CAPÍTULO IVCENTRALES TÉRMICAS

CON TURBINAS A VAPOR

ANTECEDENTES HISTÓRICOS• El año 175 a.c. se pone en funcionamiento la «turbina de Heron»; en ella se transforma la

presión del vapor en movimiento, constituyendo así la primera turbina de reacción pura.• En 1629, Giovanni Brance experimentó con una rueda de agua modicada, dirigiéndole un

chorro de vapor. La rueda giró, pero no tuvo la suficiente potencia como para producir trabajo útil. Hasta finales del siglo XIX, no se encontró ninguna aplicación práctica a la turbina de vapor, el primero en encontrar un aprovechamiento fue el inventor sueco De Laval (1845 - 1913), quien patentó un desnatador centrífugo impulsado por una turbina de vapor de acción de una sola etapa.

• El desarrollo definitivo de la aplicación industrial de las turbinas de vapor se dio en la última década del siglo XIX (1895), cuando el ingeniero ingles Charles Parsons desarrolló la turbina de vapor de reacción de varios escalonamientos, como motor marino apropiado para impulsar barcos de gran tonelaje. Casi simultaneamente , en EEUU, Charles G. Curtis, ideó para General Electric los alternadores accionados con turbinas de vapor.

Turbina de HERON Desnatador de Laval

ANTECEDENTES HISTÓRICOS EN EL PERU• En la década de los 50´s se instalan las primeras unidades de las

Centrales Térmicas a Vapor que aún están operativas en nuestro sistema, luego han venido entrando otras unidades en diferentes etapas quedando finalmente ahora como se indica a continuación: Central Térmica Chilina con 03 unidades de 4, 8 y 10 MW. Central Térmica Ilo 1 con 04 unidades: 2x22 MWc/u y 2x66 MW c/u. Central Térmica San Nicolás, con 3 unidades: 18.7, 17.1 y 25.9 MW.Todas estas unidades operan con petróleo residual y están basadas en Ciclo Rankine

Regenerativo.

• En la década de los 90´se instaló la Central Térmica a Vapor ILO 21 que es la única que opera en Ciclo Regenerativo y con Recalentamiento y utiliza carbón mineral como combustible. Actualmente está conformada por una unidad de 135 MW.

• Igualmente existen operando en los ingenios azucareros (Pomalca, Tumán, Pucalá, Cayaltí, Casa Grande, Cartavio, Laredo y Paramonga), varias unidades a vapor que operan como plantas de ciclo de cogeneración produciendo calor y electricidad para sus procesos industriales. Algunas de estas centrales están aisladas del SINAC por operar en 50 HZ. La capacidad total de estas unidades a vapor totalizan aproximadamente 90 MW.

FOTOS DE CENTRALES TÉRMICAS A VAPOR

C.T. CHILINA (Arequipa) C.T. ILO 21 (Ilo)

C.T. SAN NICOLÁS (Marcona)

ESQUEMA SIMPLE DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA CON TURBINA A VAPOR

CICLO RANKINE SIMPLE IDEAL

EL CICLO RANKINE IDEAL• Este ciclo está conformado por cuatro procesos que se describen a

continuación:

• Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador.

• Proceso 2-3: Transmisión de calor desde el fluido de trabajo al refrigerante a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido saturado.

• Proceso 3-4: Compresión isoentrópica en la bomba. En el se aumenta la presión del fluido mediante un compresor o bomba, al que se le aporta un determinado trabajo.

• Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.

• Existe la posibilidad de sobrecalentar el fluido mas allá de la línea de saturación (1), cuya importancia será discutida posteriormente.

CICLO RANKINE IDEAL CON SOBRECALENTAMIENTO

PROCESOS:• 1-2 Bombeo (isentrópica, s=cte)

• 2-3 Entrega de Calor (isobárica, p=cte)

• 3-4 Expansión (isentrópica, s=cte)

• 4-1 Condensación (isobárica, p=cte)

BALANCE TERMICO EN EL CICLO RANKINE IDEAL CON SOBRECALENTAMIENTO

• Calor entregado por el ciclo

Q1= mv(h3-h2)

• Calor rechazado por el ciclo (condensación)

Q2= mv(h4-h1)

• Potencia requerida por la Bomba

Pb= mv(h2-h1)

• Potencia desarrollada por la turbina

PT= mv(h3-h4)

TRABAJO UTIL TU = Q1 - Q2 = PT - Pb

DETERMINACION DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE IDEAL CON SOBRECALENTAMIENTO

ηciclo = (h3-h4-h2+h1) / (h3-h2)

= 1 – (h4-h1) / (h3-h2)Bajo el supuesto de idealidad, el rendimiento también puede determinarse como:

ηciclo = 1 – Ts / Te

Donde:

Ts = Temperatura en el condensador (supuestamente constante)

Te= Temperatura promedio de absorción del calor ( TH)

•= (h3 – h2)/s3 – s2)

NOTA: El sobrecalentamiento del vapor tiene la finalidad de garantizar una calidad del vapor tal que no afecte a las partes internas de la turbina.

