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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR FECHA

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SG/RZ

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Índice Página 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 13.1. 13.1.1. 13.1.2. 13.2. 14. 14.1. 14.1.1. 14.1.2. 14.1.3. 14.1.4. 14.1.5. 14.1.6. 14.1.7. 14.1.8. 14.1.9. 14.1.10. 14.2. 14.2.1. 14.2.2. 14.2.3. 14.2.4. 14.3.

INTRODUCCIÓN................................................................................................ 8 OBJETIVOS ....................................................................................................... 9 EXCEPCIONES.................................................................................................. 9 USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ................................................ 10 INEDON RELACIONADOS .............................................................................. 10 ACRÓNIMOS, SIGLAS Y FÓRMULAS QUÍMICAS.......................................... 12 LECCIONES APRENDIDAS ............................................................................ 16 DISTRIBUCIÓN DE LA INFORMACIÓN .......................................................... 17 DEFINICIONES GENERALES ......................................................................... 17 ESTUDIOS BASE PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL .................................... 42 CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA ........................ 50 CICLO DE VAPOR ........................................................................................... 55 FUENTES DE ENERGÍA.................................................................................. 61 Carbón.............................................................................................................. 61 Clasificación de los carbones ........................................................................... 61 Caracterización del carbón ............................................................................... 67 Combustibles alternativos ................................................................................ 71 SISTEMAS DE LA CENTRAL .......................................................................... 72 Sistema de Manejo del Carbón y Piedra Caliza ............................................... 72 Diagrama de flujo del Sistema de Manejo de Carbón ...................................... 72 Diagrama de flujo del Sistema de Manejo de Piedra Caliza ............................. 74 Sistema de Transporte a Sitio .......................................................................... 75 Sistema de Descarga ....................................................................................... 79 Apilamiento, Almacenamiento y Recuperación ................................................ 92 Preparación del carbón .................................................................................. 102 Transporte ...................................................................................................... 104 Pesaje y control de calidad ............................................................................. 114 Sistemas secundarios .................................................................................... 116 Posibles evaluaciones requeridas en la IC ..................................................... 118 Sistema de la Caldera .................................................................................... 119 Clasificación de las Calderas ......................................................................... 119 Elementos Principales del Sistema de la Caldera .......................................... 133 Información relevante para la simulación en STEAM PRO ............................ 145 Posibles evaluaciones requeridas en la IC ..................................................... 146 Sistema de la Turbina de Vapor ..................................................................... 146

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 14.3.1. 14.3.2. 14.3.3. 14.3.4. 14.4. 14.4.1. 14.4.2. 14.4.3. 14.5. 14.5.1. 14.5.2. 14.5.3. 14.6. 14.6.1. 14.6.2. 14.6.3. 14.6.4. 14.6.5. 14.6.6. 14.6.7. 14.6.8. 14.7. 14.8. 14.8.1. 14.8.2. 14.8.3. 14.8.4. 14.8.5. 14.8.6. 14.8.7. 14.8.8. 14.8.9. 14.8.10. 14.8.11. 14.8.12. 14.8.13. 14.8.14. 14.8.15. 14.8.16. 14.8.17. 14.8.18. 14.8.19.

Elementos Principales del Sistema de la Turbina de Vapor ........................... 146 Arreglos de turbina y condiciones de vapor típicas ........................................ 153 Información relevante para la simulación en STEAM PRO ............................ 154 Posibles evaluaciones requeridas en la IC ..................................................... 154 Sistema de Agua de Alimentación a Caldera ................................................. 154 Elementos Principales del Sistema de Agua de Alimentación a Caldera ....... 154 Información relevante para la simulación en STEAM PRO ............................ 159 Posibles evaluaciones requeridas en la IC ..................................................... 160 Sistema de Enfriamiento del Ciclo de Vapor .................................................. 160 Elementos Principales del Sistema de Enfriamiento del Ciclo de Vapor ........ 161 Información relevante para la simulación en STEAM PRO ............................ 168 Posibles evaluaciones requeridas en la IC ..................................................... 169 Sistemas de Control de Emisiones ................................................................. 169 Contaminantes ............................................................................................... 169 Control de CO ................................................................................................ 170 Control de NOX ............................................................................................... 170 Control de SOX ............................................................................................... 175 Control de Particulados .................................................................................. 181 Sistema continuo de monitoreo de emisiones ................................................ 184 Información relevante para la simulación en STEAM PRO ............................ 185 Posibles evaluaciones requeridas en la IC ..................................................... 185 Chimenea ....................................................................................................... 185 Sistemas Auxiliares ........................................................................................ 186 Sistema de Combustible Gaseoso ................................................................. 186 Sistema de Combustible Líquido .................................................................... 188 Sistema de Condensados de Hidrocarburo .................................................... 190 Sistema de Suministro y Retorno de Agua ..................................................... 191 Sistema de Agua Industrial ............................................................................. 193 Sistema de Agua Desmineralizada................................................................. 195 Sistema de Agua Potable ............................................................................... 199 Sistema de Aguas de Desecho ...................................................................... 202 Sistema de Manejo de Desechos Sólidos ...................................................... 205 Sistema de Muestreo del Vapor y Condensado ............................................. 207 Sistema de Aire Comprimido .......................................................................... 208 Sistema de Químicos ..................................................................................... 209 Sistema de Captura de Dióxido de Carbono .................................................. 211 Sistema de Monitoreo y Control ..................................................................... 213 Sistema de Detección y Extinción de Incendio ............................................... 214 Sistema de Alivio de Presión .......................................................................... 216 Sistema Eléctrico de Distribución ................................................................... 217 Sistema de Ventilación y Aire Acondicionado ................................................ 220 Sistema de Telecomunicaciones .................................................................... 221

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 14.9. 15. 16. 17. 17.1. 17.2. 17.3. 17.4. 17.4.1. 17.4.2. 17.4.3. 17.4.4. 17.4.5. 17.4.6. 17.4.7. 17.4.8. 17.5. 17.5.1. 17.5.2. 17.6. 17.6.1. 17.6.2. 17.6.3. 17.6.4. 17.6.5. 17.6.6. 17.7. 17.7.1. 17.7.2. 17.7.3. 17.7.4. 17.7.5. 17.7.6. 17.7.7. 17.7.8. 17.7.9. 17.7.10. 17.7.11. 17.7.12. 17.7.13.

Misceláneos ................................................................................................... 222 APLICACIONES DE LOS PROGRAMAS DE THERMOFLOW ...................... 223 INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL MODELO ............................................... 228 INTRODUCCIÓN DE DATOS EN STEAM PRO ............................................ 231 Recomendaciones .......................................................................................... 231 Sobre los Resultados Mostrados .................................................................... 233 Estableciendo las Preferencias ...................................................................... 233 Nueva Sesión ................................................................................................. 235 Nuevo Diseño ................................................................................................. 236 Archivo Existente ............................................................................................ 236 Modo .............................................................................................................. 236 Número de Unidades por planta ..................................................................... 236 Potencia de Planta Aproximada por Unidad ................................................... 237 Balance Costo / Eficiencia .............................................................................. 237 Incluir captura de CO2. ................................................................................... 239 Frecuencia del Generador. ............................................................................. 239 Comenzar el Diseño ....................................................................................... 239 Tipo de Turbina de Vapor ............................................................................... 239 Tipo de Accionamiento del Motor de la Bomba de Agua de Alimentación ..... 243 Selección de Calentadores de Agua de Alimentación. ................................... 243 Configuración del Calentadores de Agua de Alimentación............................. 244 Selección del Número de Calentadores de Agua de Alimentación ................ 245 Tipo de Calentador de Agua de Alimentación ................................................ 246 Ubicación de la bomba de alimentación a la caldera...................................... 249 Opciones de calentamiento del agua de alimentación ................................... 249 Tipo de especificación para los calentadores de agua de alimentación ......... 249 Criterios de Planta .......................................................................................... 250 Condiciones Ambientales ............................................................................... 251 Selección del Combustible ............................................................................. 253 Selección del Sistema de Enfriamiento .......................................................... 254 Otras Variables del Sistema de Enfriamiento ................................................. 259 Tipo de Sistema de calefacción urbana.......................................................... 261 Exportar / Importar Corrientes ........................................................................ 261 Fuentes Externas de Vapor ............................................................................ 262 Fuente de Agua de Desobrecalentamiento y Punto de Adición del Agua de Reposición. ..................................................................................................... 263 Suposiciones de pérdidas de presión en las líneas. ....................................... 263 Suposiciones Misceláneas ............................................................................. 265 Costos Regionales ......................................................................................... 267 Características del Sitio .................................................................................. 269 Edificios y Chimenea ...................................................................................... 271

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Sistema de Enfriamiento ................................................................................ 272 Entradas Principales del Sistema de Enfriamiento ......................................... 273 Diagrama de Temperatura y Calor Transferido .............................................. 274 Condensador .................................................................................................. 274 Condensador - Premisas Misceláneas. .......................................................... 275 Opciones de Equipo ....................................................................................... 276 Entradas de la Turbina de Vapor .................................................................... 276 Entradas Principales a la Turbina de Vapor ................................................... 277 Suposiciones de Diseño ................................................................................. 278 Generador ...................................................................................................... 279 Diseño del Extremo de Salida (Descarga)...................................................... 280 Pérdidas en la Turbina de Vapor .................................................................... 281 Opciones de Equipo ....................................................................................... 282 Puertos / Grupos de la Turbina de Vapor ....................................................... 285 Puertos de la Turbina de Vapor ...................................................................... 285 Separación de Humedad ................................................................................ 286 Diseño de grupos ........................................................................................... 287 Bombas y Calentadores de Agua de Alimentación......................................... 288 Conexión de los Calentadores de Agua de Alimentación ............................... 288 Parámetros Térmicos de los Calentadores de Agua de Alimentación ............ 289 Suposiciones de los Calentadores de Agua de Alimentación ......................... 290 Suposiciones Misceláneas ............................................................................. 291 Bombas .......................................................................................................... 293 Opciones de Equipo ....................................................................................... 294 Corrientes Misceláneas .................................................................................. 294 Corrientes de Proceso .................................................................................... 294 Adiciones de Vapor ........................................................................................ 295 Extracción y Adición de Agua ......................................................................... 296 Turbina de la bomba de alimentación (opcional) ............................................ 297 Condensador de la Turbina de la bomba de alimentación ............................. 298 Datos Térmicos de la Caldera ........................................................................ 299 Principal .......................................................................................................... 299 Sistema de Aire y Combustible ...................................................................... 303 Premisas termodinámicas .............................................................................. 304 Dimensionamiento de la Caldera ................................................................... 305 Principal .......................................................................................................... 305 Horno y elementos radiantes .......................................................................... 306 Desobrecalentamiento.................................................................................... 306 Calentadores de aire ...................................................................................... 307 Elementos Convectivos .................................................................................. 308 Chimenea ....................................................................................................... 309 Opciones de equipo........................................................................................ 310

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 17.15. 17.15.1. 17.15.2. 17.15.3. 17.16. 17.16.1. 17.16.2. 17.16.3. 17.16.4. 17.17. 18. 18.1. 18.1.1. 18.1.2. 18.1.3. 18.1.4. 18.1.5. 18.1.6. 18.1.7. 18.2. 18.2.1. 18.2.2. 18.2.3. 18.2.4. 18.2.5. 18.2.6. 18.2.7. 18.2.8. 18.3. 18.3.1. 18.3.2. 18.3.3. 19. 19.1. 19.2. 19.3. 19.4. 20. 20.1. 20.2.

Medio Ambiente.............................................................................................. 311 Emisiones – Instrumentación ......................................................................... 311 Contabilidad del Agua .................................................................................... 315 Captura de Dióxido de Carbono ..................................................................... 316 Otros PEACE ................................................................................................. 318 Electricidad ..................................................................................................... 318 Protección Contra Incendio ............................................................................ 319 Tanques ......................................................................................................... 320 Opciones de Enfriamiento .............................................................................. 321 Economía ....................................................................................................... 322 RESULTADOS DE STEAM PRO ................................................................... 323 Salidas de texto .............................................................................................. 323 Sistema .......................................................................................................... 324 Caldera ........................................................................................................... 326 Ciclo de Vapor ................................................................................................ 333 Calentadores de Agua de Alimentación ......................................................... 335 Sistema de Enfriamiento ................................................................................ 337 Medio Ambiente.............................................................................................. 339 Misceláneos ................................................................................................... 344 Salidas gráficas .............................................................................................. 346 Sistema .......................................................................................................... 347 Caldera ........................................................................................................... 352 Turbina de vapor ............................................................................................ 357 Sistema de agua de alimentación................................................................... 361 Sistema de enfriamiento ................................................................................. 364 Control de emisiones ...................................................................................... 366 Gráficas de energía ........................................................................................ 367 Misceláneos ................................................................................................... 370 Salidas de PEACE.......................................................................................... 371 Ingeniería preliminar ....................................................................................... 372 Financiero ....................................................................................................... 374 Balance térmico .............................................................................................. 374 OTRAS OPCIONES DE STEAM PRO ........................................................... 375 Corridas Múltiples ........................................................................................... 375 Diseño Fuera de Punto................................................................................... 378 Enlace con Excel ............................................................................................ 378 Comparación de Archivos .............................................................................. 379 RESUMEN DE LOS SERVICIOS INDUSTRIALES REQUERIDOS PARA LA CENTRAL ................................................................................................. 379 Combustible Sólido......................................................................................... 382 Combustible Gas ............................................................................................ 382

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 20.3. 20.4. 20.5. 20.6. 20.7. 20.8. 20.9. 20.10. 20.11. 20.12. 20.13. 20.14. 20.15. 21. 22.

Combustible Líquido ....................................................................................... 384 Agua de Suministro ........................................................................................ 384 Agua Industrial ............................................................................................... 386 Consumos y Desechos de Agua .................................................................... 387 Agua de Reposición para las Torres de Enfriamiento Evaporativas ............... 387 Reposición del Agua Desmineralizada ........................................................... 390 Aire Comprimido ............................................................................................. 392 Productos Químicos ....................................................................................... 393 Electricidad ..................................................................................................... 397 Vapor para Uso Interno .................................................................................. 397 Vapor para Uso Externo ................................................................................. 398 Catalizadores ................................................................................................. 398 Hidrógeno ....................................................................................................... 399 INFORMACIÓN MÍNIMA SOBRE LOS RESULTADOS DEL DISEÑO DE LA CENTRAL ................................................................................................. 399 REFERENCIAS .............................................................................................. 404 ANEXO 1 – FORMATO DE ANÁLISIS DE CARBÓN Y CENIZA PARA SUMINISTRAR AL FABRICANTE DE LA CALDERA ......................................... 407

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1.

