TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ INGENIERÍA ELÉCTRICA Materia: CENTRALES ELÉCTRICAS PRESENTA Hernández Solís Karen Alejandra Moreno Guzmán Lindsey Kylee Ramírez Castillo Ferneli Dagoberto Velázquez Santizo Xenia Karina “TEMARIO UNIDAD 1 Y 2” Docente: ING. KARLOS VELÁZQUEZ MORENO Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México; 23 de septiembre de 2019 INDÍCE TEMARIO UNIDAD 1 “CENTRALES TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES” SUBTEMAS 1.1 Arreglos generales de sistemas convencionales____________________ 1.2 Combustibles fósiles; características y situación actual______________ 1.3 Ciclos de vapor, equipos térmicos y producción eléctrica_____________ 1.4 Balance de energía perdidas y eficiencias por equipos generales_______ 1.5 Impacto al medio ambiente_____________________________________ UNIDAD 2 “EQUIPOS TERMOMECÁNICOS” SUBTEMAS 2.1 Generalidades y clasificación de calderas___________________________ 2.2 Sistemas de alimentación y quemado de combustible__________________ 2.3 Producción y características de vapor 2.4 Turbinas de vapor, clasificación y características de diseño______________ 2.5 Ciclos térmicos con calderas y turbinas______________________________ 2.6 Sistemas de recuperación de cond. y torres de enfriamiento_____________ 2.7 Sistemas y equipos de tratamiento de agua__________________________ INTRODUCCIÓN En México, las centrales termoeléctricas cubren un 43 % de la generación de energía, hidroeléctricas un 11 %, carboeléctricas 7 %, centrales geo termoeléctrica 3 % y sólo hay una central nucleoeléctrica que aporta el 3 % y las eoeléctricas tan sólo un 0.07 %. El sector eléctrico en los países enfrenta retos importantes: 1. Asegurar la disponibilidad del suministro en todo el país. 2. Incrementar la participación de las energías no fósiles. 3. Fomentar el aprovechamiento sustentable de la energía. 4. LA HUMANIDAD ha tenido siempre la necesidad de contar con fuentes de energía para satisfacer una serie de demandas de carácter vital o prescindible. Las necesidades vitales básicas son cubiertas por la energía suministrada por el Sol, a través de luz y calor, los alimentos y el oxígeno contenido en el aire. A medida que las civilizaciones han ido evolucionando se han creado nuevas necesidades energéticas, cada vez más imprescindibles. La primera fuente de energía sobre la que tuvo dominio el hombre fue el fuego (gracias a Prometeo, según la mitología griega). Su uso le permitió cocinar los alimentos y proveerse de calor en climas fríos, lo que constituye el primer ejemplo de la utilización práctica de una fuente de energía. El combustible, que permitía disponer del fuego era, en este caso, la madera y el carbón. Las demandas de energía aumentaron considerablemente a medida que se avanzaba en la industrialización de la sociedad. El advenimiento de las máquinas de vapor produjo una explosión en el uso y explotación de carbón, y con el descubrimiento de la electricidad se encontró en la energía de los ríos un invaluable recurso natural que tiene, además, la virtud de ser inagotable. Por último, el hallazgo del petróleo permitió el desarrollo eficiente de los motores de combustión interna los cuales se han convertido en el mecanismo de locomoción más usado hoy en día. Aunque la mayoría de las necesidades energéticas mencionadas no son esenciales para la sobrevivencia del ser humano, se han convertido en parte casi inseparable de nuestra cotidianidad y resulta difícil concebir un modo de vida diferente al que estamos acostumbrados, sin las comodidades que resultan de los múltiples aparatos hechos por el hombre. Por ello nos interesa asegurarnos de que la energía necesaria para mantener la estructura actual no desaparezca. Sin embargo, muchas de las fuentes energéticas utilizadas actualmente tienen una duración limitada, siendo el petróleo el caso más preocupante. Ninguna estimación prevé que las reservas petrolíferas mundiales podrán alcanzar para mucho más de un siglo. En el caso del carbón el panorama es más halagador. Su uso representa hoy casi una tercera parte de la producción mundial de energía y manteniendo este consumo se calcula que las reservas conocidas (un billón de toneladas de combustible convencional1 [Nota 1]) durarían 450 años. Esta cifra se vería reducida si se toma en cuenta que el consumo de energía aumenta gradualmente. Sin embargo, el mayor problema con la quema de combustibles fósiles es que han propiciado la acumulación de compuestos de carbono en la atmósfera, los cuales producen el llamado efecto de invernadero y dan lugar a un incremento en la temperatura global de la biósfera. Este calentamiento alteraría el clima de manera perjudicial para