentamiento primario es:
Donde:
η = eficiencia del ciclo
56
S [Btu/ºC]
T2
T1’
T1
S2 S1
Condensador
Turbina
BombaAlimentación
WNETO
WB
A
Caldera
1
3
4
QC
2
Recalentador
[B]
T[°C]
FIG. 3.5 CICLO CON RECALENTAMIENTO PRIMARIO [A] CICLO AGUA-VAPOR [B] DIAGRAMA TEMPERATURA VS. ENTROPIA
W = trabajo que entrega la turbina [Btu]
WBA = trabajo que absorbe la bomba de alimentación [Btu]
QF = calor que entrega la fuente térmica [Btu]
Además se obtiene la siguiente ventaja:
El contenido de humedad del vapor en la turbina produce un desgaste mecánico en los álabes
de la turbina (debido al fenómeno de la erosión). Para evitar el desgaste en los álabes el
contenido de humedad del vapor en la salida de la turbina debe estar por debajo de un valor
límite de seguridad (12%) de humedad en el vapor.
c. CICLO CON RECALENTAMIENTO PRIMARIO Y SECUNDARIO
En este ciclo la caldera tiene el recalentador primario y el recalentador secundario, y la turbina
está dividida en dos partes, la una que corresponde a alta presión y la otra a media y baja
presión. El ciclo con recalentamiento primario y secundario se presenta en la Fig. 3.6.
57
Líquido
Bomba de alimentación
WBA
5
QC
Condensador
RP
Caldera
Fuente térmica
Turbina
Vapor
Vapor
Líquido
W
1
2
6
QF 3
4
RS
Turbina alta presión
Vapor
Vapor
Turbina media y baja presión
[A]
En el ciclo con recalentamiento primario y secundario se incrementa la eficiencia térmica del
ciclo por lo siguiente:
El calor QF que entrega la fuente térmica al agua de la caldera es el área bajo la curva
6-1-2-3.
El calor QC que se entrega al agua de circulación en el condensador es el área bajo la curva
5-4.
La eficiencia térmica del ciclo con recalentamiento primario y secundario es.
Donde:
η = eficiencia del ciclo
58
S [Btu/ºC]
T2
T1
Condensador
Bombaalimentación
WNETO
WB
ACaldera
1
2
5
6
QC
3
4
Tu
rbin
a m
edia
y b
aja
pre
sión
Tu
rbin
a al
ta p
resi
ón
Rec
. pri
mar
io
Rec
. sec
un
dar
ioS1 S2
[B]
FIG. 3.6 CICLO CON RECALENTAMIENTO PRIMARIO Y SECUNDARIO [A] CICLO AGUA-VAPOR [B] DIAGRAMA TEMPERATURA VS. ENTROPIA
T[°C]
W = trabajo que entrega la turbina [Btu]
WBA = trabajo que absorbe la bomba de alimentación [Btu]
QF = calor que entrega la fuente térmica [Btu]
Además se obtienen las siguientes ventajas:
La eficiencia de la turbina se incrementa.
El contenido de humedad del vapor en la salida de la turbina esta por debajo del límite de
seguridad (12 %).
d. CICLO REGENERATIVO Y CON RECALENTAMIENTO PRIMARIO
En este ciclo se precalienta el agua de alimentación utilizando vapor extraído de la turbina. El
ciclo regenerativo y con recalentamiento primario se presenta en la Fig. 3.7.
59
W
5
46
Bomba decondensado
WBC
REC
Caldera
Fuente térmica
Turbina
Vapor
Vapor
QC
Bomba de alimentación
WBA
1
2
3
7
Condensador
QF
Líquido
Precalentador
Extracciónde vapor
Vapor
Líquido
[A]
En el ciclo regenerativo y con recalentamiento primario se incrementa la eficiencia térmica del
ciclo por lo siguiente:
El calor QF que entrega la fuente térmica al agua de la caldera es el área bajo la curva 4-6-7-
1.
El calor QC que se entrega al agua de circulación en el condensador es el área bajo la curva
3-2.
La eficiencia térmica del ciclo regenerativo y con recalentamiento primario es:
Donde:
η = eficiencia del ciclo60
S [Btu/ºC]
T2
S2S1
Condensador
Turbina
Bombaalimentación
WNETO
WB
A
Caldera
1
2
6
7
QC
54
3
WB
C
Bombacondensado
Recalentador
Precalentador
T[°C]
[B]
FIG. 3.7 CICLO REGENERATIVO Y CON RECALENTAMIENTO PRIMARIO [A] CICLO AGUA-VAPOR [B] DIAGRAMA TEMPERATURA VS. ENTROPIA
W = trabajo que entrega la turbina [Btu]
WBA = trabajo que absorbe la bomba de alimentación [Btu]
WBC = trabajo que absorbe la bomba de condensado [Btu]
QF = calor que entrega la fuente térmica [Btu]
Además se obtiene la siguiente ventaja:
El contenido de humedad del vapor en la salida de la turbina esta por debajo del límite de
seguridad (12 %).
3.4 CALDERA
a. ENERGIA TERMICA DE UN SISTEMA DE FLUJO DE ESTADO ESTABLE
Para determinar la energía térmica generada en la caldera se tiene que aplicar la primera ley de la
termodinámica al proceso de flujo de estado estable de la caldera.
La primera ley de la termodinámica está relacionada con la conservación de la energía. Esta ley
establece: “la energía no puede ser creada ni destruida, solamente cambiada de una forma a
otra”.
Para un sistema de flujo de estado estable, la primera ley de la termodinámica establece:
Energía que está entrando al sistema = Energía que está saliendo del sistema.
y Masa que está entrando al sistema = Masa que está saliendo del sistema.
En los sistemas de flujo de estado estable se tienen las siguientes formas de la energía térmica:
61
Energía potencial Energía cinética
Energía almacenada Energía interna Energía de flujo
Energía en transición Calor Trabajo
Energía potencial.- Es la energía gravitacional es decir la fuerza de atracción de la tierra.
EP = peso altura
EP = m g z [Joule]
Donde:
EP = energía potencial [Joule]
m = masa [Kg]
g = aceleración de la gravedad [9.8 mt/s2]
z = altura [mt]
Energía cinética.- Es la energía que tiene una masa en movimiento y que viaja a una cierta
velocidad.
[Joule]
Donde:
EC = energía cinética [Joule]
m = masa [Kg]
Energía interna.- Esta energía depende del movimiento de las partículas internas de la sustancia
en consideración. La cantidad de energía interna depende de las variables de estado: presión,
temperatura y composición química de la sustancia.
U = Energía interna [Btu]
62
Energía de flujo.- Es la energía que posee un fluido en un ducto.
EF = m p v [Joule]
Donde:
EF = energía de flujo [Joule]
m = masa [kg]
p = presión [N/mt2]
v = volumen específico [mt3Kg]
Calor.- Debido a la diferencia de temperatura se puede transferir calor por conducción o
radiación.
Trabajo.- Debido a la diferencia de presión se puede transferir trabajo. La presión actuando a
través de una distancia se la llama trabajo mecánico.
b. ENERGIA TERMICA GENERADA EN LA CALDERA
La caldera es un recipiente herméticamente cerrado, alimentado con agua, que al recibir el calor
de la fuente térmica genera vapor a alta presión y alta temperatura. El vapor que produce la
caldera contiene la energía térmica.
Para determinar la energía térmica de la caldera se utiliza la primera ley de la termodinámica y
su aplicación a la caldera se presenta en la Fig. 3.8.