INTRODUCCIÓN La Disciplina de Procesos pertenece al grupo multidisciplinario de un Proyecto que elabora el diseño conceptual de las Centrales Térmicas de Generación de Potencia con Ciclo de Vapor, dicho diseño puede ser elaborado con ayuda de los programas de modelos de simulación de la empresa Thermoflow, Inc. para los cuales inelectra tiene licencia de uso. El concepto de ciclo de vapor de este INEDON considera el uso de los ciclos Rankine para las turbinas de vapor. Este INEDON considera el uso de STEAM PRO, el cual es el programa recomendado para el diseño conceptual y en esta primera etapa está enfocado en el ciclo de vapor para la generación térmica de potencia, porque permite describir los aspectos más relevantes para las calderas de generación de vapor y turbinas de vapor de agua. Adicionalmente, el enfoque del INEDON fue establecido con el alcance típico de la Disciplina de Procesos en un Proyecto de Centrales con ciclo de vapor. La cantidad de información requerida es extensa para el diseño de una Central, por tal motivo el contenido de este INEDON es considerado como una “guía complementaria” de la información disponible en los documentos del Proyecto, en la ayuda del STEAM PRO, en los textos de apoyo suministrados por el licenciante del programa y la literatura especializada. La información suministrada en este INEDON se considera de aplicación para la ejecución de Ingenierías (o Estudios) Conceptuales. El desarrollo de Ingenierías Básicas y de Detalle requiere, además del uso de programa para la revisión de etapas anteriores del Proyecto, información suministrada por los fabricantes para ajustar el modelo de simulación y mejorar el estimado de costos según el rango de precisión acordado para el Proyecto. El diseño conceptual es un proceso sistemático, objetivo e investigativo, en el cual los requerimientos técnicos básicos, características operacionales y restricciones, pertinentes una Central específica, son evaluadas y definidas. El diseño conceptual suministra las bases para la selección de los conceptos de diseño y de los equipos, y define las características clave de la Central, sus sistemas y estructuras de funcionamiento, las restricciones en el diseño de los sistemas y equipos, el desempeño de la Central y un estimado de costos. También suministra los fundamentos técnicos para las etapas siguientes del Proyecto como el diseño más detallado, procura, construcción y operación de la futura Central.

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OBJETIVOS Los objetivos principales de este INEDON son:

3.

•

La información básica sobre la generación de potencia eléctrica con ciclos de vapor.

•

La información resumida de los documentos que sientan las bases para el diseño de la Central.

•

La descripción de los diferentes sistemas que conforman una Central.

•

La descripción de las ventanas de STEAM PRO para el suministro de los datos de entrada y recomendaciones adicionales para el usuario.

•

La descripción de los resultados emitidos por STEAM PRO.

•

Un resumen sobre los requerimientos de los servicios industriales asociados a la Central y dónde se puede obtener información en STEAM PRO.

EXCEPCIONES Como se ha mencionado anteriormente, el diseño (aun el conceptual) de una Central Térmica de Generación de Potencia con Ciclo de Vapor requiere mucha información y ciertas áreas no están actualmente consideradas en este INEDON: A)

Los conceptos más básicos de generación térmica de potencia están disponibles en la Sección 9. Los conceptos son sólo profundizados en algunos casos y se recomienda al personal de la Disciplina de Procesos la consulta de la literatura especializada.

B)

Una Central con ciclo de vapor requiere del diseño de muchos sistemas, no solamente los considerados como Principales (turbinas, caldera, etc.), sino también los Sistemas Auxiliares (secundarios o de soporte); estos últimos solo son descritos brevemente en este INEDON.

C)

Las variables que afectan el diseño de la Central son miles, por tal motivo este INEDON se limita a las consideradas como más importantes y de las cuales se tiene mayor conocimiento.

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4.

5.

D)

Aplicaciones alternativas de una Central con ciclo de vapor como la cogeneración, el calentamiento urbano, el cambio de centrales con ciclo de vapor en ciclo combinado (repowering) o las centrales nucleares son sólo mencionados brevemente.

E)

Muchas ventanas del programa permiten al usuario incluir o seleccionar datos, equipos y sistemas adicionales; las selecciones que realice el usuario cambian lo mostrado en las ventanas. En este INEDON se ha limitado la cantidad de imágenes extraídas del programa.

USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA I.

Los criterios especificados por el Cliente tienen prioridad sobre los indicados en este INEDON. Si las especificaciones del Cliente carecen de algún criterio, el Líder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobación del Cliente para usar los criterios mostrados aquí.

II.

El usuario de este INEDON tiene la obligación de utilizar la revisión más actualizada de la normativa (normas, códigos, estándares, especificaciones, leyes, etc.) nacional e internacional utilizada en el Proyecto; así como solicitar, al Cliente o ente gubernamental correspondiente, la normativa local usada en el país donde se construye la Central.

INEDON RELACIONADOS Procedimientos e instrucciones de trabajo relacionados con este INEDON: Ingeniería (HM010) 903-P3000-A20-ADM-917

Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas

903-HM010-A90-GUD-009

Instructivo para la Elaboración de Propuestas de Ingeniería

Gestión de la Calidad (HM060) 903-HM060-G09-ADM-901 Elaboración y Actualización de INEDONES

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Estimación de Costos (HM080) 903-P2020-D09-ADM-902

Procedimiento Clase V

para

Estimados

de

Costos

903-P2020-D09-ADM-903

Procedimiento Clase IV

para

Estimados

de

Costos

Procesos (HM120) 903-P3100-P09-ADM-901

Bases de Diseño

903-HM120-P09-GUD-013

Bases y Criterios de Diseño

903-HM120-P09-GUD-015

Guía para la Elaboración de los Balances de Procesos

903-HM120-P09-GUD-027

Guía para la Especificación de los Intercambiadores de Calor

903-HM120-P09-GUD-030

Guía para la Especificación de las Bombas

903-HM120-P09-GUD-031

Guía para la Especificación de los Compresores

903-HM120-P09-GUD-041

Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión

903-HM120-P09-GUD-046

Guía para el Diseño de los Equipos Finales de Alivio y Venteo

903-HM120-P09-GUD-076

Guía para la Especificación de las Torres de Enfriamiento Evaporativas de Tiro Mecánico

903-HM120-P09-GUD-085

Guía para el Diseño Conceptual de Centrales Térmicas de Generación de Potencia con Ciclo de Vapor

Ingeniería de Seguridad y Estudios (HM180) 903-HM180-F09-ADM-901

Procedimiento de Estudios de Sistemas Eléctricos

903-HM180-F09-ADM-902

Procedimiento de Estudios de Factibilidad

903-HM180-F09-ADM-903

Procedimiento de Gestión de Riesgos del Proyecto

902-HM180-F09-GUD-018

Guía de Evaluación de Alternativas

902-HM180-F09-GUD-019

Instructivo para la Elaboración del Plan de Gestión de Riesgos

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Los procedimientos y las instrucciones de trabajo pueden estar relacionados de manera directa: el INEDON es citado en este documento, o indirecta: el INEDON contiene información adicional para el usuario pero no es citado en este documento. 6.

ACRÓNIMOS, SIGLAS Y FÓRMULAS QUÍMICAS El cuadro siguiente muestra los acrónimos, siglas y fórmulas químicas usadas en el texto y figuras de este INEDON. Muchos de los acrónimos y siglas usados corresponden al idioma inglés por conveniencia con la información técnica. Español

Inglés

AASHO

American Association of State Highway Officials (in USA)

ALS

Alstom

AR, Ar

Argón

Argon

AREA

American Railway Engineering Association (in USA)

ASTM

American Society of Testing and Materials (in USA)

AUX

Auxiliar

CDP

Control de Producción

Auxiliary

N/A

CEMA

Conveyor Equipment Manufacturers Association (in USA)

CEMS

Sistema de Monitoreo Continuo de Continuous Emissions Emisiones Monitoring System

CFB

Lecho Fluidizado Circulante

Circulating Fluidized Bed

CH4

Metano

Methane

CHP

(Producción) Combinada de Calor y Potencia

Combined Heat and Power

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Inglés

CO

Monóxido de Carbono

Carbon Monoxide

CO2, CO2

Dióxido de Carbono

Carbon Dioxide

COX

Óxidos de Carbono

Carbon Oxides

CSV

Valores Separados por Coma

Comma Separated Values

CT

Torre de Enfriamiento

Cooling Tower

CW

Agua de Enfriamiento

Cooling Water

DA

Desaireador

Deaerator

DHC

Condensador del Vapor usado para el Calentamiento Urbano

District Heating Condenser

DP

Diferencia (Pérdida) de Presión

Pressure Drop

Eff

Eficiencia

Effiency

ESP

Precipitación Electrostática

Electrostatic Precipitation

EUA

Estados Unidos de América

USA, United States of America

FGD

Desulfurización de los Gases de Escape

Flue Gas Desulfurization

FW

Agua de Alimentación

Feedwater

FWH

Calentador de Agua de Alimentación

Feedwater Heater

G

Generador Eléctrico

Electrical Generator

GE

General Electric

GEN

=G

=G

GLP

Gases Licuados de Petróleo

Liquefied Petroleum Gases (LPG)

GSC

Glándula del Condensador de Vapor

Gland Steam Condenser

GSU

Transformador Elevador del Generador

Generator Step-Up Transformer

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Inglés

GT

Turbina de Gas

Gas Turbine

H, h, H, h

Entalpía

Enthalpy

H2, H2

Hidrógeno

Hydrogen

HHV

Calor Total de Combustión

Higher (Gross) Heating Value

HP

Vapor de Alta Presión

High Pressure Steam

HPE

Economizador de Alta Presión

High Pressure Economizer

HPB

Caldera de Vapor de Alta Presión

High Pressure Boiler

HPS

Sobrecalentador de Alta Presión

High Pressure Superheater

HPT

Turbina de Alta Presión

High Pressure Turbine

HPTL

Última Sección de la Turbina de Alta Presión

High Pressure Turbine Last Section

HRB

Caldera de Recuperación de Calor Heat Recovery Boiler

HRSG

Generador de Vapor por Recuperación de Calor

Heat Recovery Steam Generator

HX

Intercambiador de Calor

Heat Exchanger

IC

Ingeniería (Estudio) Conceptual

Conceptual Engineering (Study)

IGV

Paletas Guías de Entrada

Inlet Guide Vanes

INEDON

inelectra Documento Normalizado

IP

Vapor de Presión Intermedia

Intermediate Pressure Steam

IPB

Caldera de Vapor de Presión Intermedia

Intermediate Pressure Boiler

IPE

Economizador de Presión Intermedia

Intermediate Pressure Economizer

IPS

Sobrecalentador de Presión Intermedia

Intermediate Pressure Superheater

ISO

Organización Internacional de Normalización

International Organization for Standardization

KHI

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N/A

Kawasaki Heavy Industries

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Inglés

LHV

Calor Neto de Combustión

Lower (Net) Heating Value

LP

Vapor de Baja Presión

Low Pressure Steam

LPB

Caldera de Vapor de Baja Presión

Low Pressure Boiler

LPS

Sobrecalentador de Baja Presión

Low Pressure Superheater

LPT

Turbina de Baja Presión

Low Pressure Turbine

LPTL

Última Sección de la Turbina de Baja Presión

Low Pressure Turbine Last Section

LTE

Economizador de Baja Temperatura

Low Temperature Economizer

M, m, M, Flujo Másico m

Mass Flowrate

MAN

Man Turbo (manufacturer)

Mtsb

Mitsubishi

NIST

National Institute of Standards and Technology (in USA)

N2, N2

Nitrógeno

Nitrogen

NOX

Óxidos de Nitrógeno

Nitrogen oxides

O2, O2

Oxígeno

Oxygen

O&M

Operación y Mantenimiento

Operation and Maintenance

P, P

Presión

Pressure

PEACE

Estimador de Ingeniería de la Planta (Central) y de Construcción

Plant Engineering and Construction Estimator

PURPA

Public Utility Regulatory Policy Act (in USA)

P+W

Pratt & Whitney

Q, Q

Calor (transferido)

Heat (transferred)

RH

Recalentamiento

Reheat

RH

Humedad Relativa

Relative Humidity

RR

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Rolls-Royce

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7.

Inglés

RSC

Enfriador del Gas Sintético Sin Tratamiento

Raw Syngas Cooler

s, s

Entropía

Entropy

SCR

Reducción Catalítica Selectiva

Selective Catalytic Reduction

SNCR

Reducción Catalítica No Selectiva

Selective Non Catalytic Reduction

SO2, SO2

Dióxido de Azufre

Sulfur Dioxide

SOX

Óxidos de Azufre

Sulfur Oxides

SS

Vapor para Sello

Steam Seal

SSR

Regulador del Vapor para Sello

Steam Seal Regulator

ST

Turbina de Vapor

Steam Turbine

T, T

Temperatura

Temperature

TEWAC

Enfriador de Aire Totalmente Circundado con Agua

Totally Enclosed Water-to-Air Cooler

TM

Tonelada Métrica

Metric Ton, Tonne

UHC

Hidrocarburos No Quemados

Unburned Hydrocarbon

US Ton

Tonelada de EUA (9.070 kg)

US ton

WB

Bulbo Húmedo

Wet Bulb

LECCIONES APRENDIDAS Las Lecciones Aprendidas están disponibles a través de la página de intranet de Ingeniería y puede contener información adicional para el tema de este INEDON. El INEDON “Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas”, N° 903-P3000-A20-ADM-917, indica lo siguiente “cuando no se encuentre evidencia del uso del Sistema de Lecciones Aprendidas, se levantará una No Conformidad” durante una revisión técnica.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 8.

DISTRIBUCIÓN DE LA INFORMACIÓN La información suministrada en este INEDON se encuentra distribuida entre varias secciones en función del nivel teórico o de la ayuda requerida para el uso de STEAM PRO y básicamente de la manera siguiente:

9.

•

Información teórica muy básica en las Secciones 9 “Definiciones Generales” y 16 “Información Básica para el Modelo”.

•

Información teórica en las Secciones 14 “Sistemas de la Central” los sistemas, unidades y elementos más comunes en una Central.

•

Información específica en la Sección 17 “Introducción de Datos en STEAM PRO” para ayudar al usuario en la toma de decisiones y selección entre las diversas opciones disponibles en el programa. Adicionalmente, está la Sección 20 con un “Resumen de los Servicios Industriales Requeridos para la Central.

DEFINICIONES GENERALES Agua de Alimentación (Feedwater) Agua que entra a la caldera o el economizador. Aire en Exceso (Excess Air) Cantidad de aire por encima del requerimiento estequeométrico para una combustión completa. Aire Estequeométrico (Stoichiometric Air) Relación químicamente correcta del combustible y el aire. Por ejemplo, una mezcla capaz de generar una combustión completa (o perfecta) sin falta de uso del combustible o del aire. Balance Térmico (Thermal Balance) Documento donde se indican las características y propiedades principales de las corrientes de una simulación de los procesos térmicos de generación de potencia eléctrica. Véase el INEDON “Guía para la Elaboración de los Balances de Procesos”, N° 903-HM120-P09-GUD-015.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Bases de Diseño (Design Basis) Documento elaborado por inelectra con información suministrada por el Cliente. El documento establece la información básica del lugar del Proyecto, premisas y criterios de diseño especiales o particulares, requerimientos de operación, constructibilidad y mantenimiento, normativa para el Proyecto, y toda la información adicional en la cual se fundamenta la ejecución del Proyecto. Dependiendo del alcance del Proyecto y del documento, los Elaboradores y usuarios pueden ser varias o todas las Disciplinas, o solo Procesos. Véanse los INEDON “Bases de Diseño”, N° 903-P3100-P09-ADM901, y “Bases y Criterios de Diseño”, N° 903-HM120-P09-GUD-013. Calefacción Urbana (District Heating) Sistema que usa agua caliente para llevar calor hacia las áreas urbanas o comunidades en vez de usar energía eléctrica. Un ciclo de vapor puede ser usado como fuente de calor para una red de distribución de calefacción urbana. Calor Latente (Latent Heat) Energía absorbida o suministrada por las sustancias cuando cambian de estado sin cambiar de temperatura (Figura 1). También es llamado “calor de cambio de estado”.