EJEMPLO DE CÁLCULO DEL CICLO RANKINE IDEAL CON SOBRECALENTAMIENTO

CICLO RANKINE REAL CON SOBRECALENTAMIENTO

En la bomba y en la turbina se producen irreversibilidades, de tal manera que en un ciclo real se requiere más potencia en la bomba para compensar sus pérdidas y en el caso de la turbina su potencia generada es menor por las pérdidas que se producen en ella; es decir en ambos casos el proceso es con aumento de entropía. Las pérdidas de presión en la caldera y condensador se compensa con una mayor potencia de las bombas.

CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO

El Recalentamiento es el proceso que va de B a 2´.En este caso la expansión se da en dos etapas:•1ra. Etapa: 2 – B (turbina de alta presión)•2ta. Etapa: 2´- 3 (Turbina de baja presión)

EJEMPLO DE CÁLCULO DEL CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO

CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVO

EJEMPLO DE CÁLCULO DEL CICLO RANKINE REGENERATIVO Y SOBRECALENTAMIENTO

EQUIPOS Y COMPONENTES DE UN CICLO RANKINE REGENERATIVO Y CON SOBRECALENTAMIENTO

EQUIPOS Y COMPONENTES DE UN CICLO RANKINE REGENERATIVO CON SOBRECALENTAMIENTO Y RECALENTAMIENTO

MEJORAS DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE

MEJORA DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE

AUMENTO DE LA PRESIÓN INICIAL DEL VAPOR VARIACIÓN DE LA EFICIENCIA

EFECTOS 1. Aumento de la potencia de la bomba.2. Modificación del costo de la caldera3. Modificación del costo de la turbina4. Modificación del costo de la bomba de agua de alimentación.5. Modificación de la tubería de alta presión.

Diagrama Base: 1, 2, 3, 4, 5 y 6Modificación: 1’, 2’, 3’, 4’, 5’ y 6’

MEJORA DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE

AUMENTO DE TEMPERATURA INICIAL DEL VAPOR VARIACIÓN DE LA EFICIENCIA

EFECTOS 1. Aumenta el volumen específico del vapor.2. Reduce el esfuerzo admisible de los materiales3. Aumenta el peso, calidad y costo de las tuberías. Δ15°C → Δ35% peso de la tubería Δ 25°C → Δ70% peso de la tubería

Diagrama Base: 1, 2, 3, 4, 5 y 6Modificación: 1, 2, 3, 4, 5’’ y 6’’

MEJORA DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINEAUMENTO DE PRESION Y TEMPERATURA

SIMULTÁNEA VARIACIÓN DE LA EFICIENCIA

Diagrama Base: 1, 2, 3, 4, 5 y 6Modificación: 1, 2’, 3’, 4’, 5’’ y 6

Presión Temperatura Eficiencia

kg/cm2 ºC %

32 420 40

40 450 42

64 460 43.5

100 540 45.6

140 570 50.6

250 585 52.3

MEJORA DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINERECALENTAMIENTO MEJORA DE LA EFICIENCIA

Objetivos del Recalentamiento:

-Mejorar la eficiencia del ciclo térmico.-Llevar la humedad del vapor de escape de la turbina a la zona óptima.

Diagrama T-S del ciclo con recalentamiento Variación de la eficiencia del ciclo en función del número de recalentadores

Observaciones:

Para presiones de más de 125 kg/cm2 y temperaturas de 540ºC, el recalentamiento se convierte en una necesidad.

MEJORA DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINEDISMINUCIÓN DE LA TEMEPERATURA DE

CONDENSADOVARIACIÓN DE LA POTENCIA Y VOLUMEN DE VAPOR VS. TEMPERATURA DE CONDENSADO

EFECTOS 1. Aumenta la superficie útil del ciclo y disminuye el calor rechazado, aumentando la eficiencia del ciclo.

2. Aumenta la humedad en el vapor de escape de la turbina y la masa de volumen específico de este.

Variación de la eficiencia del ciclo en función de la disminución de temperatura de condensado

Variación de la potencia en la turbina y en el volumen de vapor, en función de la disminución de temperatura de condensado

La temperatura de condensado depende de la temperatura de agua de enfriamiento, del flujo de ésta y de la superficie del condensador.