63
Caldera
Fuente térmicaTERMICA
QFZ1
Agua alimentaciónEP1 EF1
EC1
U1
Z2
EP2 EF2
EC2
U2
Vapor
21
FIG. 3.8 APLICACION DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA A LA CALDERA
La ecuación de la primera ley de la termodinámica de la caldera es:
EP1 + EC1 + EF1 + U1 + QF = EP2 + EC2 + EF2 + U2 + W
QF – W = EP + EC + EF + U [1]
Donde:
EP = EP2 - EP1 = variación de la energía potencial [Joule]
EC = EC2 - EC1 = variación de la energía cinética [Joule]
EF = EF2 - EF1 = variación de la energía de flujo [Joule]
U = U2 - U1 = variación de la energía interna [Btu]
Variación de la energía potencial:
EP = m2 g Z2 – m1 g Z1
m2 = m1
EP = m g (Z2 – Z1) [Joule] [2]
Variación de la energía cinética:
[Joule] [3]
Variación de la energía de flujo:
EF = m (p2 v2 – p1 v1) [Joule] [4]
Para convertir los joule en Btu:
Joules 9,48 10-4 = Btu
Reemplazando en la expresión [1] las ecuaciones [2], [3] y [4] y utilizando la unidad de Btu se
tiene:
QF – W = mg(Z2 – Z1)9,4810-4 + 9,4810-4 + m(p2v2 – p1v1)9,4810-4 +U2–U1 [5]
64
La energía interna y la energía de flujo es energía almacenada de un fluido, y dependen de las
mismas variables de estado. Por lo tanto la suma de la energía interna y la energía de flujo se
define como la entalpia H que es la energía total de un fluido y es:
H = U + mpv 9,4810-4 [Btu] [6]
Reemplazando [6] en [5] se tiene:
QF – W = mg (Z2 – Z1) 9,4810-4 + 9,4810-4 + H2 – H1
La caldera no produce trabajo por lo tanto:
W = 0
En la caldera se realizan las siguientes simplificaciones:
Se estima que, las alturas de la entrada de agua y la salida del vapor son aproximadamente
iguales:
Z2 Z1
Se considera que, las velocidades del agua de entrada y del vapor de salida son
aproximadamente iguales:
De esta manera, en la caldera, el calor que entrega la fuente térmica es la siguiente.
QF = H2 – H1 [BTU]
Donde:
QF = calor de la fuente termica [Btu]
H2 = entalpia del vapor generado [Btu]
65
H1 = entalpia del agua de alimentación [Btu]
c. CALDERA DE CIRCULACION NATURAL
La caldera elemental esta constituida por los domos y los tubos que unen los domos.
La caldera elemental se presenta en la Fig. 3.9.
En la caldera se produce la circulación natural agua-vapor. La circulación natural se debe a la
diferencia de peso entre dos columnas de líquido, la más liviana se eleva y la más pesada
desciende. La diferencia de peso se debe a la presencia de vapor en una de las columnas debido
al calor Q.
La intensidad de la circulación es mayor cuando se incrementa el volumen de vapor en la
columna ascendente, por lo tanto conviene producir vapor en la parte inferior de la caldera.
Cuando se eleva la presión de la caldera se disminuye el volumen específico del vapor y
aumenta el volumen específico del agua [mt3/Kg], por lo tanto cuando mayor es la presión de la
caldera se disminuye la diferencia de peso de las columnas de agua y vapor y como
consecuencia es menor la circulación natural.
66
QGases de combustión
Domo superior
Domo inferior
Aguaalimentación
Vapor
Tubodescendente
Tuboascendente
FIG. 3.9 CONSTITUCION DE LA CALDERA ELEMENTAL
En las proximidades de la presión crítica (230 Kg/cm2) la circulación natural no es posible
debido que el volumen especifico del agua es igual al volumen especifico del vapor.
La circulación natural es posible hasta la presión de 180 Kg/cm2, en las calderas de una presión
superior se utiliza una fuerza exterior para la circulación agua-vapor.
Los elementos principales de la caldera son los siguientes:
Calentadores y recalentadores
Economizador
Precalentador de aire
Equipo de combustión
Tiro
d. CALENTADORES Y RECALENTADORES
En los calentadores y recalentadores se genera vapor debido al calor QF de la fuente térmica. Se
produce una transferencia de calor por radiación de la combustión misma (llama) y por
convección de los gases de la combustión al agua de alimentación a través de las paredes de los
calentadores y recalentadores.
Hay dos tipos de calentadores y recalentadores:
Tipo convección
Tipo radiación
Los calentadores y recalentadores se presentan en la Fig. 3.10.
67
Los calentadores y recalentadores tipo convección reciben la energía de los gases de la
combustión y no directamente de la llama. En el tipo convección al aumentar la capacidad de la
caldera, se incrementa la temperatura del vapor. Los calentadores y recalentadores tipo
convección son los más simples, menos caros y los más usados.
Los calentadores y recalentadores tipo radiación reciben la energía por radiación directa de la
llama. En el tipo radiación al aumentar la capacidad de la caldera, se disminuye la temperatura
del vapor.
La combinación de calentadores y recalentadores convección – radiación es la más adecuada,
para mantener la temperatura constante.
La variación de la temperatura de vapor en función de la capacidad de la caldera se presenta en
la Fig. 3.11.
68
Vapor [Kg/h]
T[°C]
Tipo Radiación
Tipo Convección
Tipo Convección - Radiación
FIG. 3.11 TEMPERATURA VAPOR VS CAPACIDAD CALDERA
Domo inferior
Domo superior
Calentadores tipo convección
Aguaalimentación
Calentador tipo radiación
Recalentador tipo convección
Vapor
Q (gases comb.)
Recalentador tipo radiación
Hogar
Llama
FIG. 3.10 CALENTADORES Y RECALENTADORES
e. ECONOMIZADOR
Los gases de la combustión al final de su recorrido por los tubos de la caldera todavía tienen una
cantidad de energía, es decir calor. Para aprovechar esta energía se precalienta el agua de
alimentación de la caldera en el economizador hasta una temperatura cercana a la de ebullición.
En el economizador se produce una transferencia de calor de los gases de la combustión al agua
de alimentación a través de las paredes de los tubos del economizador.
El economizador se presenta en la Fig. 3.12.
69
Aguaalimentación
Economizador
HogarGases
Quemador
Llama
Q(Gases combustión)
FIG. 3.12 ECONOMIZADOR
f. PRECALENTADOR DE AIRE
Los gases de la combustión que vienen del economizador son usados para precalentar el aire que
va al hogar de la caldera donde se produce la combustión. El precalentador de aire tipo
regenerativo es el que normalmente se utiliza.
El precalentador de aire tipo regenerativo consiste de un cilindro que tiene canastas llenas de
láminas metálicas y gira a una velocidad de 2 ó 3 RPM. El cilindro esta instalado dentro de un
ducto dividido en dos partes. Por uno de los lados del ducto pasan los gases calientes y se
produce la transferencia de calor de los gases a las láminas metálicas. A medida que gira el
cilindro, las planchas calientes pasan al lado por donde circula el aire en sentido contrario al de
los gases y se produce la transferencia de calor de las láminas al aire.
El precalentador de aire se presenta en la Fig. 3.13.
70
Motor
Gases AireFrio
Airecaliente
FIG. 3.13 PRECALENTADOR DE AIRE
GasesLámina metálica
Canasta
g. EQUIPO DE COMBUSTION
El equipo de combustión de la caldera esta constituido por el hogar y los quemadores.
La combustión depende de la mezcla del combustible con el oxígeno del aire a una temperatura
adecuada. La función del hogar es la de suministrar un espacio físico donde se pueda establecer
una temperatura capaz de producir y mantener la combustión.
Para que funcione satisfactoriamente un hogar depende de la temperatura, la turbulencia y el
tiempo.
