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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. 1

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Page 1: CentElectCapI_Vv10

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.

1

Page 2: CentElectCapI_Vv10

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.

2

FUENTE DE ENERGIA PRIMARIA

ENERGIATERMICA

ENERGIAPOSICION

ENERGIAMECANICA

ENERGIAELECTRICA

FIG. 1.1 FUENTE PRIMARIA Y CONVERSION DE ENERGIA

PETROLEO GAS NATURAL HIDRAULICA

Page 3: CentElectCapI_Vv10

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

Page 4: CentElectCapI_Vv10

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

Page 5: CentElectCapI_Vv10

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

Page 6: CentElectCapI_Vv10

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

Page 7: CentElectCapI_Vv10

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.

7

Page 8: CentElectCapI_Vv10

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

Page 9: CentElectCapI_Vv10

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

Page 10: CentElectCapI_Vv10

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

Page 11: CentElectCapI_Vv10

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

11

Page 12: CentElectCapI_Vv10

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.

12

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

Page 13: CentElectCapI_Vv10

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

13

Page 14: CentElectCapI_Vv10

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:

14

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

Page 15: CentElectCapI_Vv10

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

15

Page 16: CentElectCapI_Vv10

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.

16

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

Page 17: CentElectCapI_Vv10

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.

17

Page 18: CentElectCapI_Vv10

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:

18

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

Page 19: CentElectCapI_Vv10

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.

19

Page 20: CentElectCapI_Vv10

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.

20

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

Page 21: CentElectCapI_Vv10

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

Page 22: CentElectCapI_Vv10

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

Page 23: CentElectCapI_Vv10

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

Page 24: CentElectCapI_Vv10

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.

24

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]

Page 25: CentElectCapI_Vv10

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

Page 26: CentElectCapI_Vv10

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

Page 27: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 28: CentElectCapI_Vv10

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

Page 29: CentElectCapI_Vv10

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.

29

Alabe fijo

Tubo de aspiración

Cámara de descarga Distribuidor

Alabe móvil

Rodete

[A]

Page 30: CentElectCapI_Vv10

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

Page 31: CentElectCapI_Vv10

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

Page 32: CentElectCapI_Vv10

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

Page 33: CentElectCapI_Vv10

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

Page 34: CentElectCapI_Vv10

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

Page 35: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 36: CentElectCapI_Vv10

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

Page 37: CentElectCapI_Vv10

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

Page 38: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 39: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 40: CentElectCapI_Vv10

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

Page 41: CentElectCapI_Vv10

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

Page 42: CentElectCapI_Vv10

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

Page 43: CentElectCapI_Vv10

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

Page 44: CentElectCapI_Vv10

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

Page 45: CentElectCapI_Vv10

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

Page 46: CentElectCapI_Vv10

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

Page 47: CentElectCapI_Vv10

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

Page 48: CentElectCapI_Vv10

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

Page 49: CentElectCapI_Vv10

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

Page 50: CentElectCapI_Vv10

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

Page 51: CentElectCapI_Vv10

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:

Page 52: CentElectCapI_Vv10

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

Page 53: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 54: CentElectCapI_Vv10

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

Page 55: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 56: CentElectCapI_Vv10

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

Page 57: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 58: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 59: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 60: CentElectCapI_Vv10

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

Page 61: CentElectCapI_Vv10

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

Page 62: CentElectCapI_Vv10

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

Page 63: CentElectCapI_Vv10

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

Page 64: CentElectCapI_Vv10

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

Page 65: CentElectCapI_Vv10

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

Page 66: CentElectCapI_Vv10

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

Page 67: CentElectCapI_Vv10

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

Page 68: CentElectCapI_Vv10

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

Page 69: CentElectCapI_Vv10

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

Page 70: CentElectCapI_Vv10

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

Page 71: CentElectCapI_Vv10

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

Page 72: CentElectCapI_Vv10

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

Page 73: CentElectCapI_Vv10

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

Page 74: CentElectCapI_Vv10

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

Page 75: CentElectCapI_Vv10

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

Page 76: CentElectCapI_Vv10

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

Page 77: CentElectCapI_Vv10

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

Page 78: CentElectCapI_Vv10

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

Page 79: CentElectCapI_Vv10

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

Page 80: CentElectCapI_Vv10

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

Page 81: CentElectCapI_Vv10

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

Page 82: CentElectCapI_Vv10

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

Page 83: CentElectCapI_Vv10

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

Page 84: CentElectCapI_Vv10

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

Page 85: CentElectCapI_Vv10

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

Page 86: CentElectCapI_Vv10

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

Page 87: CentElectCapI_Vv10

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

Page 88: CentElectCapI_Vv10

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

Page 89: CentElectCapI_Vv10

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

Page 90: CentElectCapI_Vv10

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

Page 91: CentElectCapI_Vv10

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

Page 92: CentElectCapI_Vv10

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

Page 93: CentElectCapI_Vv10

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

Page 94: CentElectCapI_Vv10

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

Page 95: CentElectCapI_Vv10

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

Page 96: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 97: CentElectCapI_Vv10

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

Page 98: CentElectCapI_Vv10

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

Page 99: CentElectCapI_Vv10

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

Page 100: CentElectCapI_Vv10

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

Page 101: CentElectCapI_Vv10

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

Page 102: CentElectCapI_Vv10

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

Page 103: CentElectCapI_Vv10

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

Page 104: CentElectCapI_Vv10

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

Page 105: CentElectCapI_Vv10

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%

Page 106: CentElectCapI_Vv10

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

Page 107: CentElectCapI_Vv10

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

Page 108: CentElectCapI_Vv10

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]

Page 109: CentElectCapI_Vv10

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

Page 110: CentElectCapI_Vv10

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

Page 111: CentElectCapI_Vv10

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

Page 112: CentElectCapI_Vv10

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

Page 113: CentElectCapI_Vv10

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.

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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

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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

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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.

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