la vida, incrementaría la extensión de las regiones áridas, y derretiría parte de los hielos en los casquetes polares aumentando el nivel de los mares e inundando ciudades costeras. Por lo tanto, es necesario que se trate de evitar la combustión desmesurada de combustibles fósiles para detener el efecto de invernadero. Esta situación ha llevado a buscar nuevas fuentes de energía que representen alternativas viables a los métodos de producción actuales y, entre las que se presentan destaca la utilización de la energía TERMOELECTRICA. UNIDAD 1 “CENTRALES TERMOELECTRICAS CONVENCIONALES” 1.1 “ARREGLOS GENERALES DE SISTEMAS CONVENCIONALES” Una central termoeléctrica es una instalación empleada en la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. DEFINICIÓN DE CENTRAL TERMICA Una central térmica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo. El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento. FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA En las centrales térmicas convencionales, la energía química ligada por el combustible fósil (carbón, gas o fuel -óil) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fuel -óil o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de combustible empleado. El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado). Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La turbina consta de tres cuerpos; de alta, media y baja presión respectivamente. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente. Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de rotación. El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres de enfriamiento. La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador asíncrono acoplado a la turbina. Algunas centrales termoeléctricas contribuyen al efecto invernadero emitiendo dióxido de carbono. También hay que considerar que la masa de este gas emitida por unidad de energía producida no es la misma en todos los casos: el carbón se compone de carbono e impurezas. Casi todo el carbono que se quema se convierte en dióxido de carbono (también puede convertirse en monóxido de carbono si la combustión es pobre en oxígeno). En el caso del gas natural, por cada átomo de carbono hay cuatro de hidrógeno que también producen energía al convertirse en agua, por lo que contaminan menos por cada unidad de energía que producen y la emisión de gases perjudiciales procedentes de la combustión de impurezas (como los óxidos de azufre) es mucho menor. Prácticamente todas las centrales eléctricas de carbón, nucleares, geotérmicas, energía solar térmica o de combustión de biomasa, así como algunas centrales de gas natural son centrales termoeléctricas. El calor residual de una turbina de gas puede usarse para producir vapor y a su vez producir electricidad en lo que se conoce como un ciclo combinado lo cual mejora la eficiencia. El objeto de las centrales térmicas es aprovechar la energía calorífica de un combustible para transformarla en electricidad. Esta transformación sigue el siguiente proceso: a) La energía contenida en el combustible se transforma, por combustión en energía calorífica. b) La energía calorífica que absorbe el fluido de trabajo se convierte al expansionarse en la turbina o motor en energía mecánica. c) La energía mecánica es transformada en energía eléctrica a través del generador eléctrico. El ciclo Rankine es el ciclo termodinámico que se emplea en las centrales térmicas de vapor. DESCUBRIMIENTO La primera central termoeléctrica fue construida por Sigmund Schuckert en la ciudad de Ettal en Baviera y entró en funcionamiento en 1878. Las primeras centrales comerciales fueron Pearl Street Station en Nueva York y la Edison Electric Light Station, en Londres, que entraron en funcionamiento en 1882. Estas primeras centrales utilizaban motores de vapor de pistones. El desarrollo de la turbina de vapor permitió construir centrales más grandes y eficientes por lo que hacía 1905 la turbina de vapor había reemplazado completamente a los motores de vapor de pistones en las grandes centrales eléctricas. Se llaman centrales clásicas o de ciclo convencional a aquellas centrales térmicas que emplean la combustión del carbón, petróleo (aceite) o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental. PARTES QUE COMFORMAN UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA CONVENCIONAL • 1 Torre de Refrigeración 10 Válvula de Control de Gases 19 Supercalentador 2 Bomba Hidráulica 11 Turbina de Vapor de Alta Presión 20 Ventilador de Tiro Forzado 3 Línea de Transmisión 12 Desgasificador 21 Recalentador 4 Transformador 13 Calentador 22 Toma de Aire de Combustión 5 Generador 14 Banda Transportadora de Carbón 23 Economizador 6 Turbina de