Cada combustible tiene una temperatura de encendido, cuando en el hogar hay una temperatura
por debajo de la de encendido del combustible, no se produce la combustión. Si la temperatura
del hogar baja de la temperatura de encendido del combustible la combustión cesa.
La turbulencia permite una mejor mezcla del oxígeno del aire con el combustible, lo cual ayuda
la combustión. La cantidad de aire de exceso disminuye, el largo de la llama disminuye y la
combustión es más completa.
La combustión no es un proceso instantáneo y necesita de un cierto tiempo para completarla. Los
hogares se construyen de ladrillo refractario que resisten altas temperaturas y no se destruyen por
efecto de la ceniza que lo golpea.
Para quemar el combustible líquido es necesario esparcir el líquido en forma de rocío,
compuesto de pequeñas gotas de manera que exista la mayor área posible de contacto entre el
combustible y el aire, es decir en el quemador se atomiza el combustible.
Para atomizar el combustible se utiliza el aire comprimido o el vapor saturado.
71
El aire comprimido se lo usa en instalaciones de pequeña capacidad debido al elevado costo de
producir aire comprimido.
En las calderas de mediana y gran capacidad se utiliza el vapor saturado en operación normal y
para el arranque se emplea el aire comprimido.
El equipo de combustión, se presenta en la Fig. 3.14.
h. TIRO
En la caldera es necesario enviar los gases productos de la combustión al exterior, y se lo hace
por circulación natural o por circulación forzada.
Para extraer los gases de la combustión se tienen dos tipos de tiro:
Tiro natural o circulación natural Tiro mecánico o circulación forzada
TIRO NATURAL
La circulación natural se produce por diferencia de presión y temperatura entre masas de gases
que ocupan un espacio.
72
Aire o vapor
Combustible
Hogar
QuemadorLlama
FIG. 3.14 EQUIPO DE COMBUSTION
El peso específico del aire frío es mayor que el de los gases calientes, por lo cual se obtiene una
diferencia de presión positiva que suministra aire y expulsa los gases de la combustión del hogar.
Cuando en el hogar es posible suministrar el aire necesario para la combustión por medio de la
circulación natural, al tiro se lo llama tiro natural.
Si los gases de la combustión son enviados directamente a la atmósfera de la salida del hogar, el
tiro que se obtiene es muy pequeño o la diferencia de presión entre la entrada de aire y la salida
de gases es muy pequeña.
La descarga de los gases de la combustión en forma directa a la atmósfera se la presenta en la
Fig. 3.15.
73
Gases
Aire
Hogar
FIG. 3.15 DESCARGA DIRECTA DE GASES DE LA COMBUSTION
Para incrementar el tiro o la diferencia de presión, se utiliza la chimenea para la descarga de los
gases de la combustión, la cual se presenta en la Fig. 3.16.
A la diferencia de presión entra la entrada de aire y la salida de los gases se llama tiro natural
teórico, que en la práctica no se alcanza debido a la fricción de los gases en la chimenea y el
hogar.
La pérdida de tiro por fricción depende de la velocidad del flujo de gases por la chimenea. Si la
chimenea tiene un diámetro pequeño, la velocidad es mayor y las pérdidas se incrementan. Si la
chimenea es de sección más grande la velocidad es menor y las pérdidas se disminuyen, pero el
costo de la chimenea es mayor. Por lo tanto se debe realizar un estudio técnico - económico.
TIRO MECANICO
En una planta a vapor el tiro natural no es suficiente y por lo tanto es necesario producir un
mayor tiro, a través del tiro mecánico.
El tiro mecánico es de dos tipos:
Tiro forzado
Tiro inducido
74
CHimenea
Gases
Aire
Hogar
FIG. 3.16 DESCARGA DE LOS GASES UTILIZANDO LA CHIMENEA
En el tiro forzado se instala un ventilador en el lado de suministro de aire. El ventilador produce
un incremento en la presión de entrada del aire, lo cual aumenta la diferencia de presión entre la
entrada de aire y la salida de los gases.
El tiro forzado se presenta en la Fig. 3.17.
En el tiro inducido se instala un ventilador entre la salida de los gases del hogar y la chimenea.
El ventilador produce un pequeño vacío (presión menor que la atmosférica) en el hogar lo cual
incrementa la diferencia de presión entre la entrada de aire y la salida de los gases del hogar, y
extrae los gases, enviándoles al exterior a través de la chimenea. Este ventilador es caro y su
mantenimiento es costoso, debido a que maneja gases corrosivos.
El tiro inducido se presenta en la Fig. 3.18.
75
Gases
Aire
Hogar
Ventilador de tiro forzado
Chimenea
FIG. 3.17 TIRO FORZADO
Aire
Hogar
Chimenea
Gases
Ventilador de tiro inducido
FIG. 3.18 TIRO INDUCIDO
Algunas calderas usan una combinación de los dos tiros y se dice que la caldera tiene un tiro
balanceado o equilibrado.
3.5 TURBINA A VAPOR
a. TRABAJO PRODUCIDO EN LA TURBINA
Para determinar el trabajo W que entrega la turbina se tiene que aplicar la primera ley de la
termodinámica al proceso de flujo de estado estable de la turbina.
La aplicación de la primera ley de la termodinámica a la turbina se presenta en la Fig. 3.19.
76
Turbina
W
EP1 EF1
EC1 U1
Vapor
EP2 EF2
EC2 U2
Vapor
QEntra
QSale
FIG. 3.19 APLICACION DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA A LA TURBINA
La ecuación de la primera ley de la termodinámica de la turbina es:
Q – W = mg(Z2 – Z1)9.4810-4 + 9.4810-4 + H2 – H1
La turbina no absorbe calor por lo tanto:
QENTRA = QSALE Q = 0
En la turbina se realizan las siguientes simplificaciones:
Se estima que, las alturas de la entrada y salida de vapor de la turbina son prácticamente iguales:
Z2 Z1
Se considera que, las velocidades de la entrada y salida de vapor de la turbina son prácticamente
iguales:
De esta manera, el trabajo que entrega la turbina es la siguiente:
W = H1 – H2 [Btu]
Donde:
W = trabajo que entrega la turbina [Btu]
H1 = entalpia del vapor de entrada a la turbina [Btu]
H2 = entalpia del vapor de salida de la turbina [Btu]
Los tipos de turbinas son los siguientes:
Turbina de impulso o de acción Turbina de reacción
b. TURBINA DE IMPULSO
77
La turbina de impulso es la máquina motriz en la cual la energía térmica se convierte en energía
cinética y luego en energía mecánica.
La turbina de impulso está constituida básicamente de la tobera y el rotor.
La tobera es fija y en la cual se convierte la energía térmica del vapor en energía cinética,
cuando el vapor se dirige en forma de chorro a alta velocidad para incidir sobre los álabes del
rotor.
El rotor consiste de álabes montados sobre un eje y en el cual se convierte la energía cinética en
energía mecánica, cuando los chorros de vapor inciden sobre los álabes del rotor y empieza a
girar.
La turbina de impulso elemental se presenta en la Fig. 3.20.
La turbina de impulso simple consiste de una rueda de toberas seguida de una rueda de álabes.
El corte seccional de la turbina de impulso simple se presenta en la Fig. 3.21.
78Tobera
Vapor
Alabes
Vapor
FIG. 3.21 TURBINA DE IMPULSO SIMPLE
Tobera fija
VaporAlabe
m
Rodete
FIG. 3.20 TURBINA DE IMPULSO ELEMENTAL
Tubería
Las toberas se instalan de manera que dirijan el flujo de vapor de la manera más conveniente
posible sobre los álabes del rotor.
Lo ideal sería dirigir el flujo de vapor de manera que incida normalmente sobre los álabes del
rotor. Pero en la práctica esto no es posible y se lo dirige con un ángulo , llamado ángulo de la
tobera, y se procura que sea lo más pequeño posible.