Temperatura

Calor sensible (aumento de la temperatura) Calor latente (cambio de estado)

Calor sensible (aumento de la temperatura) Calor transferido

Figura 1. Diagrama de temperatura en función del calor transferido con la diferencia entre calor latente y sensible.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Calor de Combustión en los Combustibles, LHV y HHV A)

HHV para la venta. Es común en la industria del gas realizar la venta de combustibles basado en su HHV, por ejemplo, en los EUA el gas natural tiene un precio de USD 5 por cada millón de BTU, sin otra calificación adicional, se sobre entiende que el millón de BTU está basado en el HHV, lo que sería equivalente a 900 000 BTU basado en el LHV. Así que el precio corresponde a USD 5,55 por millón de BTU basado en LHV. También se vende gas en therms (thm), lo que equivale a 100 000 BTU basado en HHV.

B)

LHV para las calderas. En la industria de las calderas, la eficiencia y la tasa de calor son basadas en el LHV, considerando que el vapor de agua en los productos de la combustión no será condensado en la práctica y su calor latente se perderá.

Calor Neto de Combustión, Poder Calorífico Neto

(Lower [Net] Heating Value, LHV)

Calor neto obtenido del calor total de combustión menos el calor latente de vaporización del agua formada por la combustión del hidrógeno en el carburante. El LHV puede ser expresado en kJ/kg (BTU/lb) o en kJ/m3 (BTU/ft3), las unidades de volumen de gas son a condiciones base. Calor Sensible (Sensible Heat) Energía absorbida o suministrada por las sustancias cuando cambian de temperatura (Figura 1). Calor Total de Combustión, (Higher [Gross] Heating Value, HHV) Poder Calorífico Total Calor total obtenido de la combustión de un carburante a 15,56 °C (60 °F). El valor incluye el calor latente de vaporización del agua formada por la combustión del hidrógeno en el carburante. El HHV puede ser expresado en kJ/kg (BTU/lb) o en kJ/m3 (BTU/ft3), las unidades de volumen de gas son a condiciones base.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Carga Parcial (Part Load) Condición de operación, en la cual la potencia generada es menor que la carga base. Central de Generación de Potencia (Power Generation Station, Plant) También llamada estación de generación o planta de potencia, es una instalación industrial para la generación de potencia eléctrica. Este INEDON usa la palabra “central” según la definición del Diccionario de la Lengua Española “cada una de las diversas instalaciones donde se produce, por diferentes medios, energía eléctrica” [11]. Ciclo de Rankine (Rankine Cycle) Ciclo termodinámico que convierte el calor en trabajo. El calor es suministrado externamente a un lazo cerrado (Figura 2), el cual usa generalmente vapor de agua. También existe el ciclo de Rankine orgánico (ORC, organic Rankine cycle), el cual usa un fluido orgánico (hidrocarburos como n-pentano o tolueno, soluciones de amoníaco, etc.) en vez de agua; esto permite el uso de fuentes de calor con temperaturas más bajas que las usadas para el vapor de agua; pero con menor eficiencia. La Figura 3 muestra diagramas simplificados T-s con variaciones del ciclo de Rankine: •

Sobrecalentamiento, al aumentar la temperatura del vapor por encima de la temperatura de saturación, se evita la condensación de agua en la turbina. De lo contrario se forman gotas de agua que golpean las paletas de la turbina a una alta velocidad y ocasionan erosión, esto origina la disminución de la vida útil de las paletas y de la eficiencia de la turbina.

•

Recalentamiento, consta de dos turbinas que operan en serie. La primera recibe el vapor desde el generador de vapor a una alta presión. El vapor que sale de la primera turbina entra de nuevo al generador de vapor para recalentarse antes de entrar a la segunda turbina a una presión menor. Además de añadir trabajo adicional, previene la condensación del vapor durante la expansión.

•

Regeneración, el condensado (posiblemente subenfriado) es recalentado con vapor extraído del ciclo. El fluido del punto 2 es mezclado con el fluido

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR del punto 4 a la misma presión y origina un líquido saturado en el punto 7. Esto es típico en las centrales que usan sólo el ciclo de Rankine.

Calor de entrada

Generador de vapor 3

2

Trabajo generado por la turbina

Trabajo suministrado por la bomba 4

1 Calor retirado

Temperatura, T

Condensador

3

Calor de entrada

Trabajo generado 2

Trabajo suministrado 1

Entropía, s

Calor retirado

4

Figura 2. Esquema del ciclo de Rankine y diagrama idealizado con la temperatura del agua en función de la entropía.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Sobrecalentamiento Sobrecalentamiento del vapor antes de entrar a la turbina

Temperatura, T

3’

3’

2 3 2 4’

4’

1

4

1

Aumento del trabajo generado

Entropía, s Recalentamiento

Temperatura, T

3

2

5

4

2

3 5

4 6

1

1

6

Entropía, s Regeneración

Temperatura, T

3

5

3 5

7

8 4

7

2

8

4 6

2

1

1

6

Entropía, s

Figura 3. Diagramas simplificados e idealizados de la temperatura del agua en función de la entropía para las variaciones del ciclo de Rankine. 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Ciclo de Vapor (Steam Cycle) Véase “Ciclo de Rankine”. Cogeneración (Cogeneration, Combined Heat and Power, CHP) Generación simultánea de calor y potencia eléctrica en un solo proceso, el calor es provisto por el vapor de agua, el cual puede ser usado como servicio industrial en procesos externos a la central o para calefacción. Los sistemas de cogeneración son altamente eficientes si se usa el calor que sería desechado en la generación de potencia eléctrica. Las centrales de cogeneración pueden tener eficiencias mayores de 80 % [10]. Condensado (Condensate) (1)

Condensado de hidrocarburo: término usado para los hidrocarburos líquidos que se forman en el gas natural por condensación, también son llamados “gasolina natural”.

(2)

Condensado de agua: formación de agua líquida después de la condensación del vapor de agua.

Confiabilidad (Reliability) Es la probabilidad que un equipo esté operando después de transcurrido un tiempo determinado y es evidentemente función de ese tiempo. El concepto de confiabilidad equivalente considera tanto la salida forzada de un equipo integrante del ciclo de vapor de la Central y la pérdida de capacidad de generación asociada a una falla. Compárese con Disponibilidad (Cuadro 1). Existen varias fórmulas usadas para calcular la confiabilidad, a continuación una: RF =

PH − FOH PH

Ec. 1

Donde: RF

es la confiabilidad en fracción;

PH

son las horas de un periodo, normalmente un año, con un total de 8 760 h;

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FOH

Cuadro 1. Confiabilidad y Disponibilidad en centrales de generación Tipo de central

Confiabilidad

Disponibilidad

Con turbina de gas (quema de gas)

De 97 % a 99 %

De 88 % a 95 %

Con turbina de vapor (quema de carbón)

De 94 % a 97 %

De 82 % a 89 %

Ciclo combinado (quema de gas)

De 95 % a 98 %

De 86 % a 93 %

Nuclear

De 92 % a 98 %

De 80 % a 89 %

Generador diesel (quema de diesel)

De 96 % a 98 %

De 90 % a 95 %

Contingencia Contingency Monto de dinero que se incluye en el estimado de costos para cubrir intangibles originados por: incertidumbres asociadas con la variabilidad de los costos y productividades utilizadas; incertidumbres en relación a los costos de algún equipo o material adicional que pudiera ser incluido como resultado del avance de la ingeniería, u otros elementos de riesgo tales como: condiciones climáticas, laborales, dificultades de transporte, dificultades de acceso, relaciones con las comunidades, etc. Se estima usando un análisis estadístico de costos de proyectos pasados o aplicando la experiencia de proyectos similares. Control de Emisiones (Emissions Control) Métodos o procesos empleados para el control de las emisiones hacia la atmósfera de los contaminantes presentes en los gases de escape. El ruido es considerado una emisión contaminante y es generado en los equipos rotativos. El uso de silenciadores es común para disminuir la emisión de ruido. Los sistemas monitoreo continuo de las emisiones (CEMS) utilizan varias técnicas de análisis como la absorción y luminiscencia espectroscópicas. Las alternativas de monitoreo son básicamente las siguientes: A)

Sistemas in situ. Realizan la medición de los compuestos en los gases de escape a las condiciones presentes en la chimenea y la ubicación de la toma (Figura 4).

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR B)

Sistemas extractivos. Retiran una muestra de gas desde la chimenea o el ducto hacia una ubicación remota para acondicionar y analizar la muestra. Este grupo incluye las extracciones húmedas, secas y de dilución.

Emisor

NO, NO2, SO2, NH3, Hg, CO2, H2O

Recibidor

Cable de fibra óptica Suministro de potencia

Transferencia de datos

Analizador de datos

Figura 4. Instalación típica de un CEMS in situ y medición a través de la chimenea [27] Costos de Capital (Capital Costs) Costos resultantes de la compra o construcción de los equipos, instrumentos, cables, adecuación del terreno, edificios, etc. para la Central. Costos de Operación (Operating Costs) Costos como el combustible, de las variables operativas y del mantenimiento, los cuales varían con la operación de la Central [7]. Desaireador 1 (Deaerator) Recipiente a presión donde los gases disueltos son removidos del agua. 1

El diccionario de la RAE [11] define las palabras “aireación” como la acción y el efecto de airear o airearse, y “aeración” como el paso del aire a través de un cuerpo o (en la medicina) la acción del aire en el tratamiento de enfermedades. 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Descarga Cero (Zero Discharge) Es el objetivo de eliminar las descargas de contaminantes hacia el medio ambiente por parte de las instalaciones industriales. Destilación de Celdas (Efecto) Múltiples (Multi-Effect Distillation, MED) Proceso de tratamiento para la desalación del agua que consiste en varias celdas consecutivas con valores de presión y temperatura decrecientes; cada celda contiene un haz tubular horizontal, sobre el cual se rocía el agua de mar, para que entre en contacto con los tubos por dentro de los cuales circula vapor de agua (Figura 5). Retorno de agua de mar T = 60 °C

T = 50 °C

Agua de mar

Vapor T = 40 °C

Salmuera

Condensado

Destilado

Figura 5. Esquema de la MED Diagrama Temperatura-Entropía Información: una de las ventajas de los diagramas T-s es que los procesos adiabáticos reversibles (isentrópicos) pueden ser representados por una línea vertical. Muchos equipos industriales como las turbinas y bombas se tratan de construir para operar de manera isentrópica y así alcanzar la eficiencia máxima posible. Disponibilidad (Availability) Es el tiempo esperado que el equipo estará en operación e incluye el tiempo requerido para el mantenimiento del equipo. Compárese con Confiabilidad

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR (Cuadro 1). Existen varias fórmulas usadas para calcular la disponibilidad, a continuación una: AF =

PH − SOH − FOH PH

Ec. 2

Donde: AF

es la disponibilidad en fracción;

PH

son las horas de un periodo, normalmente un año, con un total de 8 760 h;

SOH

son las horas fuera de servicio para el mantenimiento programado;

FOH

son las horas forzadas fuera de servicio para paradas no planificadas y respiraciones.

Eficiencia (Efficiency) De las varias definiciones posibles, la más conveniente para la Ingeniería de Procesos es la de eficiencia energética, la cual corresponde a la fracción de la energía total suministrada al sistema que es transformada en energía utilizable. Mientras más energéticamente eficiente sea un ciclo, menos energía externa (combustible) requerirá para proveer el mismo nivel de servicio energético (electricidad para la venta). Dentro de esta categorización existen varios tipos de eficiencia, resumidas a continuación: A)

Eficiencia del combustible (Fuel efficiency) Calor total absorbido dividido, solamente, entre el suministro total de calor, con el calor neto de combustión (LHV) como base.

B)

Eficiencia eléctrica (Electrical Efficiency) Es la relación entre la potencia de salida utilizable divida entre el total de la potencia eléctrica total consumida.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR C)

Eficiencia de los equipos de aumento de presión

(Efficiency of equipment for pressure increase)

Relación entre la potencia teórica que requiere un equipo para incrementar la presión del fluido desde la presión de succión hasta la de descarga y la potencia real que se le suministra. El valor real es suministrado por el fabricante del equipo. D)

Eficiencia del motor (Motor efficiency) Es la relación entre la potencia al freno entregada al líquido y la potencia real del motor. El valor real es suministrado por el fabricante del equipo.

E)

Eficiencia isentrópica (Isentropic efficiency) Eficiencia que considera que el trabajo realizado en la compresión reversible de un fluido, no existe ni ganancia ni pérdida de calor, en comparación con un proceso isentrópico teórico. La eficiencia politrópica y la isentrópica representan la diferencia entre la energía teórica requerida de compresión y la real.

F)

Eficiencia politrópica (Polytropic efficiency) Es la relación entre la potencia al freno entregada al gas y la potencia real del motor, multiplicada por 100 para expresarla en porcentaje, para los compresores cuyo funcionamiento se desvía de las condiciones isentrópicas. La eficiencia politrópica asume pérdidas de calor por la fricción durante un proceso actual de compresión. El valor real es suministrado por el fabricante.

G)

Eficiencia térmica (Thermal efficiency) Calor total absorbido dividido entre el suministro total de calor, el cual es derivado por la quema del combustible más el calor sensible del aire, el combustible y cualquier medio de atomización.

Elemento (Element) En este INEDON, partes de un sistema o de una unidad (Figura 9), por ejemplo, los equipos que conforman el Sistema de la Caldera.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Emisiones a la Atmósfera (Atmospheric Emissions) Término que engloba los efluentes gaseosos y que generalmente se consideran compuestos nocivos para la salud humana y contaminantes para el medio ambiente. Energía Eléctrica (Electrical Energy) Se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos. Entalpía (Enthalpy) Magnitud termodinámica que mide la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno. Entropía (Entropy) Magnitud termodinámica que mide la cantidad de energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Estimado de Costos (Cost Estimate) Es un pronóstico de los costos que conforma un Proyecto de alcance y estrategia de ejecución definidos que respalda la toma de decisiones en cada una de las fases del Proyecto. Tiene como objetivos la evaluación de la factibilidad de ejecución de los Proyectos en su etapa conceptual, el análisis de la rentabilidad económica de los Proyectos en su etapa básica, la aprobación del presupuesto, servir de base de comparación de las ofertas en licitaciones, servir de base de control de costos y de avance en la fase de ejecución y servir de base para establecer estrategias de financiamiento. Estimado de Costos Clase IV, Tipo “Orden de Magnitud” Es un Estimado de Costo realizado en la fase de Ingeniería Conceptual y/o la fase de Estudios de Factibilidad de proyecto o para la Evaluación alternativas de diseño. Respalda la toma de decisiones para la preparación planes y solicitud de fondos (apartado presupuestario), para la ejecución proyectos.

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La contingencia recomendada para este tipo de estimados es de 30 %.

•

El rango de precisión para estimados Clase IV se ubica entre −30 % y +50 %.

Estimado de Costos Clase V, Tipo “Orden de Magnitud” Es un Estimado de Costo realizado en la fase de Estudio de Factibilidad de proyecto o para la Evaluación de alternativas de diseño. El estimado se basa en una definición global del proyecto, donde la información disponible se limita esencialmente al tamaño, ubicación general, tipo de producto, tipo de alimentación, etc. Respalda la toma de decisiones técnicas y/o tecnológicas para proyectos. •

La contingencia recomendada para este tipo de estimados es de 50 %.

•

El rango de precisión para estimados Clase V se ubica entre −50 % y +100 %.