Vapor de Baja Presión 15 Tolva de Carbón 24 Precalentador de Aire 7 Bomba de Condensación 16 Pulverizador de Carbón 25 Precipitador Electrostático 8 Condensador 17 Tambor de Vapor 26 Ventilador de Tiro Inducido 9 Turbina de Presión Media 18 Tolva de Cenizas 27 Chimenea de Emisiones A continuación, se muestra el diagrama de funcionamiento de una central térmica de carbón de ciclo convencional: En el esquema anterior se puede ver una central térmica de carbón, el cual llega por una cinta transportadora (14) hasta el molino (16) donde será triturado, para posteriormente ser inyectado en la caldera (19) para su combustión. En la caldera el agua que va por los tubos se transforma en vapor que mueve los álabes de las turbinas de alta presión (11), turbinas de media presión (9) y turbinas de baja presión (6); de esta manera se mueve también el rotor de las turbinas que giran solidariamente con el rotor del generador (5). En el generador se produce la energía eléctrica que se transportará a los centros de consumo mediante líneas de alta tensión (3). El vapor se conduce a un condensador (8), que convierte el vapor en agua para ser retornada a la caldera y empezar de nuevo el ciclo. Para condensar el vapor se utiliza como foco frío el agua del mar o de un río o bien un circuito cerrado refrigerado por aire mediante una torre de refrigeración (1). Los gases de la combustión en la caldera (generalmente CO2) son evacuados a la atmósfera por la chimenea (27); aunque previamente estos gases son tratados por equipos de reducción de emisiones. 1.3“COMBUSTIBLES FÓSIBLES; CARACTERISTICAS Y SITUACIÓN ACTUAL” Los combustibles fósiles son fuentes de energía que han estado presentes en la Tierra y que han sido sometidos al calor y a la presión de la corteza terrestre durante cientos de millones de años. Se formaron a partir del proceso natural de descomposición anaeróbica (organismo que no requiere de oxígeno) de organismos muertos y enterrados. Descubramos que son los combustibles fósiles, características, origen, aplicaciones y efectos secundarios que pueden ocasionar. Se llama combustibles fósiles a los hidrocarburos (petróleo y gas) y al carbón. Estos recursos se formaron a partir de materia orgánica proveniente de plantas, microorganismos, bacterias y algas, que mediante la fotosíntesis transformaron en energía química la energía electromagnética del sol. Esa materia orgánica, acumulada hace cientos de millones de años en el fondo de lagos o mares con muy poco oxígeno, luego fue cubierta por capas sucesivas de sedimentos. Así, la corteza terrestre funcionó como una gran “cocina geológica”. La humanidad conoce la existencia de los combustibles fósiles desde hace miles de años. Sin embargo, no fue hasta la invención de la máquina de vapor y el desarrollo de la Revolución Industrial que se comenzó a utilizar el carbón en cantidades significativas. Posteriormente, con la invención del automóvil y el motor de combustión interna, el petróleo se convirtió en la principal fuente de energía para el transporte terrestre y marítimo, a la vez que posibilitó el desarrollo de la aviación. En la actualidad, junto con el gas natural, el petróleo se ha convertido en el recurso energético fundamental de las sociedades y todavía no se han encontrado fuentes alternativas para reemplazarlo, a pesar de que por ser un recurso no renovable en algún momento se va a agotar. El petróleo El petróleo se caracteriza por su gran densidad energética, es decir, por la cantidad de energía que contiene por litro, y su facilidad de transporte y almacenamiento. Y al margen de su uso como combustible, es la materia prima fundamental para la industria petroquímica, que produce plásticos, cosméticos, tejidos sintéticos, pinturas, neumáticos, medicamentos, fertilizantes, pesticidas y un sinnúmero de objetos de uso cotidiano. El gas natural El llamando gas natural es un hidrocarburo compuesto principalmente por metano, que tiene un origen asociado al petróleo y comparte muchas de sus propiedades energéticas, aunque es más difícil de almacenar y transportar. Su uso se expandió en la Argentina a partir del descubrimiento, en la década de los 70, del mega yacimiento Loma la Lata, en Neuquén. Hoy, más de la mitad de la energía que consume nuestro país proviene del gas (54%); es el combustible más utilizado en los hogares, la industria y la generación de electricidad. El carbón El carbón es una roca sedimentaria formada por carbono, mezclado con otras sustancias. En la actualidad, a nivel mundial, se emplea principalmente para la generación de electricidad y en algunas industrias como fuente de energía. La Argentina no produce cantidades significativas y se lo utiliza muy poco, ya que el