MEJORA DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE

NÚMERO DE CALENTADORESNº OPTIMO DE CALENTADORES VS. CAPACIDAD

INSTALADA

EFECTOS 1. El número óptimo de calentadores y la temperatura óptima de calentamiento del agua depende de la capacidad instalada, el factor de capacidad y el costo de combustible.

2. A mayor número de calentadores la eficiencia se incrementa, pero también los costos de inversión se incrementan por lo que esto se justifica siempre que se tiende a unidades de mayor capacidad instalada y mayor factor de planta.

Variación de la eficiencia del ciclo en función del número de calentadores de agua

Potencia (MW)

Nº de Recalent.

Presión (Kg/cm2)

Nº de calentadores

Temp. Agua Alimen. (ºC)

4 – 12 - 35 – 40 3 170 – 180

10 – 25 - 64 4 190 – 200

25 – 50 - 100 – 125 5 – 6 215 – 220

100 – 300 1 140 – 180 7 – 8 235 – 250

200 – 400 1 Más de 180 7 – 8 250 – 260

Más de 400 2 Más de 240 8 - 10 270 - 290

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS PLANTAS TERMICAS A VAPOR

VENTAJAS • Amplio rango de potencias: 30 a 1500

MW• Pueden quemar distintos tipos de

combustible: carbón, gas, petróleo, biomasa (p.e. bagazo); etc.

• Baja variación de la eficiencia con la variación de carga.

• Producción de energía relativamente rentable

• Las cenizas producidas durante la combustión pueden usarse en la construcción.

DESVENTAJAS• Costos de inversión altos: 1000 a 1500

US$/KW.• Tiempo de construcción prolongado: 3 a 5

años.• Ocupan mucho espacio.• Consumen mucha agua en el sistema de

enfriamiento.• Tienen un tiempo de arranque hasta plena

carga prolongado: 8 a 24 horas.• Tienen un alto nivel de gases contaminantes.• En los procesos de limpieza de la central se

producen muchos residuos.• Requieren mucho personal para la operación

y mantenimiento.

COSTO ESPECIFICO DE INVERSIÓN

Los costos específicos de inversión de las centrales térmicas a vapor son las más caras en comparación a las otras tecnologías convencionales. Para centrales que operan a carbón: 1200 – 1500 US$/KW

Para centrales que operan con petróleo : 1000 – 1200 US$/KW

EFICIENCIA.- Es igual a la relación entre la energía útil producida (vapor), entre la energía consumida (energía química del combustible); cuando ambas se expresan en las mismas unidades. Es decir es un parámetro adimensional.

EFICIENCIA DE CALDERAS

METODO DIRECTO

=(Calor vapor-Calor agua de alimentación)/(Calor combustible) METODO INDIRECTO

= Calor combustible - perdidas Pérdidas:•inquemados sólidos •Inquemados gaseosos•purgas•calor sensible de los gases•calor de radiación y convección

CALCULO DE LA EFICIENCIA DE CALDERAS

HEAT RATE DEL CICLO RANKINE

Nº

Potencia del turbogenerador

a vapor (KW)

Presión vapor (bar)

Temperatura vapor (ºC)

Temperatura de Recalentamiento

(ºC)

HEAT RATE

(KJ/KWh)

1 25000 40 450 - 10439

2 31500 40 450 - 10345

3 50000 60 485 - 9558

4 63000 80 520 - 9094

5 80000 80 520 - 9021

6 100000 100 540 - 8737

7 125000 125 540 540 8132

8 160000 125 540 540 8089

9 200000 125 540 540 8046

10 250000 125 540 540 8010

COSTO O Y M FIJO (CF)

En este tipo de plantas este costo es relativamente alto por la cantidad de equipos e instalaciones y por el mayor número de personal que se requiere respecto a los otros tipos de centrales térmicas. Para centrales que operan con petróleo se estima : 5.0 - 7.5 US$/KW-añoPara centrales que operan con carbón se estima : 7.5 – 10 US$/Kw-año

COSTO VARIABLE COMBUSTIBLE

Este costo depende del Heat Rate del Rankine, de la eficiencia de la caldera y del precio del combustible: CVC = Precio combustible(US$/MMBTU)*Heat Rate ciclo

(BTU/KWh)/eficiencia caldera Por ejemplo:Para caldera de 100 MW a petróleoPrecio del petróleo residual 500 : 5.636 US$/MMBTUHeat Rate : 8737 KJ/KWh = 8280.7 BTU/KWhEficiencia de la caldera : 85% 

CVC = 0.0549 US$/KWh

COSTO VARIABLE NO COMBUSTIBLE

Este costo es relativamente bajo si la comparamos con las otras alternativas de generación térmica; puede estimarse en:  CVNC para centrales con calderas a carbón :

1.0 – 1.5 US$/MWh

CVNC para centrales con calderas a petróleo :1.2 – 1.8 US$/MWh