Evaporación de Etapas Múltiples (Multi-Stage Flash, MSF) Proceso de tratamiento para la desalación del agua que consiste en la destilación del agua de mar por medio de la evaporación de una parte del agua en varias etapas. La Figura 6 muestra un esquema, también existe la opción de reciclar la salmuera y continuar la evaporación. Vapor

Extracción de aire

Agua de mar

Condensado

Destilado

Salmuera

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Exergía (Exergy) Magnitud termodinámica que indica el máximo trabajo teórico que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre un sistema cerrado y su entorno. Informa de la utilidad potencial del sistema como fuente de trabajo. Factor de Optimismo Tecnológico (Technological Optimism Factor) Factor de contingencia (vea definición de “Contingencia”) aplicado a las primeras cuatro unidades de un diseño nuevo, sin probar. Refleja la tendencia demostrada a subestimar los costos actuales para la primera unidad de su tipo. Flujo de Caja, Flujo de Fondos (Cash Flow) Flujos de entradas (ingresos) y salidas (egresos) de dinero en un tiempo determinado. El estudio de flujo de caja puede ser utilizado para analizar la viabilidad y rentabilidad de un Proyecto. Fueloil 2, Fuelóleo, Combustóleo, Aceite Combustible, de Calefacción o de Calentamiento

(Fuel Oil, Heating Oil)

Producto destilado que cubre un amplio rango de propiedades. Los más comunes (Cuadro 2) son:

2

A)

Fueloil No. 1: producto muy similar al queroseno; es usado en quemadores donde se requiere una vaporización antes del quemado y una llama limpia.

B)

Fueloil No. 2: producto con propiedades similares al combustible diesel y de la gasolina pesada de avión; es usado en quemadores donde no es requerida una vaporización completa. También es llamado aceite de calentamiento doméstico (domestic heating oil).

C)

Fueloil No. 4: fueloil de calentamiento ligero; usado cuando no se requiere precalentamiento para manejo o quemado. Existen dos grados de fueloil No. 4, los cuales difieren en el punto de inflamación y la viscosidad.

D)

Fueloil No. 5: fueloil pesado de uso precalentamiento antes del quemado.

industrial,

el

cual

requiere

“Fueloil” es la grafía recomendada por el Diccionario Panhispánico de Dudas.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR E)

Fueloil No. 6: fueloil pesado, el cual siempre requiere precalentamiento antes del quemado. También es llamado Bunker C oil cuando es usado para llenar y hundir recipientes en el océano. Cuadro 2. Tipos de fueloil e información adicional.

Nombre

Alias

Alias

Tipo

Cadena de carbonos

Fueloil No. 1

Destilado No. 1

Diesel fuel No. 1

Destilado

De 9 a 16

Fueloil No. 2

Destilado No. 2

Diesel fuel No. 2

Destilado

De 10 a 20

Fueloil No. 4

Destilado No. 4

Fueloil residual No. 4

Destilado /Residual

De 12 a 70

Fueloil No. 5 Fueloil residual No. 5

Fueloil pesado

Residual

De 12 a 70

Fueloil No. 6 Fueloil residual No. 6

Fueloil pesado

Residual

De 20-70

Gas de Combustión (Combustion Gas) Véase “Gas de Escape”. Gas de Escape (Flue Gas) Gas producido por la quema de un combustible; su composición depende del combustible quemado, pero principalmente está compuesto de nitrógeno (procedente del aire de combustión), dióxido de carbono, vapor de agua (estos como productos de la combustión), oxigeno (procedente del aire en exceso). Adicionalmente, puede contener contaminantes como partículas sólidas, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre (SOx). Gases de Efecto Invernadero (Greenhouse Gases) Compuestos gaseosos cuya presencia en la atmósfera contribuye al efecto invernadero. Los más importantes están presentes en la atmósfera de manera natural, aunque su concentración puede verse modificada por la actividad humana, pero también entran en este concepto algunos gases artificiales, producto de la industria (Figura 7). Los gases de efecto invernadero son el vapor de agua, el dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), los óxidos de nitrógeno (NOX), el ozono (O3) y los clorofluorocarbonos. El Cuadro 3 muestra las emisiones típicas de CO2 y vapor de H2O en dos tipos de centrales de generación de potencia; se considera que ambas centrales generan 500 MW

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR en su punto óptimo de diseño. Si se consideran las pérdidas asociadas a las cargas parciales, ciclos de arranque y parada, y envejecimiento de los equipos, las emisiones reales pueden ser de 15 % a 20 % mayor en la vida de la central. Debido a que las propiedades del carbón varían significativamente con el tipo, los valores para la caldera son solo indicativos. Cuadro 3. Emisiones típicas de gases de efecto invernadero en centrales de generación de potencia Tipo de central

CO2 desde la chimenea [kg/kWh]

H2O desde la chimenea [kg/kWh]

H2O desde la torre de enfriamiento [kg/kWh]

Caldera convencional de carbón pulverizado

0,8

0,25

1,6

Ciclo combinado con gas natural

0,35

0,33

0,8

Procesos industriales 19,4%

Transporte 13,1%

Agricultura 13,5%

Centrales de generación 25,9%

Disposición y tratamiento de desechos 2,9%

Quema de vegetación para uso agricola 17,4%

Residencial y comercial 7,9%

Figura 7. Fracciones de las emisiones de gases de efecto invernadero en el año 2004 por sector [13]

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Generador de Emergencia (Emergency Generator) Tipo de generador generalmente accionado por un motor de combustión interna y usado para suministrar las cargas esenciales de la Central (véase la Sección 14.8.17) Generador de Emergencia para (Black Start Emergency Generator) Arranque en Negro Tipo de generador usado para restaurar la operación de la Central sin la necesidad de fuentes externas de energía. Generalmente se usan generadores de emergencia accionados por motores de combustión interna. Humedad Relativa del aire (Relative Air Humidity) Relación entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de saturación del agua a una temperatura definida; generalmente se expresa en porcentaje. Línea (Pipe, Line) Con el objeto de generalizar este término, los INEDON de Procesos usan la palabra “línea” para los tubos, las tuberías, cañerías, los caños y ductos: conducto de forma cilíndrica por donde se transportan los fluidos de procesos (hidrocarburos, productos petroquímicos, etc.) o de servicios (agua, aire, gas combustible, gas inerte, etc.). Lluvia Ácida (Acid Rain) Tipo de lluvia con una acidez alta, la cual es provocada cuando la humedad en el aire se combina con los óxidos de nitrógeno (NOX) y el dióxido de azufre (SO2) emitidos, entre otras fuentes, por las centrales térmicas de generación de potencia, y forman ácido nítrico y ácido sulfúrico. Los NOX son formados por el nitrógeno presente en el aire de combustión, el SO2 es formado si existe azufre en el combustible. Normativa Término que engloba las normas, códigos, estándares, especificaciones, leyes, etc. nacionales e internacionales usadas en un Proyecto o como referencia para las Instrucciones de Trabajo.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Ondeo, Oleaje (Surge) Capacidad de flujo volumétrico, a la cual un compresor centrífugo se vuelve aerodinámicamente inestable [4]. Ósmosis Inversa (Reverse Osmosis, RO) Proceso tratamiento de agua por filtración en el cual se usa presión para pasar el agua a través de una membrana, reteniendo el soluto (rechazo o concentrado) en un lado y permitiendo que el permeado pase a través de otro lado. Esto es el inverso del proceso normal de ósmosis. Óxidos de Azufre, SOX (Sulfur Oxides, SOX) Agrupación de los óxidos del azufre como SO, SO2 y SO3. En el caso del SO2, éste se oxida y se combina con la humedad del aire y forma ácido sulfúrico (H2SO4), el cual contribuye a la lluvia ácida. Óxidos de Carbono, COX (Carbon Oxides, COX) Agrupación de los óxidos del carbono como CO y CO2. Óxidos de Nitrógeno, NOX (Nitrogen Oxides, NOX) Agrupación de los óxidos del nitrógeno como NO, NO2 y N2O3. Los óxidos de nitrógeno son producidos por la reacción del nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) molecular presentes en el aire de combustión y cuando la temperatura es mayor de 1370 °C (2500 °F). Los NOX tienen efectos negativos sobre la salud humana y contribuyen a la lluvia ácida porque forman ácido nítrico (HNO3). Pinch, literalmente: pellizco (Pinch) El término proviene del análisis o metodología pinch que es usado para optimizar la recuperación energética en un proceso y minimizar la inversión de capital. El principal uso en el diseño de una Central es en la caldera, donde la temperatura de pinch es la diferencia local de temperatura entre el vapor saturado en un evaporador y los gases de escape que dejan ese evaporador. Potencia Eléctrica (Electrical Power) Cantidad de trabajo por unidad de tiempo realizado por una corriente eléctrica.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Puente Grúa (Bridge Crane) Tipo de grúa montada en puente con rieles que permiten su desplazamiento (Figura 8). El puente grúa se usa para levantar partes de las turbinas de vapor.

Figura 8. Puente grúa (Erikkila UAB) Purga (Blowdown) Remoción de agua desde el evaporador con el propósito de controlar la concentración de sólidos disueltos. Quemador de Bajas Emisiones de NOX (Low NOX Burner, LO-NOX Burner) Tipo de quemador diseñado para maximizar la eficiencia de la combustión y reducir las emisión de óxidos de nitrógeno (NOX), existen para la quema de combustibles gaseosos, líquidos y sólidos (principalmente carbón), tanto en cámaras de combustión como calderas de generación de vapor. Rango de Precisión (Precision Range) Expresa el mínimo y máximo costo esperado comparado con el costo más probable. La precisión del estimado depende de varios factores: grado de definición del alcance, complejidad de la tecnología del proyecto, cantidad y calidad de la información técnica, confiabilidad de la data de costos empleada, incertidumbres, experiencia del estimador, tiempo disponible para elaborarlo, y la inclusión de una contingencia determinada apropiadamente.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Repowering Transformación de centrales de generación para el cambio del combustible quemado o para la adición de uno o más combustibles. El tipo más común es la transformación de centrales con quema de carbón a centrales con ciclo combinado, esto se realiza con los objetivos de aumentar la generación de potencia y de la eficiencia, la disminución de las emisiones atmosféricas, etc. La transformación es generalmente recomendada para centrales viejas y con una generación menor de 250 MW [29]. Selexol Nombre comercial para un solvente usado en la remoción de gases ácidos como sulfuro de hidrógeno (H2S) y dióxido de carbono (CO2) de una corriente de gas. El proceso con Selexol es licenciado por UOP LLC. Servicios Industriales (Utilities) Fluidos diferentes a los del proceso principal. Generalmente son: •

Aire de planta (servicio o industrial).

•

Aire de instrumentos.

•

Agua tratada de diferentes calidades: de servicio (de planta o industrial), desmineralizada y potable.

•

Combustibles gaseosos y líquidos, por ejemplo gas combustible y fueloil.

•

Hidrógeno.

•

Nitrógeno u otro gas inerte.

•

Vapor de agua con diferentes niveles de presión. En el caso de una Central, el vapor del ciclo de Rankine no es un servicio industrial.

Sistema (System) En este INEDON, un conjunto de unidades y/o elementos (Figura 9), por ejemplo, los Sistemas Principales y Sistemas Auxiliares de la Central.

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Sistema

Sistema Unidad

Unidad Elemento

Elemento

Elemento

Figura 9. Relación entre sistema, unidad y elemento

Servicios Auxiliares (Servicios Auxiliares) Desde el punto de vista de la distribución eléctrica, son todos los usuarios internos en la Central. En una Central, el servicio principal es el suministro externo o exportación de electricidad. Sistema de Agua de Enfriamiento (Cooling Water System) Sistema de distribución de agua para el enfriamiento de otros fluidos en un proceso. Dependiendo de los requerimientos, puede o no existir una torre de agua de enfriamiento en el sistema. Existen tres configuraciones básicas (Figura 10): A)

Sistema de flujo directo (once-through system): el agua caliente que sale de los equipos de intercambio de calor es desechada, es decir, no reutilizada para enfriamiento.

B)

Sistema de recirculación abierta (open recirculating system): el agua es distribuida a través los equipos de intercambio de calor, en donde aumenta su temperatura, luego es enfriada para ser distribuida de nuevo. El sistema es denominado como “abierto” cuando existe una torre de enfriamiento en la cual se pierde parte del agua por evaporación.

C)

Sistema de recirculación cerrada (closed recirculating system): el recorrido del agua es similar al sistema anterior, pero el agua es enfriada en un equipo de enfriamiento cerrado, por ejemplo, un intercambiador enfriado por aire o un intercambiador de calor del tipo chiller.

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Sistema de circulación de flujo directo Equipos de intercambio de calor Retorno

Suministro

Sistema de recirculación abierta Torre de enfriamiento

Equipos de intercambio de calor

Sistema de recirculación cerrada Intercambiador de calor Equipos de enfriado por aire intercambio de calor Aire caliente

Aire frío

Figura 10. Sistemas de agua de enfriamiento [16] Subestación Eléctrica (Electrical Substation) Conjunto de equipos instalados en determinado sitio, incluyendo las edificaciones necesarias, cuyo objeto es convertir o transformar energía eléctrica y permitir la conexión entre dos o más circuitos. Transformador Eléctrico (Electrical Transformer) Máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Transformador Elevador (Step-up Transformer) Tipo de transformador eléctrico que tiene como función principal llevar el nivel de voltaje desde el valor de operación del generador eléctrico (de media tensión) al nivel del sistema de transmisión (de alta tensión) para suministrar toda o una porción de la potencia generada. Esto se hace para minimizar las pérdidas de energía en la transmisión de grandes bloques de potencia, desde la central generadora hasta los centros de consumo o distribución principales. Tasa de Calor, Eficiencia Energética, Consumo Térmico (Heat Rate) Medida usada en la industria de la energía para calcular cuán eficiente es un proceso térmico de generación de energía, permite realizar estimados razonables de la cantidad de energía térmica para un tipo de combustible y comparar la capacidad de generación de potencia:

ϕ=

H E

Ec. 3

Donde: φ

es la tasa de calor en kJ/kWh o BTU/kWh;

H

es la energía térmica o calor suministrado a la Central en kJ o BTU;

E

es la energía generada en la Central en kWh (también para las unidades inglesas).

Mientras más baja es la tasa de calor, más eficiente es el proceso de generación en una comparación con variables definidas, o escrito de otra manera, una tasa de calor más baja indica que se produce más energía consumiendo menos combustible. Tiro (Draught, Draft) (1)

En los equipos de fuego directo (draught): presión negativa (de vacío) del aire y/o de los gases de escape, medida en cualquier punto del equipo.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR (2)

En los intercambiadores de calor con aire y las torres de enfriamiento (draft): dirección del aire a través de los ventiladores, puede ser de tiro inducido, forzado o natural.

Turbina (Turbine) Equipo rotativo que convierte la energía de un fluido en energía de movimiento. En la generación de energía se usan las turbinas accionadas con gas y vapor de agua. También existen las turbinas hidráulicas que convierten la energía de un flujo de agua en energía de movimiento, pero este tipo pertenece a la generación hidráulica de potencia y no a la térmica. Turbogenerador (Turbogenerator) Conjunto conformado por la turbina (de gas o de vapor) y el generador eléctrico. Unidad (Unit) En este INEDON, un conjunto de elementos y partes de un sistema (Figura 9), por ejemplo, la Unidad de Limpieza del gas sintético en el Sistema de Gasificación. En algunos Proyectos, las Unidades pueden ser llamadas Paquetes; pero este INEDON no usa esa designación debido a que el conjunto de elementos no son siempre solicitados a un tercero como un equipo tipo paquete. Vapor (Vapor 3, Vapour 4, Steam) (1)

Sustancia en estado gaseoso cuya temperatura es inferior a su temperatura crítica termodinámica.