carbón del yacimiento de Río Turbio (99% de las reservas) tiene baja densidad energética. Esto influyó para que en Argentina se opte por la utilización del gas como fuente energética principal, con los beneficios ambientales que implica el uso del mismo respecto al carbón. Producción de hidrocarburos en la Argentina En nuestro país se producen alrededor de 32 millones de metros cúbicos de petróleo y 40 mil millones de metros cúbicos de gas por año, los cuales son transportados por las redes de ductos y los sistemas de transporte hasta las refinerías y plantas de tratamiento de gas emplazadas en distintos puntos del país. Estas son las que se encargan de producir los derivados que luego son distribuidos para su comercialización. Hidrocarburos no convencionales La declinación natural de la producción de los yacimientos maduros y el aumento de consumo a nivel mundial han obligado a ampliar las fronteras hidrocarburíferas en busca de nuevos recursos para garantizar el abastecimiento. Se han comenzado a explotar, entonces, los llamados recursos no convencionales, como el petróleo y el gas que se alojan en formaciones de baja permeabilidad y porosidad, los cuales requieren de tecnologías específicas y mayores costos para su desarrollo. Conocidos como shale gas y shale oil, estos nuevos recursos ya han comenzado a explotarse en nuestro país. La Argentina posee una gran cantidad de hidrocarburos no convencionales, lo cual permitirá al país asegurarse el autoabastecimiento de manera sostenida. La industria del petróleo y el gas El desarrollo de los recursos de petróleo y gas requiere de varias etapas que, si bien están relacionadas, cuentan con procesos y equipamiento diferentes. Estas etapas se agrupan generalmente en dos grandes áreas, que se denominan upstream (exploración y producción) y downstream (transporte de materias primas, refinación del petróleo crudo y tratamiento del gas, distribución y comercialización de los productos). El proceso productivo se inicia con la exploración, que es la búsqueda de nuevos yacimientos. Luego, el petróleo crudo y el gas natural se extraen y se transportan hasta las refinerías y las plantas de tratamiento mediante redes de ductos y sistemas de transporte. Finalmente, el gas natural y los productos generados en las refinerías son distribuidos entre los usuarios a través de distintos sistemas de comercialización, como por ejemplo, las estaciones de servicio para las naftas y el gasoil y las distribuidoras de gas domiciliario. Las refinerías Las refinerías son instalaciones industriales que procesan el petróleo crudo para obtener subproductos básicos como nafta, kerosene, combustible para aviación, gasoil, fueloil, lubricantes, asfaltos, gas licuado de petróleo y productos básicos para la industria petroquímica. Las centrales termoeléctricas Las centrales termoeléctricas convencionales funcionan a partir de la combustión de algún combustible fósil, como fueloil, gas natural o carbón. La combustión genera el calor necesario para convertir el agua en vapor; el vapor mueve las turbinas o los turbogeneradores, los cuales están acoplados a generadores de electricidad. Este tipo de usinas comenzó a instalarse en el mundo hacia fines del siglo XIX. En la Argentina, la más antigua fue instalada en 1916, la cual funcionaba a carbón. En la actualidad hay once usinas grandes, que generan más de 500MW; catorce, que producen entre 100 y 500MW; y más de veinticinco, con una potencia menor a los 100 MW. Las centrales de ciclo combinado Las centrales de ciclo combinado son aquellas en la que la energía térmica del combustible es transformada en electricidad mediante la utilización conjunta de una turbina de gas, una caldera de recuperación de calor y una turbina de vapor. Con ello se consigue aumentar de manera significativa la eficiencia de las plantas convencionales en la generación eléctrica, la cual puede elevarse del 35% al 50%. 1.3“CICLOS DE VAPOR, EQUIPOS TÉRMICOS Y PRODUCCIÓN ELÉCTRICA” La energía eléctrica, producto final de una planta de generación, es la resultante de un proceso de cuatro conversiones de energía: • En la primera, la energía de entrada, que es la energía química del combustible fósil o gas es convertida en energía térmica, en la forma de calor radiante y calor sensible. • La segunda conversión es la que se produce por intercambio de calor, de la energía térmica en energía termodinámica de algún fluido de trabajo (los más comunes agua, gases de la combustión y agua pesada) en el ciclo termodinámico de la instalación. • La tercera es de la energía termodinámica en energía mecánica de rotación, en una turbina. • La cuarta conversión es de la energía mecánica entregada por la turbina en energía