Las variables de estado de la presión y la velocidad del vapor son fundamentales, porque la
presión es el índice de la energía térmica y la velocidad es el índice de la energía cinética.
La variación de la presión del vapor y de la velocidad del vapor en la turbina de impulso es
presentada en la Fig. 3.22.
79
Tobera
Alabe
Vapor
Vapor
Velocidad
Presión
Velocidad
Presión
2X
1X
3X
p2
p1
FIG. 3.22 VARIACION DE LA PRESION Y VELOCIDAD DEL VAPOR EN LA TURBINA DE IMPULSO
El vapor de entrada a la turbina tiene una energia térmica proporcional a la presion p1 y en la
rueda de toberas se expande el vapor de la presión p1 a la presión p2 y luego se mantiene
constante en su paso por los álabes del rotor. La velocidad del vapor aumenta de a al
pasar por la rueda de las toberas y la energía térmica del vapor se transforma en energía cinética.
En la rueda de álabes del rotor la velocidad del vapor se disminuye a , debido al trabajo W
que se realiza, es decir la energía cinética se convierte en energía mecánica.
c. TURBINA DE IMPULSO DE ETAPAS MULTIPLES
La turbina de impulso de etapas múltiples tiene su origen en el siguiente análisis:
La velocidad de la turbina es:
[RPM]
Donde:
n = velocidad del rotor [RPM]
D = diámetro del rotor de la turbina [mt]
En la actualidad la velocidad tangencial máxima es aproximadamente 400 mt/seg. Esta es la
velocidad que los materiales de construcción de la turbina pueden soportar para resistir los
esfuerzos debido a la fuerza centrífuga.
80
Con el propósito de ser objetivo se analizan los siguientes ejemplos:
EJEMPLO A
Si la velocidad tangencial = 400 mt/seg, el diámetro de la turbina = 1 mt y se determina la
velocidad de la turbina:
La velocidad de la turbina es tan elevada que no tiene aplicación práctica, para la frecuencia de
60 cps la máxima velocidad de un generador es de 3600 RPM, lo cual significa que para acoplar
la turbina con el generador se tendría que utilizar un sistema de engranaje de reducción de
velocidad y complicaría extraordinariamente la instalación.
EJEMPLO B
Si la velocidad tangencial = 400 mt/seg, la velocidad de la turbina = 3600 RPM y se determina el
diámetro de la turbina:
El diámetro de la turbina es demasiado grande y para resolver el problema y aprovechar al
máximo la energía contenida en el vapor con un buen rendimiento, sin que el rotor tenga
dimensiones exageradas y la velocidad de la turbina sea excesiva, se utilizan las turbinas
múltiples.
La turbina de etapas múltiples consiste en varias turbinas simples montadas sobre el mismo eje,
una a continuación de otra.
Las turbinas múltiples son de los siguientes tipos:
81
Etapas de presión
Etapas de velocidad
d. TURBINA DE ETAPAS DE PRESION
La turbina de etapas de presión se presenta en la Fig. 3.23.
82
Tobera
Fija
Vapor
Vapor
Velocidad
Presión
Velocidad
Presión
MóvilMóvil
1era. Etapa 2da. Etapa
p1
p2
p3
1X
2X
3X
4X
5X
FIG. 3.23 TURBINA DE ETAPAS DE PRESION
PRIMERA ETAPA
El vapor de entrada a la turbina tiene una energía térmica proporcional a la presión p1 y en la
rueda de toberas de la primera etapa se expande el vapor de la presion p1 a la presión p2 y luego
se mantiene constante en su paso por los álabes del rotor.
La velocidad del vapor aumenta de a al pasar por la rueda de toberas y la energía térmica
del vapor se transforma en energía cinética.
En la rueda de álabes del rotor de la primera etapa la velocidad del vapor se disminuye a
debido al W que se realiza, es decir la energía cinética se convierte en energía mecánica.
SEGUNDA ETAPA
Las variaciones de la presion y la velocidad del vapor ocurren de la misma manera como en la
primera etapa.
e. TURBINA DE ETAPAS DE VELOCIDAD
La turbina de etapas de velocidad se presenta en la Fig. 3.24.
83
Vapor
Tobera
Fija
Vapor
Velocidad
Presión
Velocidad
Presión
MóvilMóvil
1era. Etapa 2da. Etapa
FIG. 3.24 TURBINA DE ETAPAS DE VELOCIDAD
p1
p2
1X
2X
3X
4X
PRIMERA ETAPA
El vapor de entrada a la turbina tiene una energía térmica proporcional a la presión p1 y en la
rueda de toberas de la primera etapa el vapor se expande al máximo o se disminuye a una
presión mínima p2 y luego se mantiene constante en su paso por los álabes del rotor.
La velocidad del vapor aumenta de a al pasar por la rueda de toberas y la energía térmica
del vapor se transforma en energia cinetica.
En la rueda de álabes del rotor de la primera etapa la velocidad del vapor se disminuye a
debido al trabajo W que se realiza, es decir la energía cinética se convierte en energía mecanica.
SEGUNDA ETAPA
En esta turbina las ruedas de álabes fijos desde la segunda etapa no son toberas, sino que sirven
solamente para cambiar la dirección del flujo de vapor.
Por esta razón la presion del vapor se mantiene constante hasta la salida de la turbina y la
velocidad del vapor se mantiene constante en las ruedas de álabes fijos y se disminuye en las
ruedas de álabes móviles del rotor debido al trabajo W que se efectúa.
f. TURBINA DE REACCION
En la turbina de reacción las toberas son móviles y cuando se expande el vapor de alta a baja
presión, una fuerza reactiva es producida en la tobera. La fuerza reactiva produce una rotación
del rotor en sentido opuesto a la dirección del flujo de vapor de la tobera. Al moverse el rotor la
84
energía cinética se convierte en energía mecánica. La turbina de reacción elemental se presenta
en la Fig. 3.25.
En la turbina de reacción la expansión del vapor se realiza tanto en las toberas como en los
álabes del rotor.
La turbina de reacción se presenta en la Fig. 3.26.
85
Vapor
Vapor
Velocidad
Presión
Velocidad
Presión
Fija Móvil Fija Móvil
FIG. 3.26 TURBINA DE REACCION DE DOS ETAPAS
1era. Etapa 2da. Etapa
p1
p2
p3
p4
p51X
2X
3X
4X
5X
Tobera
Vapor
FIG. 3.25 TURBINA DE REACCION ELEMENTAL
Tubería
PRIMERA ETAPA
El vapor de entrada a la turbina tiene una energía térmica proporcional a la presión p1 y en la
rueda de toberas de la primera etapa se expande el vapor de la presión p1 a la presión p2 y en la
rueda de álabes moviles de la presión p2 a la presión p3.
La velocidad del vapor aumenta de a al pasar por la rueda de toberas y la energía térmica
del vapor se transforma en energía cinética.
En la rueda de álabes del rotor de la primera etapa la velocidad del vapor se disminuye a
debido al W que se realiza, es decir la energía cinética se convierte en energía mecánica.
SEGUNDA ETAPA
Las variaciones de la presion y la velocidad del vapor ocurren de la misma manera como en la
primera etapa.
3.6 CONDENSADOR
Para que se produzca la máxima expansión del vapor en la turbina y con ello la mayor cantidad
de energía térmica del vapor se convierta en energía cinética, el vapor que sale de la turbina debe
ir a un recipiente prácticamente vacío de aire. El condensador es este recipiente y además el
vapor se condensa al ponerse en contacto con los tubos del condensador, en los que circula por
su interior el agua fría de circulación.