(2)

Palabra usada para designar al vapor de agua (steam), ésta es la definición considerada para este INEDON.

Vapor Húmedo (Wet Steam) Vapor con cierto contenido de condensado.

3 4

Inglés estadounidense. Inglés británico.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Vapor Vivo (Live Steam) Vapor proveniente de la caldera. Vatios Eléctricos y Térmicos (Electrical and Thermal Watts) A)

Vatios eléctricos. Corresponden a la potencia eléctrica generada, en la industria se usan las abreviaciones MWe o MWe.

B)

Vatios térmicos. Corresponden a la potencia térmica producida (calor producido), en la industria se usan las abreviaciones MWt, MWth, MWt o MWth.

Velocidad de Arrastre, Pérdidas de Descarga

(Carry Over Velocity, Leaving Losses)

Pérdida de energía que se produce a la salida de la última etapa de una turbina a impulso debido al exceso de velocidad del vapor de agua a la descarga en comparación con la velocidad a la entrada. Voltaje o Tensión (Voltage) También conocido como diferencia de potencial, es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito cerrado, creando la corriente eléctrica. 10.

ESTUDIOS BASE PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL El diseño conceptual requiere de estudios realizados antes o durante el desarrollo de la IC y tienen como finalidad el suministro de información para el diseño, los estudios pueden ser alcance de inelectra o suministrados por el Cliente. Los estudios son liderados por la Disciplina de Estudios y los más relevantes son resumidos a continuación: A)

Viabilidad Técnica del Proyecto. Es una evaluación de los aspectos técnicos y de negocio que determinan la viabilidad del proyecto de construcción de la Central. La viabilidad de cualquier proyecto de inversión está fundamentada en los siguientes aspectos:

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Existencia de un mercado para el producto.

•

Disponibilidad de la tecnología para producir con la calidad y precio requerido.

•

Cumplimiento de las regulaciones existentes.

La evaluación considera aspectos como: •

Disponibilidad y precio del combustible.

•

Selección del sitio para la implantación de la Central.

•

Fecha requerida para puesta en servicio de la Central.

•

Análisis preliminar de riesgos.

La Figura 11 muestra un esquema de selección para la Central, el cual va desde los requerimientos, pasando por los factores relacionados con el sitio hasta la solución propuesta. Según el alcance del Proyecto, la información de cada caja puede ser suministrada por el Cliente y/o formar parte de la evaluación que realizará inelectra.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Requerimientos Demanda de Electricidad y de un Proceso externo

Factores relacionados con el sitio

Filosofía de operación

50 Hz

Financiamiento

60 Hz

Condiciones ambientales Legislación Recursos Medio de enfriamiento

Espacio

Combustible

Solución Tipo de Caldera Evaluación del ciclo Solución

Figura 11. Selección del concepto de la Central B)

Plan de Ejecución del Proyecto. Es una herramienta que servirá de guía durante la ejecución de las etapas del Proyecto, permitiendo asegurar que todas las actividades y tareas necesarias para su desarrollo, se realicen dentro de las metas de tiempo, costo y calidad planeadas.

C)

Definición de las características de la Central. Es una evaluación de la demanda y oferta de energía eléctrica, durante el ciclo de vida del Proyecto, en la localidad o país donde se construirá la Central e incluye un análisis de las características del sistema eléctrico.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR El principal resultado de esta evaluación es la potencia a instalar, el número de módulos de generación y la capacidad de cada módulo. D)

Evaluación técnica y económica de las alternativas para la Central. Consolida la información utilizada y documenta las actividades realizadas por el equipo técnico del Proyecto, para la evaluación de las tecnologías disponibles en el mercado, para los Sistemas Principales y Auxiliares de la Central. Si bien el alcance de la IC establece el diseño de una Central con ciclo de vapor, es posible que también solicite la evaluación de otras alternativas de generación para justificar la decisión y disponer de estimados de costos para comparación. Las otras alternativas que pueden ser evaluadas con los programas de Thermoflow son: •

Ciclo simple con la turbina de gas. Programa: GT PRO / GT MASTER.

•

Ciclo Combinado (turbina de gas con turbina de vapor). Programa: GT PRO / GT MASTER.

•

IGCC. Programa: GT PRO / GT MASTER.

La Figura 12 es una comparación relativa del precio para diferentes procesos térmicos de generación en función de las potencias totales generadas, los resultados fueron obtenidos con los programas de Thermoflow, Inc. La evaluación económica es siempre requerida para complementar la técnica, la primera incluye los costos de capital y de operación, tanto iniciales como durante la vida de operación de la Central. El ejemplo de la Figura 12 puede ser afectado por la disponibilidad y precio del combustible. En las secciones descriptivas de los Sistemas Principales y Auxiliares se indican las evaluaciones más comunes que pudiesen ser solicitadas en el alcance de una IC; las evaluaciones necesarias para el Proyecto tienen que estar solicitadas en su alcance. La Figura 13 es un ejemplo para un matriz de evaluación de alternativas de tecnologías de procesos térmicos de generación de potencia. Las tres primeras tecnologías son con quema de carbón en un caldera de generación de vapor (CP: carbón pulverizado, FBC: fluidized bed 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR combustion). La flexibilidad en el uso del combustible es determinada por la variedad en la calidad del combustible que puede ser usada en el proceso. La evaluación es solo técnica y para este ejemplo da como resultado que una Central con ciclo combinado tiene el mayor puntaje. 450 IGCC

Porcentaje relatitvo del precio [%]

400

IGCC

350

IGCC ST

IGCC 300

ST

ST

ST

250 200 150 100

CC

CC

CC

CC TG

TG

TG

TG

50 0 50

100

200

300

Potencia total generada [MW]

Figura 12. Comparación relativa del precio para diferentes procesos térmicos de generación de potencia en función de potencias totales generadas

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR

Figura 13. Ejemplo de una matriz para la evaluación de alternativas de tecnologías de procesos térmicos de generación de potencia Como referencia, en la Figura 14 se muestra una comparación entre costo capital, de operación y mantenimiento, fecha de puesta en línea y consumo térmico estimados para plantas de generación de potencia instaladas en Estados Unidos con fecha de orden en el 2008 [12]. Las tecnologías están organizadas en la tabla en orden creciente de costo capital total (base más contingencias) por kW de potencia instalada. Esta tabla puede usarse como orientación para tener un estimado de los órdenes de magnitud de las capacidades, los costos de inversión y operación, los consumos térmicos y los tiempos de puesta en línea de cada tecnología; sin embargo los valores finales para cada planta dependerán de factores como su ubicación, leyes locales, fabricante de equipos seleccionado u otros.

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P0 GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR [PRELIMINAR 0] Rev.

Tecnología Turbina de Combustión Avanzada Turbina de Combustión Convencional4 Ciclo Combinado (CC) Gas/Diesel Avanzado

Año de Puesta en Tamaño Línea1 (MW)

Costo Base Plazo de Overnight en 2008 Desarrollo (US$2007/kW) (Años)

Factores de Contingencia Proyecto Tecnología Factor de Contingencia

Factor de Optimismo

Costo Total Overnight en Costo Variable Costo Variable 20082 O&M O&M (US$2007/kW) (US$2007/kW) (US$2007/kW)

Consumo Consumo Térmico Térmico3 n-ésimo de su clase en 2008 (Btu/kWh) (Btu/kWh)

2010

230

2

604

1.05

1.00

634

3.17

10.53

9,289

8,550

2010

160

2

638

1.05

1.00

670

3.57

12.11

10,810

10,450

2011

400

3

877

1.08

1.00

948

2.00

11.70

6,752

6,333

CC Gas/Diesel Convencional Generación Distribuida Base

2011

250

3

917

1.05

1.00

962

2.07

12.48

7,196

6,800

2011

2

3

1,305

1.05

1.00

1,370

7.12

16.03

9,050

8,900

Generación Distribuida -Pico

2010

1

2

1,566

1.05

1.00

1,645

7.12

16.03

10,069

9,880

Geotérmica5,6 CC Avanzado con Captura de Carbono

2010

50

4

1,630

1.05

1.00

1,711

0.00

164.64

34,633

30,301

2016

400

3

1,683

1.08

1.04

1,890

2.94

19.90

8,613

7,493

Eólica

2009

50

3

1,797

1.07

1.00

1,923

0.00

30.30

9,919

9,919

Carbón Depurado, Nueva5

2012

600

4

1,923

1.07

1.00

2,058

4.59

27.53

9,200

8,740

Hidroeléctrica Convencional6

2012

500

4

2,038

1.10

1.00

2,242

2.43

13.63

9,919

9,919

IGCC Desecho Municipal (MSW) Gas de Relleno Sanitario

2012

550

4

2,223

1.07

1.00

2,378

2.92

38.67

8,765

7,450

2010

30

3

2,377

1.07

1.00

2,543

0.01

114.25

13,648

13,648

Nuclear Avanzada IGCC con Captura de Carbono

2016

1350

6

2,873

1.10

1.05

3,318

0.49

90.02

10,434

10,434

2016

380

4

3,172

1.07

1.03

3,496

4.44

46.12

10,781

8,307

Biomasa

2012

80

4

3,339

1.07

1.05

3,766

6.71

64.45

9,646

7,765

Eólica, Costa Afuera

2012

100

4

3,416

1.10

1.03

3,851

0.00

89.48

9,919

9,919

Solar Térmica5

2012

100

3

4,693

1.07

1.00

5,021

0.00

56.78

9,919

9,919

Celdas de Combustible

2011

10

3

4,640

1.05

1.10

5,364

47.92

5.65

7,930

6,960

2011

5

2

5,750

1.05

1.00

6,038

0.00

11.68

9,919

9,919

5

Fotovoltaica

5

Figura 14. Comparación de Tecnologías de Generación de Potencia [12] 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Notas de la Figura 14 [12]: 1. El año de puesta en línea representa el primer año en que una unidad nueva pudiera ser completada, con una fecha de orden en 2008. Para la energía eólica, geotérmica y gas de relleno sanitario, el año de puesta en línea fue adelantado para reconocer la actividad de mercado significativa actual en Estados Unidos en anticipación a la expiración del Crédito Impositivo de Producción para la energía eólica en 2009 y para las demás en 2010. 2. El costo capital overnight incluye los factores de contingencia, excluye los multiplicadores regionales y efectos de aprendizaje. También excluye los cargos de intereses. Estos representan los costos de proyectos iniciados en el 2008. 3. Para las tecnologías hidroeléctrica, eólica y solar, el consumo térmico mostrado representa el consumo térmico promedio para plantas de generación térmica promedio en 2007. Esto se usa para el propósito de calcular el consumo primario de energía reemplazado por estas fuentes, y no implica un estimado de su eficiencia de conversión energética actual. 4. Los costos capitales se muestran antes de la aplicación de créditos impositivos de inversión. 5. Las unidades de turbina de combustión pueden construirse por el modelo anterior al 2010, en caso de ser necesario, para alcanzar el margen de reserva de una región dada. 6. Debido a que el costo y características de rendimiento de las plantas geotérmicas e hidroeléctricas son específicos de cada sitio, los valores de la tabla representan el costo de la planta menos costosa que pudiera ser construida en la región energética del Noroeste de los Estados Unidos, donde se ubican la mayoría de las plantas propuestas en ese país.

E)

Niveles del diseño conceptual. El Cuadro 4 contiene niveles recomendados para la presentación de resultados del diseño conceptual: •

Primer nivel: consiste en las evaluaciones más básicas de la Central, las cuales generalmente suministran suficiente información para soportar la planificación del diseño de los sistemas, evaluaciones económicas preliminares y la evaluación del sitio donde se construirá la Central. Los estimados de costos preparados en el primer nivel.

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•

Segundo nivel: suministra información adicional y más detallada para el plano de implantación, el desempeño de la Central y los Sistemas Principales. En algunos Proyectos, este nivel soporta las actividades de permisología de construcción de la futura Central.

•

Tercer nivel: Específica el diseño de los sistemas, sus unidades y elementos, suministra las fundaciones para etapas futuras del Proyecto.

La aplicabilidad de los niveles descritos anteriormente depende del alcance solicitado para la IC; pero su seguimiento es recomendado para suministrar información al Cliente y permitirle a éste, junto con el equipo de técnico de inelectra, la toma de decisiones sobre el resto del desarrollo de la IC. Recomendación: el Cliente es informado con resultados parciales según el requerimiento del Proyecto y en la medida que éste avance. 11.

CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA La definición más sencilla desde el punto de vista termodinámico de una central térmica de generación de potencia es: una instalación que convierte la energía térmica en energía eléctrica. Dentro del concepto de una central térmica de generación de potencia están: •

Las centrales que queman combustibles para producir gases calientes y/o vapor de agua y mover turbinas.

•

Las centrales nucleares, en donde la fusión nuclear es usada para producir calor y generar vapor de agua, el cual mueve una turbina.

•

Las centrales geotérmicas, las cuales usan vapor extraído del subsuelo

•

Las centrales solares que usan la luz solar para generar vapor de agua.

La Figura 15 muestra una comparación de las eficiencias netas de varios procesos térmicos de generación de potencia, donde se puede observar la ventaja que tiene el ciclo combinado. Las dependencias del costo de la electricidad con el tiempo equivalente de uso para varias centrales son comparadas en la Figura 16 y Figura 17, la central con ciclo combinado tiene 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR un costo menor para producir electricidad, especialmente en centrales de 1000 MW. Las centrales a base de carbón aún se construyen en localidades donde el gas natural o combustible líquido sale muy costoso en relación con el carbón. 65 Central con ciclo combinado

Eficiencia Neta (LHV) [%]

60 55 50

Central con generador diesel 45

Central con turbina de vapor y quema de carbón

40

Central con turbina de gas

35 Central nuclear 30 0

200

400

600

800

1000

1200

Potencia generada [MW]

Figura 15. Comparación de las eficiencias netas de varios procesos térmicos de generación de potencia

La Figura 18 es una comparación de las eficiencias 5 de los tipos de centrales o métodos actuales para la generación de potencia.