eléctrica en el generador. Cada uno de los procesos de conversión acarrea pérdidas de energía, la mayor de las cuales se produce en el ciclo termodinámico. CICLOS DE VAPOR Las plantas de potencia de vapor de agua trabajan fundamentalmente con el mismo ciclo básico Rankine, tanto si el suministro de energía viene de la combustión de combustibles fósiles (Carbón, gas o petróleo), como si proviene de un proceso de fisión en un reactor nuclear. El ciclo de vapor de agua se diferencia de los ciclos de potencia de gas debido que en algunas partes de los procesos en el ciclo, se hallan presente tanto la fase liquida como la fase de vapor. Un ciclo de potencia eléctrica moderno a gran escala resulta bastante complicado en cuanto a los flujos de masa y energía. Para simplificar la naturaleza de estos ciclos se estudian en profundidad tomando modelos sencillos. La ventaja que presentan estos modelos es que proporcionan información cualitativa importante sobre la mayoría de los parámetros que afectan al funcionamiento del ciclo en su conjunto, reforzándose con prácticas de laboratorio donde se obtiene experiencias reales de la operación de estos sistemas mejorando la compresión de las plantas de potencia de vapor bajo los principios del ciclo Rankine CICLO DE POTENCIA DE VAPOR DE CARNOT: Existen diversos ciclos teóricos, compuesto por procesos internamente reversibles. Uno de ellos es el denominado Ciclo de Carnot, que puede funcionar como sistema cerrado o como sistema de flujo en régimen estacionario, el mismo está compuesto por dos procesos isotérmicos e internamente reversibles y dos procesos adiabáticos e internamente reversibles. Si en varias etapas del ciclo, el fluido de trabajo aparece en las (1.7) (1.8) fases líquida y vapor, el diagrama Ts del ciclo de vapor presentado en la figura 1.1a y 1.1b, será análogo al ciclo de Carnot. Este puede resumirse en la siguiente secuencia de procesos: 1-2 A la presión alta del estado 1 se comunica calor a presión constante (y a temperatura constante), hasta que el agua se encuentra como vapor saturado en el estado 2. 2-3 Una expansión adiabática e internamente reversible del fluido de trabajo en la turbina hasta que alcanza la temperatura inferior TB en el estado 3. 3-4 El vapor húmedo que sale de la turbina se condensa parcialmente a presión constante (y temperatura constante) hasta el estado 4, cediendo calor. 4-1 Se comprime isotrópicamente vapor de agua húmedo, que se encuentra en el estado 4, hasta el estado 1 de líquido saturado. CICLO RANKINE: El ciclo Rankine es una modificación del ciclo Carnot, esto con el fin de mejorar el sistema térmico corrigiendo los problemas que este produce, entre estas modificaciones están: Primero en el proceso 4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor húmedo expandido en la turbina se condense por completo, hasta el estado líquido saturado a la presión de la salida de la turbina. Proceso de compresión 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de líquido, que eleva isotrópicamente la presión del líquido que sale del condensador hasta la presión deseada para el proceso 2-3. Durante el proceso 2-3 se sobrecalienta el fluido hasta una temperatura que es con frecuencia superior a la temperatura crítica. CICLO COMBINADO Un ciclo de potencia combinado es un ciclo basado en el acoplamiento de dos ciclos de potencia diferentes, de modo que el calor residual en un ciclo sea utilizado por el otro, parcial o totalmente, como fuente térmica. Este ciclo combinado consiste en la utilización de un ciclo de turbina de gas Brayton (Esté es un ciclo de potencia cuyo fluido de trabajo es la mezcla aire combustible, el cual se estudiará más adelante) como ciclo superior, con un ciclo de turbina de vapor (Rankine). Un ciclo superior es aquel cuyo calor Al ver la figura 1.13 piense en las principales industrias consumidoras de energía eléctrica citadas a continuación: Químicas, refinerías de petróleo, siderúrgica, tratamiento de alimentos y producción de pasta y papel. Las grandes plantas de estas industrias básicas necesitan, además de cubrir sus necesidades eléctricas, vapor de agua para el desarrollo de diversos procesos ε en neto P Q W Q entrada total de calor salida de trabajo neto calor de proceso entregado & & & + = + ε = (1.30) Fig. 1.13 una planta de cogeneración con CICLO DE VAPOR BINARIO Un ciclo binario es aquel en el que el calor extraído durante el proceso de cesión de calor de un ciclo de potencia se utiliza como calor que entra en otro ciclo de potencia. Anteriormente se ha hecho notar que la temperatura de condensación de un ciclo de potasio puede estar alrededor de los 600 ºC (1100 ºF). El calor extraído a esta temperatura se puede