procesos de transferencia - termoelectricas
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Facultad de Ingeniería Ingeniería Industrial
Planta Termoeléctrica
Procesos de Transferencia
Profesor: Eugenio Vargas Cardenas
Alumnos:
Denisse Araneda SaraviaGustavo Flores GálvezYara Miranda Vargas
Procesos de Transferencia
Índice
1. Resumen Ejecutivo....................................................................................2
2. Introducción................................................................................................3
3. Objetivos....................................................................................................4
4. Alcance......................................................................................................5
5. Desarrollo...................................................................................................6
La Planta Termoeléctrica a carbón:...................................................................6
El funcionamiento de la planta:..........................................................................7
El proceso de refrigeración:...............................................................................9
6. Comparación de la Tecnología................................................................11
Plantas termoeléctricas antiguas.....................................................................11
Plantas termoeléctricas modernas...................................................................12
7. Conclusiones............................................................................................14
8. Bibliografía...................................................................................................................15
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Procesos de Transferencia
Resumen Ejecutivo
El presente informe tiene objeto instruir y colocar en evidencia cómo es el
funcionamiento de una planta termoeléctrica a carbón. Para esto, se tomará por
ejemplo la central Santa María, ubicada en Coronel VIII Región, que es propiedad
de Colbún, uno de los principales actores en generación en nuestro país.
Las centrales termoeléctricas a carbón son bastante utilizadas para la
generación eléctrica debido a su bajo costo de implementación y operación, pero
también son muy resistidas por la población, por su inminente deterioro del medio
ambiente que le rodea y también la salud de las personas. De hecho, altera
significativamente las condiciones de la atmósfera y también del medio híbrido
utilizado para el enfriamiento de los componentes de la planta. Normalmente son
ubicadas cerca del mar o de grandes ríos para aprovechar estos como sumideros
en el intercambio de calor.
Actualmente un proyecto de este tipo requiere de un informe de impacto
ambiental por parte de la autoridad sanitaria que corrobore que dicho proyecto
satisface la normativa legal, pero obviamente el desarrollo del país requiere
electricidad y estas normas no son tan elevadas como lo debiesen ser para
proteger el ambiente.
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Procesos de Transferencia
Introducción
La Central Termoeléctrica Santa María, se encuentra ubicada en la ciudad de
Coronel en la VIII Región del Biobío. Entró en funcionamiento el año 2012 y aporta
al Sistema Interconectado Central (SIC) una potencia máxima de 342 MW.
Esta central pertenece a la compañía Colbún S.A., y es su primera central
termoeléctrica a carbón. Algunas características principales de esta planta son las
siguientes:
Consumo: 132 ton/h de carbón bituminoso.
Turbina a vapor: General Electric.
Generador: Enfriado por hidrógeno 410MVA, pf 0.85.
Condensador: Refrigeración y desulfurizador con agua de mar.
Potencia: 342 MW.
Las siguientes páginas intentarán aclarar el funcionamiento de esta planta
termoeléctrica y también de mostrar algunos de los procesos de transferencia de
calor que se producen dentro del ciclo de la planta.
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Procesos de Transferencia
Objetivos
Este trabajo tiene como objetivos lo siguientes puntos:
Explicar el funcionamiento de la planta termoeléctrica Santa María.
Evidenciar algunos de los procesos donde se generan transferencias
de calor.
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Alcance
El alcance de este trabajo es explicar a grandes rasgos el funcionamiento de
una planta termoeléctrica, desde la entrada del combustible hasta la salida de
energía eléctrica desde el generador. Dentro de esto, se explicará además el
proceso de refrigeración del condensador realizado con agua de mar.
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Desarrollo
La Planta Termoeléctrica a carbón:
Una planta termoeléctrica funciona en términos simples obteniendo energía
de la combustión de, generalmente, combustibles fósiles y convirtiéndola en
energía eléctrica para el uso domiciliario o industrial. El uso de combustibles
fósiles se debe al bajo costo de operación que esto conlleva, por lo que su uso ha
sido extendido en todo el mundo.
Imagen 1 – Planta Termoeléctrica Santa María, Coronel, VIII Región
Cabe recordar que el diseño de la planta contempla inicialmente la potencia
máxima de salida, o la energía máxima que será posible obtener de esta planta.
Dicho esto se entiende que esta capacidad contempla una aprobación por parte
de la autoridad ambiental.