5

La Ref. [32] no indica si es la eficiencia eléctrica está basada en el LHV.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 4. Niveles recomendados para la presentación de resultados del diseño conceptual [7]. Primer Nivel

Segundo Nivel

Tercer Nivel

Capacidad

Capacidad

Capacidad

Tasa de calor

Tasa de calor

Tasa de calor

Consumo de combustible

Consumo de combustible

Consumo de combustible

Eficiencia de la Central

Eficiencia de la Central

Eficiencia de la Central

Definición de los Sistemas Principales

Definición de los Sistemas Principales

Definición de los Sistemas Principales

Eficiencia de la turbinas de gas, el HRSG y del ciclo de vapor

Eficiencia de la turbinas de gas, el HRSG y del ciclo de vapor

Emisiones de contaminantes

Emisiones de contaminantes

Balance del ciclo de vapor

Balance del ciclo de vapor

Balance de agua

Balance de agua

Requerimientos de enfriamiento

Requerimientos de enfriamiento

Definición de los Sistemas Auxiliares

Definición de los Sistemas Auxiliares

Consumos de los servicios industriales

Consumos de los servicios industriales

Consumo de potencia de los Sistemas Auxiliares

Consumo de potencia de los Sistemas Auxiliares

Preliminar del plano de implantación

Plano de implantación Requerimientos de desempeño Criterios, bases y premisas específicos del diseño de los elementos en cada sistema Lista de los equipos mayores Lista de la normativa aplicable a la Central Identificación de la interdependencia de los sistemas Requerimientos de redundancia de los equipos Limitaciones funcionales Limitaciones físicas (por ejemplo de espacio) Descripción del sistema de control

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Costo de la Electricidad [USD/MWh]

120

Central con turbina de vapor y quema de carbón

100 Central con ciclo combinado

80 60

Central con turbina de gas

40 20 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Tiempo Equivalente de Uso [horas/año]

Figura 16. Dependencia del costo de la electricidad con el tiempo equivalente de uso para centrales de 400 MW

Costo de la Electricidad [USD/MWh]

120

Central nuclear

100 Central con turbina de vapor y quema de carbón 80 Central con ciclo combinado

60 40 20 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Tiempo Equivalente de Uso [horas/año]

Figura 17. Dependencia del costo de la electricidad con el tiempo equivalente de uso para centrales de 1000 MW 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Eficiencia [%] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Central hidroeléctrica Central mareomotriz Ciclo combinado de alta potencia Celda de combustible de carbonados fundidos Caldera de carbón pulverizada con condiciones ultra críticas Celda de combustible de óxidos sólidos IGCC con quema de carbón Combustión de lecho fluidizado circulante atmosférico Combustión de lecho fluidizado presurizado Turbina de gas de alta potencia Turbina de vapor en una central con quema de carbón Turbina de vapor en una central con quema de fueloil Turbina de viento Central nuclear Central con quema de biomasa y biogas Central con quema de desechos Maquina diesel con CHP Turbinas pequeñas (< 100 kW) Celdas fotovoltaicas Central geotérmica Torre de energía solar 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Eficiencia [%]

Figura 18. Comparación de las eficiencias en diferentes tipos de centrales de generación de potencia [32] (adaptación)

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CICLO DE VAPOR Una Central Térmica de Generación de Potencia con Ciclo de Vapor se basa sobre el ciclo de Rankine. La conversión de energía sigue los pasos básicos siguientes: A)

Un combustible es quemado para producir energía térmica (calor). La energía liberada en la combustión es usada para generar vapor en una caldera que tiene dos secciones: la de calor convectivo, en la que se transfiere calor desde los gases de escape calientes, y la de calor radiante en la que se transfiere calor por radiación de la llama. Los combustibles más comunes son: a)

b)

Gases. •

Gas natural con un alto contenido de metano.

•

Gas sintético, como el producido con la gasificación de combustibles sólidos.

•

Gas natural licuado, el cual es regasificado antes de ser suministrado a la caldera.

•

Gas metano producido en rellenos.

Líquidos. Varios de los derivados del petróleo son usados como combustible líquido:

c)

•

Fueloil.

•

Queroseno.

•

Diesel.

•

Residuos pesados y ligeros.

Sólidos. •

Carbón.

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Coque de petróleo.

•

Biomasa.

•

Desechos municipales y pecuarios.

B)

El vapor a alta presión acciona una turbina, generando su demovimiento (energía mecánica).

C)

La energía mecánica es transformada en energía eléctrica en un generador eléctrico.

Figura 19. Esquema simplificado de un ciclo de vapor La Figura 19 muestra un esquema simplificado de un ciclo de vapor con los Sistemas Principales descritos más adelante. En la misma figura se muestran los elementos que participan en el ciclo de Rankine.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR La eficiencia de generación eléctrica en un Central con ciclo de vapor ronda el 35 % para bajas potencias y se acerca al 45 % para altas potencias (Figura 15). La caldera con quema de carbón tiene una eficiencia típica entre el 75 % y el 95 % [7]. La Figura 20 compara los diagramas de temperatura en función de la entropía para los ciclos termodinámicos de manera independiente y combinados, mientras mayor es el área del trabajo generado, mayor es la potencia generada y como el suministro de combustible es uno solo, la eficiencia es mayor. La definición general de la eficiencia bruta de una Central con ciclo a vapor es: η CV =

PST Qb

Ec. 4

Donde (úsense unidades de medición consistentes): ηCV

es la eficiencia de la central con ciclo a vapor;

PST

es la potencia generada por la turbina de vapor;

Qb

es la energía térmica (calor) suministrado por el combustible en la caldera.

La ecuación anterior es la eficiencia total (o bruta) del ciclo combinado porque no considera el consumo de potencia y pérdidas eléctricas de los equipos de la Central, PAUX. Si se resta el valor de PAUX, la ecuación de eficiencia neta es: η CV =

PST − PAUX Qb

Ec. 5

La distribución de la energía contenida en el combustible hacia los elementos principales de la central con ciclo de vapor se puede apreciar en la Figura 21. En total, alrededor de 60 % de la energía suministrada es perdida. Una Central consiste en una cantidad extensa y compleja de procesos y elementos, incluyendo edificios, estructuras, equipamiento y controles. El diseño por sistemas es una filosofía en la cual esos elementos son categorizados en sistemas funcionales; por esto el proceso de la Central ha sido dividido en Sistemas, resumidos en la Figura 22 y descritos en las secciones siguientes.

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Turbina de gas con y sin combustión secuencial

Turbina de vapor sin recalentamiento

Temperatura

1530 K Q+ 1530 K Q+

800 K

900 K

700 K

590 K

Con combustión secuencial

288 K

840 K

Q+

Q−

Q−

300 K

300 K

Entropía Ciclo combinado (arriba el ciclo de Brayton y abajo el de Rankine)

Turbina de vapor con recalentamiento

Q+ 1530 K Q+ Temperatura

Q+

1530 K

Q+

840 K 840 K 630 K

800 K

900 K Q+ 840 K

700 K

590 K Q−

300 K

Q−

288 K

300 K

Q− 300 K

Entropía Aclaratoria: los aumentos de temperatura no siguen líneas rectas (isentrópicas) porque los diagramas consideran condiciones reales, es decir que no son idealizadas.

Figura 20. Diagramas de temperatura en función de la entropía para varios ciclos termodinámicos

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Energía en el combustible 100 % Pérdidas en entrega de combustible 0,1 % Pérdidas misceláneas 0,5 %

Pérdidas en la caldera 2 %

Pérdidas en líneas de vapor 0,3 %

Cenizas 0,1 %

Condensador 47 % Chimenea 11 %

Energía Neta 39 %

Figura 21. Diagrama de flujo de energía para una central a vapor

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Sistemas Principales

Sistemas Auxiliares

Manejo de Carbón y Piedra Caliza* Caldera

Combustible Gaseoso

LHV

Combustible Líquido

LHV

Condensados de Hidrocarburo Suministro y Retorno de Agua

Turbina de Vapor

Agua Industrial

Agua de Alimentación a Caldera

Agua Desmineralizada

μS/cm

Agua Potable

Enfriamiento del Ciclo de Vapor

Aguas de Desecho Control de Emisiones

NO X SOX

Muestreo del Vapor y Condensado

Chimenea

Aire Comprimido Químicos

Misceláneos

Captura de Dióxido de Carbono Edificaciones *

Monitoreo y Control*

Otras obras civiles *

Detección y Extinción de Incendio*

Equipos de izaje *

Alivio de Presión

C O2

Ventilación y Aire Acondicionado* Distribución Eléctrica* Telecomunicaciones* (*) Sistemas cuyo desarrollo es liderizado por una Disciplina diferente de Procesos

Figura 22. Resumen de los Sistemas Principales, Sistemas Auxiliares y Misceláneos

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FUENTES DE ENERGÍA Una variedad de combustibles gaseosos, líquidos o sólidos son empleados para generar la energía térmica necesaria para alimentar los ciclos de vapor, como se mencionó anteriormente, y la selección de un tipo de caldera u otro debe hacerse tomando en consideración el combustible utilizado. En esta sección se hará énfasis sobre el carbón.

13.1.

Carbón El carbón es la segunda fuente más importante de combustible, que provee el 32% de la energía mundial, y es el combustible fósil más empleado para la generación eléctrica.

13.1.1.

Clasificación de los carbones Estándares para la clasificación de los carbones: La Norma ASTM D388 [6] define cuatro clases básicas de carbón: lignito, subbituminoso, bituminoso, y antracita. Cada clase a su vez posee varios grupos, y el carbón es ubicado en uno u otro grupo según un rango de propiedades. Esta sección se enfocará sobre la clasificación estándar establecida en dicha norma, que es la más aceptada internacionalmente. Para cada Proyecto debe identificarse la normativa local o internacional a utilizar. La clasificación del carbón se basa en: carbono fijo, material volátil, y poder calorífico bruto (alto), en base seca y libre de cenizas, determinados de acuerdo a los ensayos correspondientes (vea la siguiente sección) según el Cuadro 5.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 5. Clasificación del Carbón [6] Límites Límites Carbono Material Fijo Volátil (% seco, (% seco, Clase Grupo sin sin ceniza) ceniza) ≥ < > ≤ Meta-antracita 98 2 I Antracita 92 98 2 8 Antracita Semi-antracita1 86 92 8 14 Bajo en volátiles 78 86 14 22 Medio en 69 78 22 31 volátiles Alto en volátiles 69 31 A II Alto en volátiles Bituminoso B Alto en volátiles C -

III Subbituminoso

IV Lignito

Sub-bituminoso A Sub-bituminoso B Sub-bituminoso C Lignito A Lignito B

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Límites Poder Calorífico Bruto, kJ/kg (Btu/lb) (seco, sin ceniza) ≥ -

< -

32.557 (14.000)3 30.232 (13.000)2 26.743 (11.500) 24.418 (10.500) 24.418 (10.500) 22.090 (9.500) 19.300 (8.300) 14.650 (6.300) -

32.557 (14.000) 30.232 (13.000) 26.743 (11.500) 26.743 (11.500) 24.418 (10.500) 22.090 (9.500) 19.300 (8.300) 14.650 (6.300)

Carácter Aglomerante

No Aglomerante

Comúnmente Aglomerante2

Aglomerante

No Aglomerante

No Aglomerante

Notas: 1. Si es de carácter aglomerante, clasificar dentro del grupo Bajo en volátiles de la Clase Sub-bituminoso. 2. Puede haber variedades no aglomerantes en estos grupos de la clase Bituminoso, habiendo excepciones notables en el grupo Alto en volátiles C. 3. Los carbones que contengan 69% o más de carbono fijo en base seca y libre de cenizas serán clasificados según el carbono fijo, independientemente del poder calorífico alto.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR El material volátil comprende hidrocarburos y otros componentes que son liberados en forma gaseosa cuando se calienta el carbón. La cantidad presente en un carbón en particular se relaciona con el poder calorífico y la tasa de quemado. La relación de material volátil a carbono fijo afecta apreciablemente el diseño de la caldera, ya que las dimensiones del horno deben permitir un tiempo de retención adecuado para quemar apropiadamente el combustible. La conversión de carbono fijo, material volátil y poder calorífico alto a base libre de humedad y cenizas se hace mediante las fórmulas de S.W. Parr [6]: FCseco,sin cenizas =

100(FCcon SO3 − 0,15S ) 100 − (M + 1,08 Asin SO3 + 0,55S )

VM seco,sin cenizas = 100 − FCseco,sin cenizas

HHVseco,sin cenizas =

100(HHV − 50 S ) 100 − (1,08 Asin SO3 + 0,55S )

Ec. 6 Ec. 7 Ec. 8

Donde (úsense unidades de medición consistentes): Asin SO3

es el contenido de cenizas, calculado en base sin SO3, %;

M

es el contenido de humedad reportado en el análisis inmediato (ASTM D3172), %;

S

es el contenido de azufre reportado en el análisis final (ASTM D3176), %;

FCcon SO3

es el contenido de carbono fijo, calculado incluyendo SO3, %;

FCseco, sin cenizas

es el contenido de carbono fijo, calculado en base libre de humedad y cenizas, %;

HHV

es el poder calorífico bruto (alto), determinado según ensayo ASTM D5865;

HHVseco, sin cenizas

es el poder calorífico bruto (alto), calculado en base libre de humedad y cenizas;

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR VMseco, sin cenizas

es el contenido de material volátil, calculado en base libre de humedad y cenizas, %.

El contenido de carbono fijo con SO3 y de ceniza sin SO3 se calcula de la siguiente forma [6]: SO3  M   Asin SO3 = Aseco,D3172 1 − 1 −  100  100  

FCcon SO3 = FC D 3172 + SO3

Ec. 9 Ec. 10

Donde: Aseco,D3172

es el contenido de cenizas en base seca reportado en el análisis inmediato (ASTM D3172), %;

FCD3172

es el contenido de carbono fijo reportado en el análisis inmediato (ASTM D3172), %;

SO3

es el contenido de trióxido de azufre reportado en el análisis de las cenizas (ASTM D3682 o D4326), %;

El carácter aglomerante o no aglomerante del carbón se determina mediante la forma del residuo del carbón durante la prueba para determinación del material volátil: si el residuo es capaz de soportar una pesa de 500 gramos sin fracturarse, o muestra hinchazón o estructura de célula, se considera aglomerante. Alternativamente, carbones con un índice de hinchamiento libre (ver sección siguiente) de 1,0 o más son considerados aglomerantes, mientras que carbones con un índice de hinchamiento libre de 0,5 ó 0 son no aglomerantes. Características generales de las clases de carbón: A continuación se describen algunas características generales de cada clase de carbón. El aspecto físico de cada clase de carbón se puede apreciar en la Figura 23. •

Lignito: es un carbón de baja calidad, blando, de color marrón hasta negro, y poder calorífico inferior a 19.300 kJ/kg (8.300 Btu/lb). Su contenido de humedad puede llegar a 30%, con un alto contenido de volátiles que lo hace arder con mucha facilidad, generando el riesgo de combustión espontánea durante su almacenamiento. Su transporte a

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR largas distancias no es económico, debido a su bajo poder calorífico y su alto contenido de humedad. •

Carbón sub-bituminoso: es un carbón negro, no coquizable, con un contenido de humedad relativamente alto (entre 15 y 30%), y un poder calorífico entre 19.300 y 26.743 kJ/kg (8.300 y 11.500 Btu/lb). Tiene un alto contenido en volátiles que lo hace arder fácilmente, por lo que tiene a la combustión espontánea durante su almacenamiento. Su menor contenido de ceniza hace que queme con más limpiamente que los carbones de tipo lignito; y su típicamente bajo contenido de azufre lo hace atractivo para reducir las emisiones de SO2 de centrales termoeléctricas existentes que queman carbón bituminoso.

•

Carbón bituminoso: es un carbón negro, con capaz alternadas de negro brillante y mate, un contenido de humedad relativamente bajo, y un poder calorífico entre 24.418 y aproximadamente 37.216 kJ/kg (10.500 y 16.000 Btu/lb). Es el carbón más quemado en las centrales termoeléctricas, debido a su mayor poder calorífico con respecto a las demás clases, y a su contenido moderado de volátiles que permite que arda fácilmente al ser atomizado hasta un polvo fino dentro de la caldera, pero rara vez experimente combustión espontánea durante su almacenamiento. Algunos carbones bituminosos al calentarse en ausencia de aire coquifican (desprenden volátiles para formar coque); estos carbones generalmente se venden a un precio más alto, ya que el coque es usado como combustible en hornos de alta temperatura, como los usados en la industria metalúrgica. Su desventaja relativa es la usual presencia de mayor cantidad de azufre, requiriendo de sistemas para control de SO2.