suministrar a un ciclo Rankine que trabaje con vapor de agua y ceda calor a la temperatura atmosférica. CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES Centrales Térmicas de Carbón Las centrales térmicas que usan como combustible carbón, pueden quemarlo en trozos o pulverizado. La pulverización consiste en la reducción del carbón a polvo finísimo (menos de 1/10 mm de diámetro) para inyectarlo en la cámara de combustión del generador de vapor por medio de un quemador especial que favorece la mezcla con el aire comburente. Con el uso del carbón pulverizado, la combustión es mejor y más fácilmente controlada. La pulverización tiene la ventaja adicional que permite el uso de combustible de desperdicio y difícilmente utilizado de otra forma. En estas se requiere instalar dispositivos para separar las cenizas producto de la combustión y que van hacia el exterior, hay incremento de efecto invernadero por su combustión, altos costos de inversión, bajo rendimiento y arranque lento Centrales Térmicas de Fuel-Oil En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidez óptima para ser inyectado en los quemadores. Las de fuel-óil presentan como principal inconveniente las oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen tratamientos de desulfuración de los humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida. El consumo de un millón de litros de gasolina emite a la atmósfera 2,4 millones de kilogramos de Dióxido de Carbono (CO2), el principal causante del cambio climático mundial. Arranque lento y bajo rendimiento. Centrales Térmicas de Gas Natural En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por un generador. El uso de gas en las centrales térmicas, además de reducir el impacto ambiental, mejora la eficiencia energética. Menores costos de la energía empleada en el proceso de fabricación y menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera. La eficiencia de éstas no supera el 35% . CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES Centrales Térmicas de Ciclo Combinado Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un ciclo de vapor. Sus componentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperación la turbina de vapor y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador. La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38 por ciento normal de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas equivalentes al año. Uno de los principales problemas que plantean las centrales térmicas es que se trata de un proceso relativamente complejo de conversión de energías. Utilizan combustible de alto grado de calidad. Provocan contaminación con la alta emisión de gases. Centrales Térmicas de Combustión de Lecho Fluidizado Consiste en quemar carbón en un lecho de partículas inertes, a través del cual se hace pasar una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partículas y las mantiene en suspensión, de modo que da la impresión de que se trata de un líquido en ebullición. Permitiría obtener rendimientos de hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la emisión de anhídrido sulfuroso. Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la tecnología de lecho fluidizado se inyecta caliza directamente dentro de la caldera para capturar y remover el azufre del combustible como un subproducto seco. La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820°C a los 840°C, lo cual determina su diseño y el arreglo de las superficies de transferencia de calor. Este tipo de calderas puede ser atmosférico o presurizado. Centrales Térmicas Gicc Gasificación de Carbón Integrada en ciclo combinado FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón sólido en un gas sintético compuesto principalmente de CO e hidrógeno (H2). El carbón es gasificado controlando la mezcla de carbón, oxígeno y vapor dentro del gasificador. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional. Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas. En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%, una eliminación de 99% de azufre. Bajos costos de combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo grado de emisiones, alto rendimiento, tecnología sin completa prueba de eficiencia, altos costos de inversión, plantas complejas, arranque lento. 