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En el caso de la planta en estudio, posee una capacidad de 342 MW de
generación de energía. Para esto requiere de la cantidad no despreciable de 132
toneladas de carbón bituminoso por hora. Siendo simplistas y sabiendo que el
carbón bituminoso tiene un poder calorífico entre 24 a 35 MJ/kg lo que equivale a
la siguiente potencia de entada, suponiendo un poder calorífico promedio de 30
MJ/kg:
Pe=36.67kgsx30.000 .000
Jkg
=1.100MW
Con esto la eficiencia energética de la planta sería la siguiente:
η= 342MW1100MW
=31.1%
El rendimiento obtenido a partir del consumo de carbón inicial y de la
potencia de salida real, entrega una visión de la energía perdida en los procesos
intermedios.
El funcionamiento de la planta:
Los procesos que se realizan dentro de la planta, se pueden observar en la
siguiente imagen:
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Procesos de Transferencia
Imagen 2 – Procesos de una planta termoeléctrica
Como puede observarse, el ciclo comienza con la combustión del
combustible en la caldera. Esto calentará el líquido hasta convertirlo en vapor.
Este vapor pasará por las aletas de la turbina y la moverá. Este movimiento
producirá la diferencia de potencial en el alternador y se obtendrá la energía
eléctrica.
Luego de pasar por la turbina, el vapor pasará por el condensador. En este
punto se enfriará y pasará a ser líquido nuevamente, para volver a la caldera con
ayuda de la bomba de recirculación.
El enfriamiento se produce por medio de un sumidero a baja temperatura,
en el caso de la central Santa María, se refrigera con agua de mar que hacen
pasar por el circuito. Uno de los requerimientos para minimizar el impacto
ambiental de la planta es devolver el agua al mar con la misma temperatura a la
cual fue extraída.
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Procesos de Transferencia
Cabe destacar la salida de los gases de combustión generados en la
caldera, estos se liberan al medio ambiente por medio de una chimenea. Para esta
planta, tiene una altura de 120 metros.
El proceso de refrigeración:
La refrigeración del vapor saliente de la turbina se realiza por medio del
agua de mar circulante por el condensador. Al circular el refrigerante (Agua de
mar) se genera un proceso de convección en el sistema y también un proceso de
conducción en menor medida.
Esta planta no evacúa el agua a alta temperatura al mar, sino que mediante
torres de refrigeración esta vuelve a la misma temperatura con la que salió. Todo
esto en ayuda al medio ambiente para evitar la contaminación térmica.
Luego de pasar por el condensador, el agua posee una temperatura más
alta que la proveniente del mar. El agua es transportada a unas torres de
refrigeración en altura y se deja en caída libre, en este proceso pasa por unas
rejillas que pulverizan el agua y cae en forma de lluvia. Estas pequeñas gotas son
entonces enfriadas por medio de aire que asciende por la torre. Al llegar abajo,
esta agua vuelve al condensador para su nuevo ciclo.
La siguiente imagen muestra un diagrama de una torre de refrigeración por
caída libre:
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Procesos de Transferencia
Imagen 3 – Torre de Refrigeración
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Comparación de la Tecnología
Plantas termoeléctricas antiguas
Es posible comparar en Chile la planta termoeléctrica ubicada en Ventanas,
Quina Región. En este caso, la tecnología utilizada posee carencias con respecto
al cuidado del medio ambiente. Han sido innumerables las quejas de los vecinos
del sector debido a los contaminantes del ambiente, tanto los atmosféricos como
los térmicos. Es posible ir a la playa al costado de la central y ver cómo la
temperatura del agua es más elevada, salvo para los turistas que disfrutan de esta
agua a mayor temperatura, la flora y fauna existentes en el lugar son afectados y
mueren o deben retirarse a otros lugares.
En el caso de las personas, al existir poblaciones cercanas, son afectadas
por medio de la contaminación del aire. A largo plazo y sin control de las partículas
en el aire de forma continua para mantenerlas en niveles aceptables, producen
enfermedades de las vías respiratorias. Y es muy importante mencionar que los
gases de la combustión que son arrojados al medio ambiente producen
enfermedades graves, como el cáncer.
Cabe señalar que muchos de los factores de contaminación fueron visibles
con el paso del tiempo y es por esto que las normas ambientales aumentaron las
restricciones para el funcionamiento de las plantas nuevas. Lamentablemente aún
no se han actualizado todas las plantas en Chile para utilizar las mejores
tecnologías, debido a la inversión que esto conlleva. Pero en el mediano plazo a
largo plazo se debe tender a realizar las mejoras necesarias en las plantas para
que cumplan con los requerimientos señalados.