•

Antracita: Es el carbón de más calidad, negro brillante, con pocas o ninguna apariencia de capas, un contenido muy bajo de humedad (en torno al 3%), y un poder calorífico alto, por el orden de los 34.890 kJ/kg (15.000 Btu/lb), ligeramente inferior a los carbones bituminosos medios y bajos en volátiles. La antracita tiene un bajo contenido de azufre y ceniza y arde con llama caliente y limpia. En contraste, su bajo contenido de material volátil hace que arda más difícilmente, requiriendo un diseño especial de caldera y quemadores que le ofrezcan un mayor tiempo de retención en el horno y un mayor contacto con el aire.

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a) a) b) c) d)

b)

c)

d)

Lignito [28] Carbón sub-bituminoso [22] Carbón bituminoso [34] Antracita [35] Figura 23. Aspecto físico de cada clase de carbón.

Evolución del carbón: A medida que el carbón madura, el contenido de oxígeno y material volátil disminuye, mientras que el de carbono fijo aumenta, como se puede apreciar en la Figura 24. Así, por ejemplo, mientras un carbón típico de lignito B tiene un contenido de oxígeno, material volátil y carbono fijo de 25, 33 y 42 % respectivamente (en base libre de humedad y ceniza), un carbón típico de antracita tiene un contenido típico de oxígeno, material volátil y carbono fijo de 2, 5 y 93 % respectivamente (en base libre de humedad y ceniza), según la Figura 24. Por otro lado, el poder calorífico alto (HHV) alcanza un máximo en las categorías más maduras de carbón bituminoso, pero luego desciende, de acuerdo a la Figura 24.

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Figura 24. Etapas progresivas de la formación del carbón (adaptado de [31]). 13.1.2.

Caracterización del carbón La correcta caracterización del carbón es necesaria, puesto que las propiedades del carbón y de sus cenizas impactan sobre el diseño de la caldera, pulverizadores u otros componentes del ciclo de vapor. Esta sección se enfocará sobre los ensayos ASTM que aplican para caracterizar el carbón. El software STEAM PRO dispone de caracterizaciones típicas para varios carbones de distintos países. Para diseños más detallados, así como para carbones no incluidos en la base de datos, se deben solicitar, como mínimo, las características mencionadas en esta sección. En el Anexo 1 se adjunta un formato que incluye los análisis de carbón y cenizas que son requeridos para poder realizar el diseño de los componentes de la caldera. A continuación se detalla cada uno de ellos y su significado.

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Caso (Combustible de Diseño / Alternativo): al especificar la caldera, se debe establecer cuál de los combustibles es el de diseño y cuáles son de uso poco frecuente (alternativos); el fabricante realizará el diseño basándose en el combustible de diseño y tomará previsiones según los otros combustibles a considerar.

•

Clasificación del Carbón: la clasificación del carbón, de acuerdo a la Norma ASTM D388 (ver sección anterior), indica de forma general el carácter del carbón y da una idea de sus propiedades típicas, según lo descrito en la sección anterior del INEDON.

•

Análisis Inmediato: el análisis inmediato del carbón, regido por la Norma ASTM D3172, incluye la medición del porcentaje en peso de la humedad, ceniza y material volátil del carbón, con el carbono fijo calculado como la diferencia entre los anteriores y 100%. La humedad es la cantidad de agua presente en el carbón. La ceniza es el residuo no combustible remanente de la combustión total del carbón. El material volátil consiste de hidrocarburos y otros gases que resultan de la destilación y descomposición del carbón a medida que se calienta. El análisis puede ser reportado en base al carbón como es recibido (sin secar) o preparado (seco), por lo que es importante verificar la base de los resultados.

•

Análisis Final: el análisis final del carbón, realizado según la Norma ASTM D3176, comprende la determinación de sus componentes elementales: humedad, ceniza, carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, oxígeno y cloro; y es sumamente importante ya que provee información sobre los componentes combustibles y no combustibles usados para el cálculo de los requerimientos de aire de combustión, volúmenes de gas de escape y pérdidas asociadas a la combustión de hidrógeno. El análisis puede ser reportado en base al carbón como es recibido (sin secar) o preparado (seco). La presencia de cloro, por otro lado, es una indicadora de la presencia de sodio libre volátil, que es causante de tendencias severas a la incrustación.

•

Formas de Azufre: el azufre está presente en el carbón en tres formas: pirítico (inorgánico), sulfatos e inorgánico. El azufre pirítico comprende los cristales de sulfuro de hierro, que durante la combustión se oxidan para generar SO2, SO3 y posteriormente ácido sulfúrico, representando un riesgo de corrosión para las paredes de agua de la caldera; esta forma de azufre se puede retirar por medio de lavado mecánico del carbón. El azufre presente en la forma de sulfatos de hierro, calcio,

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR aluminio, etc., sufre pocos cambios y usualmente permanece como un inerte durante la combustión, absorbiendo parte del calor de combustión. El azufre orgánico está combinado en la matriz del carbón; al igual que el azufre pirítico, se oxida totalmente durante la combustión para generar productos corrosivos; pero a diferencia de éste no puede ser removido mediante lavado mecánico. •

•

Poder Calorífico Alto (Bruto): es la principal propiedad desde el punto de vista comercial, ya que es la más tomada en cuenta al evaluar cuánto estaría dispuesto a pagar un comprador por un combustible en relación a otros. Es el calor que libera el combustible al ser quemado, cuando el agua en el producto permanece como líquido.

Índice de Molturabilidad de Hardgrove (Hardgrove Grindability Index): este índice es una medida de la facilidad para pulverizar al carbón, y afecta sobre el manejo, alimentadores y pulverizadores de carbón. •

Índice de Hinchamiento Libre (Free Swelling Index): este índice es un indicativo de la tendencia del carbón a formar “tortas” (caking tendency) al ser calentado, ablandándose y aglomerándose a medida que es calentado y se libera el material volátil. Mientras mayor es, más coque se genera con el calentamiento rápido del carbón.

•

Humedad en Equilibrio: es la humedad que no puede ser separada del carbón por medio de secado. El agua reduce el contenido calorífico del carbón al absorber parte del calor de combustión durante su evaporación.

•

Temperatura de Fusión de las Cenizas: la temperatura de fusión de las cenizas es importante porque sigue siendo la principal medida del potencial de ensuciamiento y escorificación de las cenizas del carbón. Se determina siguiendo el procedimiento de la Norma ASTM D1857. La temperatura a la que se derrite la ceniza se determina tanto en una atmósfera reductora (compuesta por hidrógeno, hidrocarburos o monóxido de carbono) como en una atmósfera oxidante (compuesta de oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua o aire); estas diferentes atmósferas se usan para simular la combustión del carbón en zonas ricas o deficientes de oxígeno en el horno, y usualmente las temperaturas de fusión bajo una atmósfera oxidante son mayores que las determinadas bajo una atmósfera reductora. En la prueba de la Norma, unos conos de ceniza son calentados con un horno hasta que se observa la deformación original de la punta (temperatura de deformación

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR inicial, IT); y luego se registran las temperaturas a las que la altura del cono se hace igual al ancho de la base (temperatura de ablandamiento, H=W), a la mitad del ancho de la base (temperatura hemisférica, H = 1/2W), y a la que el cono fundido se esparce en una capa plana con una altura máxima de 1,6 mm ó 1/16 in (temperatura de fluido). •

T250 de las Cenizas: es la temperatura a la que la viscosidad de la ceniza alcanza los 250 cP. Es significativa para unidades con quemadores ciclónicos en los que se requiere que se funda la ceniza y fluya a una temperatura relativamente baja para que pueda ser recolectada en tanques en el fondo del horno. En este tipo de unidades, entre el 70 y el 80% de las cenizas es recogido como escoria fundida en el fondo del horno y el resto como ceniza suelta.

•

Alcalinos Solubles en Agua de las Cenizas: el contenido de alcalinos (óxidos de potasio y magnesio) solubles en agua se usa para determinar el potencial de escorificación en las paredes del horno.

•

Análisis Mineral de las Cenizas: la composición química de las cenizas es usada por los fabricantes de las calderas para determinar el carácter abrasivo o erosivo, así como el potencial de escorificación o ensuciamiento de las cenizas. Cabe destacar que la composición determinada en condiciones de laboratorio no necesariamente concuerda con la composición de la ceniza suelta, debido a la desigual distribución de componentes químicos entre ésta y la ceniza de fondo, por lo que esta composición no debe usarse de referencia para el diseño de componentes como el precipitador electrostático.

•

Relación de Sílice: la relación de sílice se define como el contenido de sílice (dióxido de silicio) entre la suma de los contenidos de óxidos de silicio, hierro, calcio y magnesio. Es un parámetro calculado a partir del análisis mineral de las cenizas que se usa como indicativo del potencial de escorificación del horno.

•

Relación de Óxidos Básicos/Ácidos: es el cociente de la suma del contenido de óxidos básicos (óxido férrico, cal, magnesia, óxido de potasio y óxido de sodio) entre la suma del contenido de óxidos ácidos (sílice, alúmina y titania). Es un parámetro calculado a partir del análisis mineral de las cenizas que se usa como indicativo del potencial de escorificación del horno.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Adicionalmente se pueden determinar otras características del carbón como densidad de bulto, distribución de tamaño. Estas características son útiles a la hora de definir los sistemas de manejo del carbón. 13.2.

Combustibles alternativos En adición a gas, combustible líquido, carbón o coque, existe una variedad de combustibles de distinta calidad que pueden ser empleados en un ciclo de vapor. La tecnología de la caldera deberá ser la apropiada para manejar estos combustibles alternativos. En general, se ha determinado que la tecnología de lecho fluidizado posee ventajas respecto a las otras cuando se quema combustible con alto contenido de azufre o material de diversa índole con calidad variable (ejemplo: desechos municipales). Algunos de los potenciales combustibles de una caldera de lecho fluidizado atmosférico son [31]: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Carbón de antracita. Desecho de carbón de antracita. Corteza de árboles y desechos de madera. Carbón bituminoso. Desechos bituminosos. Desecho sólido de gasificador. Lodos, desechos y residuos industriales. Lignita. Desechos municipales. Petróleo. Arena bituminosa. Desechos de industria papelera. Turba. Coque de petróleo. Resinas fenólicas. Plásticos. Lodos cloacales. Carbón subbituminoso. Desechos textiles. Neumáticos (cauchos, llantas, gomas) triturados.

En la sección 14.2 se dan más detalles sobre la flexibilidad de cada tecnología de caldera para manejar distintos tipos de combustible.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 14.

SISTEMAS DE LA CENTRAL En esta sección se describen cada uno de los sistemas que conforman una central termoeléctrica a vapor. La división para los sistemas está basada en los resultados gráficos generados por STEAM PRO, así como en los componentes que se pueden adquirir por paquetes de distintos proveedores. Las designaciones de los sistemas, unidades y sus elementos pueden variar en un Proyecto cuando el Cliente tiene establecidos los nombres o cuando el Proyecto es adecuado a la información de los fabricantes. Todos los Sistemas están también conformados por las líneas de interconexión, equipos eléctricos y sistemas de control requeridos para su operación. Al final de la descripción de cada Sistema se encuentran cuadros que muestran dónde obtener información sobre el sistema en STEAM PRO y en las secciones de este INEDON.

14.1.

Sistema de Manejo del Carbón y Piedra Caliza El sistema de manejo del carbón empieza en la mina y termina con la recepción del carbón en los pulverizadores asociados a la caldera (en el caso de calderas de carbón pulverizado), o en la misma caldera. El software STEAM PRO no hace estimaciones del sistema de manejo de carbón, salvo un estimado muy básico de las potencias de los trituradores de carbón y de las cintas transportadoras. La selección de las máquinas para el manejo del carbón y piedra caliza corresponde a la Disciplina de Mecánica; sin embargo, Procesos debe interactuar con Mecánica para definir la capacidad de los sistemas u otros puntos de atención (ej. riesgo de incendio para carbones volátiles o de corrosión para carbones con alto contenido de azufre, tamaño de partícula requerido para alimentar a los pulverizadores o a la caldera).

14.1.1.

Diagrama de flujo del Sistema de Manejo de Carbón La Figura 25 muestra los componentes del Sistema de Manejo de Carbón.

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Transporte del Carbón a Planta Descarga del Carbón

Transporte a Patio

Apilamiento, Almacenamiento y Recuperación Activa del Carbón

Apilamiento, Almacenamiento y Recuperación de Reserva del Carbón

Preparación del Carbón Transporte

Distribución

Silo Diario Unidad 1

Silo Diario Unidad n

Figura 25. Diagrama de Flujo Típico de Sistema de Manejo del Carbón El sistema empieza por la recepción del carbón desde el carro-tren o el barco, mediante un sistema de descarga que depende del vehículo usado para el transporte del combustible. A continuación, el carbón es almacenado en un patio en pilas (en plantas de baja capacidad también puede ser almacenado en silos), cuya capacidad dependerá de factores como la frecuencia y volumen descargado, la densidad de bulto del carbón, la demanda máxima de la caldera, o la normativa legal del 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR país (las leyes de algunos países establecen períodos mínimos de almacenamiento de carbón para centrales termoeléctricas). En las plantas de carbón existen dos áreas de almacenamiento: la de almacenamiento activo, que es por períodos cortos y siempre está en rotación, y la de reserva, que involucra una pila de largo tiempo de almacenamiento para manejar disrupciones en las entregas. El carbón es recuperado de la pila mediante equipos diseñados para tal fin, y es preparado antes de ser enviado a la caldera. La preparación del carbón típicamente involucra los pasos de separación electromagnética y pre-pulverización, necesarios para limpiar el carbón y reducir su tamaño. Finalmente, el carbón es transportado y distribuido hacia los silos de cada una de las calderas que conforman la planta. La selección de las tecnologías para cada etapa dependerá de factores como: método de entrega del carbón, frecuencia y confiabilidad, consumo diario de las unidades, y factores económicos. Las tecnologías serán descritas en las siguientes secciones. 14.1.2.

Diagrama de flujo del Sistema de Manejo de Piedra Caliza El Sistema de Manejo de Piedra Caliza involucra las mismas etapas del Sistema de Manejo de Carbón (mostrado en la Figura 25), excepto la etapa de preparación. El diagrama de flujo del sistema de manejo de piedra caliza se muestra en la Figura 26. Diagrama de Flujo Típico de Sistema de Manejo de Piedra Caliza El sistema empieza con la recepción de la piedra caliza, típicamente desde camiones (otros medios de transporte pueden ser considerados si resultan más económicos), en el sistema de descarga. A continuación la piedra caliza es almacenada en dos pilas: una activa y otra de reserva, recuperada y distribuida entre las tolvas diarias de piedra caliza. La gama de tecnologías disponibles para la recepción, apilamiento, almacenamiento, recuperación, transporte y distribución es, en esencia, la misma para el manejo de piedra caliza que para el manejo de carbón, y la selección de las mismas dependerá de los mismos factores: método de entrega de la piedra caliza y frecuencia, consumo diario de las unidades y factores económicos. Las tecnologías serán descritas en las siguientes secciones.

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Transporte de Piedra Caliza a Planta Descarga de Piedra Caliza Transporte a Patio

Apilamiento, Almacenamiento y Recuperación Activa de Piedra Caliza

Apilamiento, Almacenamiento y Recuperación de Reserva

Distribución

Tolva Diaria Unidad 1

Tolva Diaria Unidad n

Figura 26. Diagrama de Flujo Típico de Sistema de Manejo de Piedra Caliza 14.1.3.

Sistema de Transporte a Sitio El medio elegido de transporte del carbón es clave para la conceptualización de la planta, ya que en algunos casos el transporte puede representar el mayor porcentaje del costo de adquisición del carbón. Adicionalmente, el medio elegido determinará las facilidades de recepción del carbón en la planta. La piedra caliza dispone de iguales alternativas de transporte que el carbón. A.