El condensador se presenta en la Fig. 3.27
86
Bomba de circulación
Ducto
Junta de expansión
Vapor
Vapor
Condensador
Tubos del condensador
Turbina
Bomba de condensado
Bocatoma de agua
Tanque de condensado
A la bomba de vacio
Agua circulación
FIG. 3.27 CONDENSADOR
El agua de circulación entra en el condensador en la parte superior de la caja de agua y sale por
la parte inferior.
El vapor proveniente de la turbina pasa por el ducto que une la turbina con el condensador y
luego pasa al condensador donde al ponerse en contacto con la superficie de los tubos se produce
la transferencia de calor del vapor al agua de circulación, obteniéndose como resultado que el
vapor se condensa y el agua de circulación se calienta.
El aire y los gases no condensables son extraídos por medio de una bomba de vacío del tipo de
eyectores.
El agua de circulación proviene de ríos, lagos, mar y es corrosiva, por lo tanto los tubos del
condensador son hechos de materiales especiales resistentes a la corrosión. Cuando el agua de
circulación es agua salada se utiliza un sistema de protección electrolítica o catódica para evitar
la corrosión de las instalaciones.
87
La temperatura del vapor que sale de la turbina varía ligeramente en operación normal de la
planta a vapor y considerablemente en el arranque y parada de la planta, por lo cual es necesario
de un método para que la expansión y contracción del vapor no provoca daño en el ducto que
une la turbina y condensador. Para ello, entre el ducto y el condensador se instala una junta de
expansión flexible para que absorba las expansiones o contracciones del vapor debido a los
cambios de temperatura.
3.7 PRECALENTADORES DE AGUA
Para producir energía en forma económica, es preciso utilizar al máximo el calor QF que se
obtiene del combustible. El calor que podría perderse en el vapor de escape de la turbina se lo
aprovecha para precalentar el agua de alimentación de la caldera.
Los precalentadores de agua son de los siguientes tipos:
Precalentador cerrado o de superficie
Precalentador de contacto directo o desareador
a. PRECALENTADOR CERRADO O DE SUPERFICIE
En este precalentador no hay contacto directo entre el vapor de extracción de la turbina y el
agua de alimentación de la caldera.
El vapor se extrae de la turbina de las etapas de alta, media y baja presion y se lo envía al
precalentador correspondiente donde se produce la transferencia de calor del vapor de extracción
al agua de alimentación a través de las paredes de los tubos del precalentador. Como resultado,
el vapor se condensa y el agua de alimentación se calienta.
88
El precalentador de agua cerrado o de superficie se presenta en la Fig. 3.28.
b. PRECALENTADOR DE CONTACTO DIRECTO O DESAREADOR
En este precalentador hay contacto directo entre el vapor de extracción de la turbina y el agua de
alimentación de la caldera.
89
Turbina
Vapor
ExtracciónPresión alta
Bomba dealimentación
Condensador
Ext
racc
ión
Pre
sión
inte
rmed
ia
Ext
racc
ión
Pre
sión
baj
a
Precalentadores
Bomba decondensado
FIG. 3.28 PRECALENTADOR CERRADO O DE SUPERFICIE
El agua entra al condensador del precalentador y actúa como medio refrigerante, para luego ser
rociada sobre bandejas que tienen el propósito de disgregar el agua en gotas para presentar la
mayor superficie de calentamiento posible.
El precalentador de contacto directo o desareador se presenta en la Fig. 3.29.
El vapor de extracción fluye hacia arriba en contracorriente del agua y se mezcla con el agua,
produciendo una transferencia de calor directa del vapor al agua, de tal manera que casi todo el
vapor se condensa y el agua que se calienta se acumula en el tanque del precalentador.
90
Condensado
Vapor de extracción
Gases
Condensador del precalentador
Agua
AguaAlimentación (condensado)
Bandeja
FIG. 3.29 PRECALENTADOR DE CONTACTO DIRECTO O DESAREADOR
El vapor que no se condensa por contacto directo con el agua, es recibido por el condensador y
se condensa utilizando como fluido refrigerador el agua de alimentación. Además se logra la
extracción de los gases no condensables que son corrosivos y expulsados a la atmósfera.
LA INDUSTRIA DE LA PRODUCCION DE ENERGIA ELECTRICA
CAPITULO IV
INDUSTRIA DE LA ENERGIA TERMOELECTRICA A GAS
4.1 INTRODUCCION
En la planta a gas se realiza la producción de la energía termoeléctrica a gas, en la cual se
aprovecha directamente la energía desarrollada en la combustión y almacenada en los gases
productos de la combustión.
Los gases de la combustión se expanden en la turbina de manera similar como lo hace el vapor
en las turbinas a vapor.
En la producción de la energía termoeléctrica a gas se utiliza el ciclo térmico de la Fig. 4.1.
En el ciclo de la producción termoeléctrica a gas se tiene la siguiente conversión de energía:
91
Cámara de combustión
Compresor Turbina
Aire Gases
Combustible
Aire Gases
Generadoreléctrico
Tm m
Te
FIG. 4.1 CICLO TERMICO DE LA PRODUCCION TERMOELECTRICA A GAS
A
B
C
4.2 ENERGIA DEL CICLO TERMICO
a. CICLO DE BAJA EFICIENCIA TERMICA
El ciclo de baja eficiencia térmica de la planta a gas se presenta en la Fig. 4.2.
92
Cámara combustión
T[°C]
S
1
4
3
2
Q2
W
QF
Com
pre
sor
Tu
rbin
a
FIG. 4.2 CICLO DE LA PLANTA A GAS
FUENTE TERMICA (COMBUSTIBLE) PRODUCE ENERGIA TERMICA (CONTENIDA EN LOS GASES DE LA COMBUSTION)
ENERGIA TERMICA SE CONVIERTE EN ENERGIA MECANICA
ENERGIA MECANICA SE CONVIERTE EN ENERGIA ELECTRICA
CAMARA COMBUSTION:
TURBINA:
GENERADOR:ELECTRICO
Cámara de combustión
Compresor Turbina
Aire Gases
Combustible
1 4
32Aire Gases
QF
W
En el ciclo de baja eficiencia térmica se produce lo siguiente:
El calor QF que entrega la fuente térmica en la cámara de combustión es el área bajo la curva
2 – 3.
El calor Q2 que es el área bajo la curva 1 – 4, se envía al exterior o la atmósfera.
La eficiencia térmica del ciclo de la planta a gas es la siguiente:
Donde:
η = eficiencia del ciclo
QF = calor de la fuente térmica [Btu]
Q2 = calor que va a la atmósfera [Btu]
W = trabajo realizado por la turbina [Btu]
Con el propósito de incrementar la eficiencia del ciclo, se tienen los siguientes ciclos:
Ciclo regenerativo
Ciclo combinado
b. CICLO REGENERATIVO
En el ciclo regenerativo los gases de salida de la turbina se los envía al regenerador para calentar
el aire de salida del compresor. El ciclo regenerativo se presenta en la Fig. 4.3.
93
Cámara de combustión
Compresor Turbina
AireGases
Combustible
1
4
32Aire
Gases
W
[A]
5
Aire
6
Regenerador aire
QF
Gases
Gases
En el ciclo regenerativo se incrementa la eficiencia térmica del ciclo normal por lo siguiente:
El calor QF que entrega la fuente térmica es menor que en el ciclo anterior, porque es el área
bajo la curva 3 – 4.
El calor Q1 que es el área bajo la curva 6 – 5, se transfiere al aire de entrada a la cámara de la
combustión.
El calor Q2 que es el área bajo la curva 1 – 6, se envía al exterior a la atmósfera.
La eficiencia térmica del ciclo regenerador es:
c. CICLO COMBINADO
En el ciclo combinado operan en conjunto una planta a gas y una planta a vapor para aprovechar
al máximo el calor de la fuente térmica de la planta a gas.