1.4“BALANCE DE ENERGIA, PERDIDAS Y EFICIENCIAS POR EQUIPOS GENERALES” 1.5“IMPACTO AMBIENTAL” Son las centrales más baratas de construir (teniendo en cuenta el precio por megawatt instalado), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad (comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma masiva. El uso de combustibles fósiles genera emisiones de gases de efecto invernadero y de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes (en el caso del carbón) que pueden contener metales pesados. Al ser los combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica. Impactos Ambientales Potenciales: • Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclima local. • Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente en estos. • Su rendimiento (en muchos casos) es bajo (comparado con el rendimiento ideal), a pesar de haberse realizado grandes mejoras en la eficiencia (un 30-40% de la energía liberada en la combustión se convierte en electricidad, de media). Los impactos negativos pueden ocurrir durante la construcción, así como durante la operación de las plantas termoeléctricas. Los impactos de la construcción son causados, principalmente, por las siguientes actividades de la preparación del sitio: desbroce, excavación, movimiento de tierras, drenaje, dragado y/o embalse de los ríos y otras extensiones de agua, establecimiento de las áreas de colocación, de préstamo y de relleno. Se emplea un gran número de trabajadores en la construcción de las centrales energéticas, y esto puede causar impactos socioculturales importantes en las comunidades locales. Las plantas termoeléctricas son consideradas fuentes importantes de emisiones atmosféricas y pueden afectar la calidad del aire en el área local o regional. La combustión que ocurre en los proyectos termoeléctricos emite dióxido de Sulfuro (S02), óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (C02) y partículas (que pueden contener metales menores). Las cantidades de cada uno dependerán del tipo y el tamaño de la instalación y del tipo y calidad del combustible, y la manera en que se queme. La dispersión y las concentraciones de estas emisiones, a nivel de la tierra, son el resultado de una interacción compleja de las características físicas de la chimenea de la planta, las cualidades físicas y químicas de las emisiones, las condiciones meteorológicas en el sitio, o cerca del mismo durante el tiempo que se requiere para que las emisiones se trasladen desde la chimenea hasta el receptor a nivel de la tierra, las condiciones topográficas del sitio de la planta y las áreas circundantes, y la naturaleza de los receptores (p.ej., seres humanos, cultivos y vegetación nativa). Efectos Globales y Regionales: Las emisiones de los proyectos termoeléctricos pueden provocar lluvia ácida, especialmente si el combustible es carbón con un alto contenido de azufre. La precipitación ácida acelera el deterioro de los edificios y monumentos; altera, radicalmente, los ecosistemas acuáticos de ciertos lagos y daña la vegetación de los ecosistemas forestales. Además, el uso de los combustibles fósiles en las plantas termoeléctricas genera C02 y NOx, y el calentamiento mundial ha sido atribuido al aumento de la concentración de C02 y NOx en la atmósfera. Sin embargo, es imposible, actualmente, predecir la contribución exacta de las emisiones específicas de un proyecto termoeléctrico en particular, a estos problemas regionales y globales. Agua de Enfriamiento y Calor Residual: • Muchas plantas de generación que emplean vapor tienen sistemas de enfriamiento sin reciclado. Si el alto volumen de agua que requieren las grandes plantas de este tipo, se toma de las extensiones de agua naturales, como ríos y bahías, existe el riesgo de mortandad para los organismos acuáticos, porque se arrastran y se chocan con el sistema de enfriamiento. Esto puede reducir grandemente la población de peces y moluscos, de los cuales algunos pueden tener importancia comercial. • Las descargas de agua caliente pueden elevar la temperatura del agua ambiental, alterando radicalmente, las comunidades de plantas y animales acuáticos, favoreciendo a los organismos que se adapten a temperaturas más altas. Entonces, las nuevas comunidades son vulnerables al efecto opuesto, a saber, una reducción brusca de la temperatura ambiental, después de la paralización de la planta, debido a las fallas o el mantenimiento programado. • Al utilizar torres de enfriamiento por evaporación, se reduce la cantidad de agua que debería ser empleada para enfriamiento, y se requiere, sólo una cantidad suficiente para compensar la evaporación. Las torres eliminan la descarga térmica, pero producen agua de purgación, que deberá ser eliminada. Impactos sobre la Comunidad: • Uno de los impactos más importantes de las plantas termoeléctricas se relaciona con la afluencia de trabajadores durante el período de construcción. Pueden ser necesarios varios miles de trabajadores durante algunos años para la construcción de una planta grande, y cientos de trabajadores para su operación. Existe potencial para mucha tensión si la comunidad receptora es pequeña. Se