El caso del proyecto “Sammis Proyect Retrofit”. Una planta termoeléctrica a
carbón construida en Stratton, Ohio, Estados Unidos entre los años 1959 y 1971.
La planta termoeléctrica más grande del mundo y la más contaminante sufrió una
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dramática reducción en la emisión de gases al medio ambiente, considerando sus
2.220 MW de potencia de salida.
Para esto, se invirtieron cerca de $1700 millones de dólares en la generación
de ductos con filtros y una nueva chimenea de 250 metros, que unida a la
existente de 300 metros eliminaron el 95% del dióxido de azufre generado.
También se reduce el óxido de nitrógeno en un 64%. La longitud de los filtros por
donde pasan los gases de combustión, es de aproximadamente 2.750 metros y
fue denominada “La Gran Muralla” por su extensión.
Plantas termoeléctricas modernas
Junto con la concientización que han ido tomando las personas y las
empresas para proteger el medio ambiente, se han dispuesto de nuevas
tecnologías en las plantas termoeléctricas que mejoran enormemente las
condiciones para personas, flora y fauna.
Una de las mejoras que se producen en este ámbito, es la producción con
energía más limpia, mayores plantas a gas natural y menos a carbón debido a las
partículas que arrojan al ambiente estos dos combustibles. Mientras que el carbón
por cada kW de energía generada arroja al ambiente 1.45 kg de CO2, el gas
natural sólo arroja 0.44 kg.
Pero se ha mejorado en gran medida la contaminación generada por el
carbón. Nuevos filtros de partículas por donde circulan los gases de combustión
antes de ser arrojados al medio ambiente y chimeneas de más de 300 metros de
altura para arrojar los gases fuera del alcance de la población son algunas de las
mejoras tecnológicas que se han suscitado en los últimos años. Se ha visto la
mejora sustancial con respecto a la contaminación térmica que se producía en los
sumideros fríos, tales como el mar o ríos en donde se afectaba de gran manera a
la flora y fauna. Hoy el impacto ambiental es mínimo en la planta Santa María,
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debido al tratamiento térmico del agua utilizada en el condensador, enfriándola
antes de volver al mar.
Algunas plantas con ciclos combinados mejoran la eficiencia energética de
las plantas termoeléctricas aprovechando el vapor saliente de la primera turbina
para mover una segunda de menor tamaño. Esto ha ayudado a tener eficiencias
de hasta el 60%.
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Procesos de Transferencia
Conclusiones
Tal y como se menciona en este informe, podemos concluir que actualmente
si bien, la planta Santa María, está bien diseñada para no contaminar de una
manera tan brusca al medio ambiente, aún falta por mejorar la tecnología en otras
termoeléctricas del país, como en la de Ventana, es por esto que encontramos
que sumamente necesario crear o modificar una ley medio ambiental que exija a
todas las termoeléctricas que usan como refrigerante el agua de mar o bien ríos,
que esta sea devuelta a la misma temperatura, que también incorporen como
combustible el gas natural, y que las chimeneas sean de 300 metros como
mínimo, para que la población no se vea afectada directamente con las partículas
que emanan. Estas soluciones ayudarían en gran cantidad a la población, flora y
fauna del país, que sobre todo esta última es la más afectada actualmente.
Con respecto a la eficiencia energética que entregan las plantas
termoeléctricas en Chile, tienen una eficiencia entre un 30 y un 35%, lo cual podría
mejorar implementando ciclos combinados de Brayton y Rankine respectivamente,
aumentando la eficiencia en casi el doble y disminuyendo el consumo de agua
refrigerante.
En Chile y el mundo la energía es sumamente necesaria para el desarrollo
global y tecnológico, es por esto que hacemos un llamado a ser consientes con los
medios que utilizamos para obtener energía eléctrica y su impacto en el medio
ambiente.
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Bibliografía
Bechtel Power Corporation. (s.f.). Sammis Powered Retrofit. Obtenido de http://www.bechtel.com/sammis-power-retrofit.html
cica. (s.f.). Centrales Termoeléctricas Clásicas. Obtenido de http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo7.html
Colbún S.A. (s.f.). Centrales y Proyectos. Obtenido de http://www.colbun.cl/centrales-y-proyectos/centrales/santa-maria/
Wikipedia. (s.f.). Central termoeléctrica. Obtenido de http://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctrica
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