94
[B]
Cámara combustión
T[°C]
S
1
4
32
Q2
W
Q1
Com
pre
sor
Tu
rbin
a
FIG. 4.3 CICLO REGENERATIVO [A] CICLO AIRE-GASES [B] DIAGRAMA TEMPERATURA VS ENTROPIA
QF
56
Regenerador
En el ciclo combinado los gases de salida de la turbina de la planta a gas se los envía a la caldera
de una planta a vapor para precalentar el aire de la combustión. El ciclo combinado se lo
presenta en la Fig. 4.4.
En el ciclo combinado se obtiene la ventaja de incrementar la eficiencia térmica del grupo
combinado gas-vapor por lo siguiente:
95
[B]
Cámara combustión
T[°C]
S
1
4
3
2
Q2
W
Q1
Com
pre
sor
Tu
rbin
a
FIG. 4.4 CICLO COMBINADO [A] CICLO AIRE-GAS [B] DIAGRAMA TEMPERATURA VS ENTROPIA
QF
5
Cámara de combustión
Compresor Turbina
Aire Gases1 4
32
Aire Gases
Caldera
W
[A]
5 Gases
Aire
Agua
Combustible Vapor
CombustibleQF
El calor QF que entrega la fuente térmica en la cámara de la combustión de la planta a gas, es
el área bajo la curva 2 – 3.
El calor Q1 que es el área bajo la curva 5 – 4, se transfiere al aire de entrada de la caldera.
El calor Q2 que es el área bajo la curva 1 – 5, se envía a la atmósfera.
4.3 MAQUINARIA DEL CICLO TERMICO
a. COMPRESOR
A presión atmosférica la combustión de la mezcla combustible – aire no produce suficiente
energía. La energía liberada por la combustión es proporcional a la cantidad de aire, por lo tanto
se necesita más aire para incrementar la producción de la energía, por lo cual el aire debe
comprimirse con el objeto de que se pueda mover en un volumen dado la máxima cantidad de
aire.
El compresor que normalmente se utiliza es el de tipo axial y está constituido por dos elementos:
el rotor y el difusor.
El compresor axial se presenta en la Fig. 4.5.
96
Aire
Aire
Aire
Aire
Rotor
Difusor
Presión
Velocidad
Velocidad
Presión
FIG. 4.5 COMPRESOR AXIAL [A] CORTE DEL COMPRESOR AXIAL [B] DIAGRAMA DE LA PRESION Y VELOCIDAD DEL AIRE
[B]
[A]
En el compresor axial, tanto el rotor como el difusor están constituidos por ruedas de álabes. Las
ruedas del rotor están fijas al tambor rotativo, y las del difusor a la cubierta exterior.
El aire fluye en la dirección axial a través de la serie de álabes del rotor y del difusor. La presión
del aire aumenta cada vez que pasa por los álabes móviles y fijos.
La velocidad del aire en el rotor aumenta y en el difusor diminuye, estos sucesivos incrementos
y decrementos de velocidad prácticamente se anulan unos a otros, teniendo como resultado que
la velocidad del aire que sale del compresor es ligeramente superior a la del aire que entra.
La característica de rendimiento del compresor axial se presenta en la Fig. 4.6.
b. CAMARA DE COMBUSTION
En la cámara de la combustión se produce la combustión de la mezcla combustible – aire. La
cámara de la combustión está constituida principalmente por el distribuidor, las toberas y los
quemadores.97
100%
Razón decompresión
5 10 151 20
FIG. 4.6 CARACTERISTICA DE RENDIMIENTO DEL COMPRESOR DE AIRE
La cámara de la combustión se presenta en la Fig. 4.7.
El combustible desde el exterior es introducido a la máquina por medio del distribuidor y las
toberas. El distribuidor distribuye el combustible a todos los quemadores. La tobera atomiza el
combustible formando un sistema a presión que asegura un chorro finamente atomizado y de
distribución uniforme a cualquier cantidad de flujo de combustible para cualquier porcentaje de
carga que se pueda presentar durante la operación de la planta. Los gases de la combustión
deben tener una distribución satisfactoria de temperatura y una temperatura máxima aceptable al
entrar a la turbina, esta temperatura da una indicación de la temperatura en el área de la
combustión.
c. TURBINA
La turbina tipo axial es la que se utiliza para la producción de energía eléctrica. La turbina axial
está constituida por el estator y el rotor. El estator está provisto de álabes distribuidores o
directrices y el rotor de álabes motrices. La turbina axial se la presenta en la Fig. 4.8.
98
Turbina delcompresor
Distribuidor
Compresor
Aire
Aire
Aire
Aire
Gases
Gases
FIG. 4.7 CAMARA DE LA COMBUSTION
Quemador
Toberas
Los gases entran con cierta velocidad a los álabes del distribuidor y salen desviados con una
velocidad mayor, transformándose la energía térmica de los gases en energía cinética. La energía
cinética así obtenida se transforma en energía mecánica al incidir los gases sobre los álabes
motrices. Las turbinas pueden ser de una o varias etapas.
La turbina del generador de gases tiene el tamaño necesario para mover el compresor. En cambio
la turbina del generador eléctrico debe tener las dimensiones para aprovechar al máximo la
energía térmica de los gases de la combustión.
La turbina puede operar no acoplada al generador de gases o a través de un engranaje de
reducción. En las unidades tipo jet, la turbina del generador eléctrico no está acoplada al
generador de gases, y se la llama turbina libre.
En la turbina tipo industrial la turbina del generador eléctrico está acoplada al generador de
gases a través de una caja de engranaje.
99
Alabe motriz
Alabe distribuidor
FIG. 4.8 TURBINA AXIAL
La turbina libre se presenta en la Fig. 4.9.
4.4 MAQUINARIA Y EQUIPO AUXILIAR
En la planta a gas se tienen los siguientes sistemas auxiliares:
Sistema de combustible
Sistema de lubricación
Sistema de encendido
Sistema de arranque
a. SISTEMA DE COMBUSTIBLE
La función del sistema de combustible es entregar el combustible a la máquina en las
condiciones adecuadas de presión, cantidad y limpieza.
En el sistema de combustible se distingue:
Sistema de combustible externo del área de la máquina
Sistema de combustible interno del área de la máquina
SISTEMA DE COMBUSTIBLE EXTERNO
100
Compresor
Aire
Aire
Aire
Aire
Gases
Gases
Cámara de combustión
Turbina delGenerador Gas
Gases
Gases
Turbina del
GeneradorEléctrico
Generador Eléctrico
A
B
C
Te
m
Tm
FIG. 4.9 TURBINA LIBRE
Un sistema de combustible externo tipo se presenta en la Fig. 4.10.
Tanque de combustible.- Es el recipiente donde se almacena el combustible y sus dimensiones
depende de la capacidad de almacenamiento requerido.
Filtros y centrifugadora.- Estos sirven para remover del combustible la suciedad y el agua. El
agua es perjudicial para los álabes de la turbina porque produce corrosión por la formación de
ácidos.
Bombas de combustible.- Se utiliza dos bombas de combustible una AC y otra DC.
La bomba AC es la que trabaja durante la operación normal de la planta.
La bomba DC se la utiliza cuando la bomba AC se desenergiza o hay una baja presión de
combustible. Para evitar una sobrepresión se energiza la bomba DC cuando la presión del
combustible ha bajado a un cierto valor que es sensada por el interruptor de presión. El mismo
interruptor de presión desconecta la bomba DC cuando la presión es normal.
Medidor de flujo.- Sirve para medir el flujo de combustible, cuando se necesita determinar la
eficiencia de la planta.