puede producir una condición de "crecimiento rápido" o desarrollo inducido. Esto puede tener efectos negativos importantes en la infraestructura existente de la comunidad: las escuelas, política, prevención de incendios. servicios médicos, etc. • Asimismo, la afluencia de trabajadores de otros lugares o regiones cambiará los modelos demográficos locales y alterará los valores socioculturales locales, así como las costumbres de vida de los residentes. Otro impacto potencial es el desplazamiento de la población local debido a las necesidades de terreno para la planta y las instalaciones relacionadas con la misma. Puede haber serias alteraciones en el tráfico local a raíz de la construcción y operación de la planta termoeléctrica. Finalmente, las grandes plantas eléctricas producen impactos visuales y mucho ruido UNIDAD 2 “EQUIPOS TERMO MECÁNICOS” 2.1 “GENERALIDADES Y CLASIFICACIÓN DE CALDERAS” Las calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan o calientan el agua para aplicaciones industriales. Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil. Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica. La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776. Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continua en el nuestro. Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por KW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura. Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. CALDERAS PIROTUBULARES O DE TUBOS DE HUMO. La caldera de vapor pirorubular, concebida especialmente para el aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características. Está formada por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor, el hogar y los tubos están completamente rodeados de agua, la llama se forma en el hogar pasando los humos por el interior de los tubos de los pasos siguientes para finalmente ser conducidos hacia la chimenea, una de sus desventajas es que presentan una elevada pérdida de carga en los humos. Figura 1.1 Calderas piro tubulares CARACTERÍSTICAS: Sencillez en su construcción. Facilidad en su inspección, reparación y limpieza. Gran peso. La puesta en marcha es lenta. Gran peligro en caso de explosión o ruptura.1 CALDERAS ACUOTUBULARES O DE TUBOS DE AGUA. En estas calderas el agua está dentro de los tubos ubicados longitudinalmente en el interior y se emplean para aumentar la superficie de calefacción, los mismos están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. La llama se forma en un recinto de paredes tubulares que configuran la cámara de combustión. Soporta mayores presiones, pero es más cara, tiene problemas de suciedad en el lado del agua, y menor inercia térmica. Las calderas acuotubulares eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor. CARACTERÍSTICAS: La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones, dependiendo del diseño llegan hasta 350 psig. Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2000 HP. Por su fabricación de tubos de agua es una caldera inexplosible. 1 La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad. El tiempo de arranque para la producción de vapor a su presión de trabajo es mínimo. El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento.1 Figura 1.2 Calderas acuotubulares. 2 CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE. El sistema de alimentación de combustible hacia la caldera es vital en el proceso de generación de vapor, las calderas pueden utilizar diferentes tipos de combustibles como los siguientes: Combustibles sólidos: madera, carbones fósiles, antracita, hulla, lignito, turba, residuos orgánicos, carbón vegetal o leña. Su alimentación hacia la caldera puede ser manual o mediante bandas transportadoras. Combustibles Líquidos: Los combustibles líquidos presentan, en general mejores condiciones que los sólidos para entrar en combustión y son sustancias que se las obtienen por destilación, ya sea del petróleo crudo o de la hulla y son los siguientes: nafta, kerosén, Diesel-oil, fuel-oil, alquitrán de hulla, alquitrán de lignito. Hay que tomar en cuenta que para la utilización de algunos de estos combustibles como por ejemplo el fuel oil (bunker) debe ser previamente precalentado debido a su viscosidad, el calentamiento se lo puede hacer con un sistema de resistencias eléctricas y posteriormente con un sistema de calentamiento basado en la utilización del vapor de agua que genera la propia caldera. Combustibles gaseosos: Los combustibles gaseosos son los que mejores condiciones tienen para entrar en combustión. A continuación citaremos algunos tipos de combustibles gaseosos: gas natural, gas de alumbrado, acetileno, gas de agua, gas de aire, gas pobre o mixto, gas de alto horno. 3 4