Válvula solenoide.- Esta válvula actúa para evitar que el combustible entre al área de la
máquina cuando existe la presencia de fuego. Esta válvula es accionada normalmente por el
sistema de protección contra incendio.101
Filtro Filtro
Interruptor de presión
Válvula solenoide
Medidor de flujo
AC
DC
Bombas
Máquina
Centrifugadora
Tanque combustible
Bypass
FIG. 4.10 SISTEMA DE COMBUSTIBLE EXTERNO
SISTEMA DE COMBUSTIBLE INTERNO
Un sistema de combustible interno tipo se presenta en la Fig. 4.11
Bomba de combustible.- Sirve para entregar a la máquina el combustible a una determinada
presión y cantidad, esta bomba es accionada por la misma máquina.
Válvula moduladora.- Sirve para establecer y mantener un flujo de combustible de acuerdo a la
potencia de salida del generador eléctrico. Esta válvula es operada y controlada por el control de
combustible.
Válvula de cierre y corte.- Esta válvula corta el flujo de combustible a la máquina por
operación de un elemento de protección eléctrico o mecánico. Esta válvula es operada por el
control de combustible.
Válvula de presurización.- Asegura el flujo de combustible para una apropiada atomización y
que la combustión se efectúe eficientemente.
Aire de atomización.- Ciertas plantas utilizan aire de atomización solo para el encendido y otras
para operación continua y normal.
b. SISTEMA DE LUBRICACION
El aceite del sistema de lubricación sirve tanto para enfriar como para lubricar las chumaceras y
para el control hidráulico.
102
Filtro
Válvula moduladora
Válvula de cierre
Válvula de presurización
Control de combustible
Válvula solenoide
Quemador
Distribuidor
Aire atomización
Bomba de combustible
FIG. 4.11 SISTEMA DE COMBUSTIBLE INTERNO
Un típico sistema de lubricación externo del generador de gases se presenta en la Fig. 4.12.
Tanque de aceite.- Es el recipiente donde se almacena el aceite y tiene un sensor de nivel de
aceite que da señales de indicación, alarma y disparo de la planta, de acuerdo al nivel de aceite
existente.
Bombas.- Sirven para entregar el aceite a una presión adecuada y son accionadas por la caja de
engranaje.
Enfriador.- Se lo utiliza para enfriar el aceite y tiene un control que permite que pase más o
menos aceite por el radiador, de acuerdo a la temperatura que se sensa a la salida del enfriador.
Luego se tiene un sensor de temperatura que da señales de indicación, alarma y disparo de la
planta, de acuerdo a la temperatura de aceite existente.
103
Compresor
Cámara de combustión
Turbina delGenerador
Gases
Tanque de aceite
Filtro
Filtro
I/A/T
I/A/T
I/A/T
Bombas
Filtro
Detector de partículas
Caja de engranaje
Enfriador T
P
L
FIG. 4.12 SISTEMA DE LUBRICACION
En la entrada del aceite a la máquina se tiene un sensor de presión que da señales de indicación,
alarma y disparo de la planta, de acuerdo a la presión de aceite existente.
Detector de partículas.- En la salida del aceite de la máquina se instala un detector de partículas
para sensar la presencia de partículas metálicas, en el caso de un desgaste interior.
c. SISTEMA DE ENCENDIDO
Para el encendido de la planta se utiliza la bujía, que es un elemento instalado en el interior de la
cámara de combustión y que sirve para encender la mezcla del combustible y el aire durante el
proceso de arranque. Como resultado se tiene la presencia de la llama en la cámara de
combustión.
El circuito eléctrico de encendido se presenta en la Fig. 4.13.
El primario del transformador está alimentado por baja tensión, el transformador aumenta el
voltaje hasta aproximadamente 2 KV, el rectificador permite el flujo de corriente al condensador
en un solo sentido, el condensador almacena una gran cantidad de energía y el alto voltaje ioniza
el aire de los terminales de la bujía, produciendo una chispa. Una vez producida la chispa se
establece un paso de baja resistencia por el cual se descarga la gran cantidad de energía eléctrica
almacenada en el condensador. El resultado es un punto de calor muy intenso que es capaz de
encender rápidamente la mezcla combustible – aire en la cámara de combustión.
104
TransformadorAlta tensión
Rectificador
BujíaCondensador
FIG. 4.13 CIRCUITO ELECTRICO DE ENCENDIDO
d. SISTEMA DE ARRANQUE
La planta a gas es arrancada por hacer rotar el compresor. Si el generador de gases tiene dos
compresores, el compresor de alta presión es usualmente el que se hace rotar con el arrancador.
Una curva típica de arranque se presenta en la Fig. 4.14.
En la curva de arranque se tiene lo siguiente:
En el tiempo t0 se energiza el arrancador
Aproximadamente al 25 % de la velocidad del compresor, se energizan las bujías
Luego se energiza la bomba de combustible
Aproximadamente al 40 % de la velocidad del compresor se produce el encendido, es decir
se tiene la presencia de la llama en los quemadores
Aproximadamente al 60 % de la velocidad del compresor la máquina obtiene la energía para
su propia aceleración.
Luego se desenergizan las bujías y el arrancador.
Desde t0 hasta t1, el arrancador actúa solo.105
25%
50%
75%
Velocidad vacío
Estado estable
t1 t2 t [seg]
Velocidad compresor[RPM]
t0
Encendido (llama)
Combustible ON
Bujía OFF
Máquina obtiene su propia aceleración
Arrancador OFF
Bujía ON25%
40%
60%
Arrancador ON
FIG. 4.14 CURVA DE ARRANQUE DE LA UNIDAD A GAS
100%
Desde t1 hasta t2, el arrancador y la propia máquina suministran la energía para la
aceleración.
Desde t2 en adelante, la máquina provee la energía para llegar a la velocidad de vacío de
estado estable.
Los arrancadores son de los siguientes tipos:
Neumático (aire)
Combustión (diesel)
ARRANCADOR NEUMATICO
Este arrancador es usado en las plantas tipo jet. Una pequeña turbina de aire es utilizada para el
arranque, la cual se encuentra acoplada mecánicamente al rotor del compresor a través de una
caja de engranaje. Esta pequeña turbina necesita de aire comprimido de un compresor externo, el
aire debe tener el volumen y la presión suficiente para suministrar el torque de arranque
requerido.
ARRANCADOR DE COMBUSTION (DIESEL)
Este tipo de arrancador se lo usa en las plantas tipo industrial. El arrancador es un motor a diesel,
es decir una máquina de combustión interna.
106
LA INDUSTRIA DE LA PRODUCCION DE ENERGIA ELECTRICA
CAPITULO V
INDUSTRIA DE LA ENERGIA TERMOELECTRICA A DIESEL
5.1 INTRODUCCION
En la planta a diesel se realiza la producción de la energía termoeléctrica a diesel, en la cual se
utiliza un motor de combustión interna de dos tiempos. La planta y el motor a diesel elemental se
presentan en la Fig. 5.1.
107
Te
mMotor Diesel
Combustible
Generador Eléctrico
Filtro
AB
C
[A]
Aire
Tm
El motor a diesel elemental está constituido fundamentalmente por:
La tobera, que sirve para enviar el combustible a velocidad al interior del cilindro.
Cilindro, en el cual se comprime el aire, se produce la combustión y se expanden los gases.
Pistón, el cual sirve para comprimir el aire y los gases lo expulsan, realizando el trabajo.
Conductos, sirven para la entrada de aire y salida de gases.
108
Conducto de entrada de aire
Conducto de salida de gases
AireGases
Pistón
Combustible
Tobera
Cilindro
Biela
Cigüeñal
FIG. 5.1 PRODUCCION TERMOELECTRICA A DIESEL [A] PLANTA A DIESEL [B] MOTOR A DIESEL ELEMENTAL
[B]
5.2 CICLO TERMICO
El ciclo de funcionamiento del motor a diesel se lo presenta en la Fig. 5.2.
.
En el ciclo de funcionamiento se tiene lo siguiente:
Se alimenta el cilindro con aire fresco, aumentando la cantidad de aire que contiene el
cilindro.
El aire fresco que requiere la combustión es comprimido y llevado hasta la temperatura de
encendido del combustible.
Cerca del punto muerto superior del pistón y durante un corto tiempo, se inyecta el
combustible a alta velocidad en el cilindro, produciéndose la combustión.
Al expansionarse los gases de la combustión empujan el pistón hacia abajo hasta alcanzar el
punto muerto inferior, realizando el trabajo sobre este. Se deja abierto simultáneamente los
conductos de salida de gases y de ingreso de aire. Con ello se escapan los gases
expansionados y entra aire de barrido para expulsar los gases y al mismo tiempo se vuelve a
llenar el cilindro con el aire necesario para el siguiente ciclo.
109
p [Kg/mt²]
v [mt³/Kg]
1
2 3
4
Expansión
Compresión
Combustión
Escape gases
FIG. 5.2 CICLO DEL MOTOR A DIESEL
5.3 POTENCIA EFECTIVA
La potencia desarrollada y la potencia efectiva se los determina de la máquina presentada en la
Fig. 5.3.
La fuerza sobre el pistón o émbolo es:
F = S pm [Kg]
El trabajo del pistón o émbolo en una carrera es:
W = F L [Kg mt]
En el motor de 2 tiempos, el ciclo completo se realiza en una revolución del cigüeñal. Por lo
tanto la potencia desarrollada es:
Potencia efectiva:
Esta expresión es válida para un cilindro y para un motor de Z cilindros se tiene:
110
PistónAire Gases
Cilindro
S
pm
FIG. 5.3 MOTOR DIESEL ELEMENTAL
Donde:
S = superficie del pistón o émbolo [mt2]
pm = presión media [Kg/mt2]
W = trabajo [Kg mt]
L = carrera del pistón o émbolo, punto muerto inferior a punto muerto superior [mt]
n = velocidad [rpm]
Pd = potencia desarrollada en el cilindro [HP]
Pe = potencia efectiva [potencia desarrollada menos las pérdidas] [HP]
Z = número de cilindros
η = rendimiento
5.4 MAQUINARIA Y EQUIPO AUXILIAR
Los sistemas auxiliares del motor a diesel son los siguientes:
Sistema de combustible
Sistema de enfriamiento
Sistema de toma de aire y escape de gases
Sistema de lubricación.
Sistema de arranque
a. SISTEMA DE COMBUSTIBLE
Un típico sistema de combustible se presenta en la Fig. 5.4.
111
Tanque de almacenamiento.- Es el recipiente donde se almacena grandes cantidades de
combustible.
Bomba de transferencia.- Sirve para enviar el combustible del tanque de almacenamiento al
tanque diario.
Tanque diario.- Es el recipiente donde se almacena el combustible para un día de operación.
Filtro.- Sirve para remover la suciedad del combustible.
Bomba.- Sirve para enviar el combustible a la máquina a la presión y la cantidad necesarias.
Válvula solenoide.- Se la utiliza para cortar el combustible a la máquina cuando se ha producido
una falla eléctrica o mecánica.
b. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
La combustión produce altas temperaturas. Una parte del calor producido es absorbido por las
paredes del cilindro, pistón o émbolo, válvulas, etc. Si estas partes no están adecuadamente
refrigeradas pueden alcanzar temperaturas tan elevadas que podrían producir daños que
afectarán el motor.
Se tiene dos sistemas de refrigeración: por agua y por aire.
112
Tanque Almacenamiento Tanque
diario
Motor diesel
Bomba Transferencia
Bomba CombustibleFiltro
Válvula solenoide
FIG. 5.4 SISTEMA DE COMBUSTIBLE
Refrigeración por agua.- El agua refrigera las partes calientes al circular por las camisas de
agua que tienen el cilindro, pistón, válvulas, etc. Esta refrigeración es la más utilizada en los
motores lentos de gran potencia.
El sistema de refrigeración por agua se presenta en la Fig. 5.5.
Refrigeración por aire.- Este método de refrigeración se utiliza en los motores rápidos. En este
sistema el aire sustrae directamente el calor de las paredes del cilindro y las otras partes
calientes, se aspira aire de la atmósfera y a través de conductos se lo impulsa a las partes
calientes, los cuales están provistos de aletas de refrigeración.
En los motores pequeños se monta en el cigüeñal un ventilador. En los motores de mayor
tamaño se utiliza un ventilador – turbina cuya velocidad es dos a tres veces mayor que la del
motor a diesel.
c. SISTEMA DE TOMA DE AIRE Y ESCAPE DE GASES
El motor a diesel necesita de aire para la combustión. El aire de la atmósfera varia en
temperatura y en contenido de polvo, por lo tanto es indispensable de un sistema de toma de aire,
que se presenta en la Fig. 5.6.
113
Motor Diesel
Torre de enfriamiento
Bomba
FIG. 5.5 REFRIGERACION POR AGUA
Aire
Filtro
Silenciador
Silenciador
Motor Diesel
Gases
FIG. 5.6 SISTEMA DE TOMA DE AIRE Y ESCAPE DE GASES
El sistema comienza con una entrada instalada fuera del edificio y provista de un filtro para
detener la suciedad, que de otra manera produciría desgaste en el interior del motor.
El ruido del motor se transmite por el aire de entrada al exterior, por lo que se instala un
silenciador entre el motor y la toma de aire.
El sistema de escape es importante porque se requiere que los gases vayan a la atmósfera de
acuerdo con las siguientes condiciones:
Silenciar el escape, para lo cual se instala un silenciador.
Descargar el escape a suficiente altura, para que el aire de entrada no esté sobrecalentado.
d. SISTEMA DE LUBRICACION
El sistema de lubricación es vital en el motor a diesel debido a las altas presiones y grandes
velocidades. La vida del motor y su eficiencia depende de la efectividad del sistema de
lubricación. El sistema de lubricación a presión es el que normalmente se utiliza.
El sistema de lubricación se presenta en la Fig. 5.7.
114
Motor diesel
Tanque aceite
Bomba Filtro
Enfriador
FIG. 5.7 SISTEMA DE LUBRICACION
e. SISTEMA DE ARRANQUE
El motor a diesel no puede arrancar por si solo y necesita de un sistema de arranque, para lo cual
se utiliza diversos dispositivos de arranque: aire comprimido, motor eléctrico y motor auxiliar de
gasolina.
En los motores lentos y de gran potencia, que son los más utilizados en las plantas eléctricas, se
utiliza aire comprimido durante el período de arranque. El aire comprimido se admite en uno o
más cilindros del motor que le dan potencia para el arranque. Este sistema requiere de un
compresor externo exclusivamente para el arranque y un depósito para almacenar el aire
comprimido, unas veces el compresor está acoplado al motor a diesel y se desacopla cuando el
depósito está lleno de aire comprimido. Otras veces el compresor es accionado por medio de un
motor eléctrico.
Las bombas de combustible se mantienen fuera de servicio mientras se alcanza la velocidad de
trabajo con la potencia producida por el aire. Luego se cierra el aire y comienza la inyección del
combustible.
Para los motores rápidos y de pequeña potencia se utiliza el arranque eléctrico. Un motor
eléctrico se acopla al motor diesel y lo hace girar hasta que entre en funcionamiento,
desacoplándose después. El motor eléctrico es alimentado por una red auxiliar AC o por medio
de un banco de baterías.
115