Medios de Transporte Disponibles El transporte del carbón y la piedra caliza se hace por agua o por tierra. Las configuraciones típicas de cada medio de transporte se resumen en el Cuadro 6.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 6. Configuraciones típicas de los medios de transporte de carbón y piedra caliza (datos obtenidos de [7]) Medio de Transporte Por Agua

Por Agua

Configuración Barco oceánico

Gabarra oceánica

Características y Capacidades Típicas Barco carguero con bodegas cubiertas con capacidad de 18.140 a 90.720 TM (20.000 a 100.000 US tons) de carbón (por ejemplo, un buque PANAMAX puede transportar entre 40.000 y 65.000 toneladas, dependiendo del calado permitido en el muelle de recepción). En caso de entrega de piedra caliza por mar, una de las bodegas se carga con la piedra caliza y el resto con carbón. Gabarra de tolva cubierta con capacidad de 8.160 a 13.610 TM (9.000 a 15.000 US tons), empujada por un remolcador por cada gabarra.

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Aplicabilidad Para entregas marítimas. Es usualmente el medio de transporte más práctico, con el menor costo por tonelada-milla para largas distancias. Se prefiere para distancias oceánicas largas, plantas de gran capacidad donde hay suficiente espacio de almacenamiento.

Para entregas marítimas. Es usualmente el medio de transporte más práctico, con menores costos por tonelada-milla para largas distancias. Se prefiere para plantas de menor capacidad, con volúmenes de almacenamiento menores que no requieran de barcos cargueros.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 6. Configuraciones típicas de los medios de transporte de carbón y piedra caliza (datos obtenidos de [7]) Medio de Transporte Por Agua

Configuración

Por Tierra

Tren

Gabarra de río

Características y Capacidades Típicas Gabarra de tolva abierta con capacidad de 1.360 TM (1.500 US ton) de carbón o 910 TM (1.000 US ton) de piedra caliza. Típicamente se juntan en unidadesremolque compuestas por 15 gabarras (3 de ancho x 5 de largo), empujadas por un solo remolcador, con capacidades totales de 20.410 TM (22.500 US ton) de carbón o 13.610 TM (15.000 US ton) de piedra caliza. Un tren de carbón típico de los EUA comprende 100 carros, cada uno con capacidad de 91 TM (100 US ton) de carbón, impulsados por 3 a 5 locomotoras, con una capacidad total de 9.070 TM (10.000 US ton) de carbón.

Aplicabilidad

El transporte de piedra caliza también se puede hacer por tren, cuando no sea económico por camión, con trenes de pocos carros, cada uno transportando 64 TM (70 US ton) de piedra caliza.

Usado para transportar piedra caliza en largas distancias, cuando no es económico el transporte por camión.

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Para entregas fluviales. Es usualmente el medio de transporte más práctico, con menores costos por tonelada-milla para largas distancias.

Para entregas a largas distancias, cuando no existe la posibilidad de transporte marítimo o fluvial. Más de la mitad de las centrales termoeléctricas a carbón en los EUA son alimentadas por trenes.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 6. Configuraciones típicas de los medios de transporte de carbón y piedra caliza (datos obtenidos de [7]) Medio de Transporte Por Tierra

Configuración Camiones

Características y Capacidades Típicas Un camión de autopista tiene una capacidad típica de 18 a 23 TM (20 a 25 US tons) con un tráiler, o 36 TM (40 US tons) con tráileres en tándem.

Aplicabilidad El camión de autopista se usa para entregas de carbón a plantas pequeñas a moderadas dentro de un radio de 81 km (50 millas) de la mina, o incluso para compras puntuales (spot) de carbón a distancias de hasta 193 km (120 millas). Por otro lado, es el medio más común de transporte de piedra caliza. La entrega de carbón por medio de camiones también se debe considerar como un medio de transporte alternativo al usado para el diseño.

Por Tierra

Transportador

También están disponibles camiones rústicos con capacidades entre 73 y 91 TM (80 y 100 US ton) para plantas adyacentes a minas de carbón. Cinta transportadora desde la mina hasta la central, con capacidad basada tanto en la capacidad de producción de la mina y el consumo de la central termoeléctrica.

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Los camiones rústicos se pueden usar para distancias menores a 16 km (10 millas).

Es usado para distancias menores a alrededor de 16 km (10 millas), dependiendo de factores económicos al comparar con otros medios de transporte.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR B.

Criterios para la Definición del Sistema de Transporte a Sitio a)

Selección del medio de transporte La selección del medio de transporte debe tomar en cuenta la disponibilidad a lo largo del año, el costo por tonelada-milla y el espacio disponible para almacenamiento de carbón o piedra caliza. Como guía general, la aplicabilidad de cada medio de transporte se presenta en el Cuadro 6.

b)

Capacidad del Sistema La capacidad del sistema de transporte a planta del carbón se define en función del consumo anual proyectado para todas las unidades de generación (tamaño final de planta) para los años picos de generación. El consumo anual se basa en el poder calorífico del carbón de diseño y el factor de capacidad anual. El consumo anual de carbón es dividido en requerimientos mensuales y se añade un margen de diseño de 10 a 15% para tomar en cuenta las fluctuaciones en los cronogramas de transporte y en el consumo de la caldera.

Consumo Térmico Anual Pico   Capacidad  Margen Diseño  Poder Calorífico × Factor Capacidad = 1 +  Transporte  N° Entregas por Año 100   

     

Ec. 11

La Ec. 11 está basada sobre entregas uniformes de carbón a lo largo del año. Si no se recibe carbón uniformemente durante todo el año, se incrementan los requerimientos mensuales acordemente. La capacidad del sistema de transporte de piedra caliza se define en base al consumo anual requerido por los sistemas de control de SOX para todas las unidades de generación. 14.1.4.

Sistema de Descarga El Sistema de Descarga recibe el carbón o la piedra caliza del medio de transporte elegido. El sistema de descarga a instalar viene acoplado al Sistema de Transporte a Sitio seleccionado.

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Criterios para la Definición del Sistema de Descarga a) Capacidad de Diseño La capacidad del Sistema de Descarga se basa sobre los requerimientos mensuales de transporte a sitio (vea la Sección 14.1.3) y criterios de diseño específicos; y está directamente vinculada al medio de transporte elegido y a las características de los contratos de transporte. Los contratos de transporte incluyen tiempos límites de permanencia en sitio, con penalidades por retraso. A continuación se muestran algunos ejemplos de tiempos límites de permanencia en sitio:

b)

•

Barcos y gabarras: dependen del tamaño de la nave y el método de descarga, según lo descrito anteriormente.

•

Trenes: en los EUA, el período típico es 4 horas. Una tasa de descarga de 3.180 TM/h (3.500 US ton/h) es suficiente para descargar un tren de carbón de 9.070 TM (10.000 US ton) en aproximadamente 3 horas, permitiendo 1 hora para el posicionamiento del tren.

•

Camiones: los contratos de transporte por camión se basan en la descarga inmediata, con mínimos retrasos.

Ciclos de Trabajo El equipo asociado al Sistema de Descarga debe diseñarse para operar recomendablemente durante un turno estándar (8 horas) de trabajo por día, y no más de 12 horas por día, durante operación normal, para permitir mantenimiento apropiado del equipo y la compensación de cualquier tiempo fuera de servicio.

c)

Consumo de Potencia Una vez que se define la capacidad en base a los ciclos de trabajo, la potencia de las maquinarias se obtiene de los catálogos de los fabricantes para las máquinas estándar que cumplan con los requisitos de servicio.

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Sistemas de Descarga de Barcos y Gabarras Oceánicas Los métodos más comunes de descarga de barcos y gabarras oceánicas son: descargador de grúa de cuchara de almeja, descargador de escalera de cubetas continuas, y descargador de tornillo vertical. También están disponibles barcos auto-descargables que entregan el carbón directamente sobre una cinta transportadora móvil en el muelle. Las características de cada tipo de descargador se pueden ver en el Cuadro 7, y fotos de ellas en la Figura 27.

Cuadro 7. Características de los descargadores de barcos (datos obtenidos de [7]) Tipo

Configuración

Grúa de cuchara de almeja

Grúa montada sobre rieles móviles en el muelle. Las cucharas escavan el carbón del depósito del barco y lo descargan sobre la tolva. Transportador continuo, con cubetas para escavar el carbón del depósito, ubicado en una torre de soporte sobre rieles. Tornillo vertical continuo, ubicado en una torre de soporte con rieles. El tornillo puede ser movido en sus 3 ejes para descargar el carbón de todas las áreas del depósito. Sistema transportador ubicado en el fondo de la tolva del depósito que permite la descarga directa al transportador del muelle. Este tipo de embarcaciones suele estar disponible para capacidades entre 31.750 y 68.040 TM (35.000 y 75.000 US ton)

Escalera de cubetas continuas Tornillo vertical

Barco autodescargable

Máxima Capacidad de Descarga, TM/h (US ton/h) 2.720 (3.000)

Tasa de Descarga Promedio para todo el Barco, % de Máxima Capacidad1 50%

4.540 (5.000)

65%

1.810 (2.000)

60%

2.720 a 9.070 (3.000 a 10.000)

-

Notas: 1. La tasa de descarga promedio se refiere a la relación entre la tasa de descarga efectiva, incluyendo el posicionamiento y la limpieza del barco/gabarra, a la máxima capacidad de descarga, o tasa de excavación libre.

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a)

b)

c) a) b) c) d)

d)

Grúa de cuchara de almeja [33] Escalera de cubetas continuas [20] Tornillo vertical [8] Barco auto-descargable [24] Figura 27. Sistemas de Descarga de Barcos

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Sistemas de Descarga de Gabarras de Río Los métodos más comunes de descarga de barcos y gabarras oceánicas son: descargador de grúa de cuchara de almeja y descargador de escalera de cubetas continuas. Las características de cada tipo de descargador se pueden ver en el Cuadro 7. La configuración de los sistemas es similar a la mostrada en la Figura 27 para barcos. Cuadro 8. Características de los descargadores de gabarras de río (datos obtenidos de [7])

Tipo

Configuración

Grúa de cuchara de almeja

Grúa montada sobre rieles móviles en el muelle. Las cucharas escavan el carbón del depósito del barco y lo descargan sobre la tolva. Transportador continuo, con cubetas para escavar el carbón del depósito, ubicado en una torre de soporte sobre rieles.

Máxima Capacidad de Descarga, TM/h (US ton/h) 1.360 (1.500)

Tasa de Descarga Promedio para todo el Barco, % de Máxima Capacidad1 50%

Escalera de 1.360 65% cubetas (1.500) continuas Notas: 1. La tasa de descarga promedio se refiere a la relación entre la tasa de descarga efectiva, incluyendo el posicionamiento y la limpieza del barco/gabarra, a la máxima capacidad de descarga, o tasa de excavación libre. D.

Sistemas de Descarga de Carro-trenes a)

Componentes del Sistema El Sistema completo de Descarga de carro-trenes puede incluir, dependiendo del tipo de carro y las condiciones climáticas, los siguientes componentes: • • •

Acarreador de carros Descargador de carros Agitador de carros

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR • • b)

Sistema de deshielo Tolva de descarga

Acarreador de Carros La función del acarreador es posicionar a los carros sobre el descargador, y regresarlos. Existen tres tipos de acarreadores: cabrestante, tambor o hidráulico. En el Cuadro 9 se muestran las características de cada tipo.

Cuadro 9. Tipos de Acarreadores de Carros (datos obtenidos de [31]) Tipo

Configuración

Cabrestante

Cable guía en una sola dirección

Tambor

Cable dispuesto en tambor con sentido reversible. Conexión a una hilera de carros. El operador los puede halar hacia adelante, atrás, arriba o debajo de la grada y a través de curvas con el acarreador Dispositivo colocado sobre los rieles que empuja los carros mediante un pistón. El número de dispositivos depende el número de carros acarreados

1 hasta 12

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Hidráulico

Número de Ventajas carros acarreado 1ó2 Más económico

Máximo

Costo intermedio, versátil, automatizado, se adapta a cualquier trazado de riel, y por eso es de uso común Es el de máxima capacidad de acarreo

Desventajas

Menor capacidad, menos versátil, sólo se puede usar en rieles nivelados Puede no ser económicament e viable para plantas de muy alta capacidad que requieren un gran número de envíos por tren Más costoso

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR c)

Descargador de Carros Los sistemas de descarga de carro-trenes se diseñan para acomodar el tipo específico de carro-tren que entregará el carbón o piedra caliza. Los carro-trenes se construyen en dos tipos básicos: el carro de descarga por abajo y el carro de descarga por arriba. El tipo de carro depende de la distancia y condiciones climáticas, por ejemplo, los carros de descarga por arriba son más fáciles de descargar bajo condiciones de congelamiento. Los carros de descarga por abajo también se construyen en dos categorías: el convencional, en el que la descarga es mediante 3 compuertas manuales en el fondo, y el de compuerta de aire, en el que la descarga es automática. En el Cuadro 8 se describen los métodos de descarga según el tipo de carro, y en la Figura 28 se pueden observar los mismos.

Cuadro 10. Características de los descargadores de carro (datos obtenidos de [7]) Tipo de Carro Método de Descarga Descarga por Los carros se abajo, posicionan convencional individualmente sobre la tolva de descarga y se abren manualmente las compuertas de descarga

Tasa de Descarga Máximo 15 carros/hora

Ventajas

Desventajas

Sistema de descarga simple y económico

Capacidad limitada, requiere de un agitador de carro para aumentar la velocidad de descarga. No es apto para grandes plantas, ya que no cumple con el requisito de descargar 100 carros en 3 horas. En esos casos se prefieren carros con compuerta de aire

Promedio 8-10 carros/hora

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 10. Características de los descargadores de carro (datos obtenidos de [7]) Tipo de Carro Método de Descarga Descarga por Los carros en abajo, movimiento pasan compuerta de por encima del aire área de descarga y se abren en forma automática. La velocidad se regula según la capacidad de la tolva de descarga

Tasa de Descarga Limitada sólo por la capacidad de la tolva de descarga de la planta.

Descarga por arriba

100 carros en 3 horas, con el acarreador adecuado

Los carros son posicionados en un descargador rotatorio, que gira el carro 140 a 160 grados. El descargador rotatorio puede equiparse con agitador de carros

Se puede alcanzar un máximo de 100 carros en 30 minutos

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Ventajas

Desventajas

Sistema de descarga más veloz. La velocidad del tren y longitud de la tolva de descarga de la planta se ajustan para cumplir con el requerimiento de descargar 100 trenes en 3 horas Adaptado a Equipo de grandes carros dimensiones comunes de carga por arriba

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a)

b) a) Descarga por el fondo del carro [21] b) Descarga por la parte superior con descargador rotatorio [18] Figura 28. Descarga de carros-tren

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR d)

Agitador de Carros Los agitadores de carros se usan para disminuir los tiempos de descarga, permitiendo un vaciado de los carros sin el uso de mano de obra. Para carros de descarga por abajo, existen agitadores posicionados arriba o al lado del carro. El agitador posicionado lateralmente tiene el inconveniente de requerir fundaciones al lado de los rieles (requiriendo más área de planta), y además es más costoso que el agitador posicionado arriba del carro. Para carros de descarga por arriba, el agitador se puede solicitar incluido dentro del descargador rotatorio. Las dos configuraciones de agitador se muestran en la Figura 29.

b)

a) a) Agitador arriba del carro b) Agitador lateral Figura 29. Agitadores de carro [26] 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR e)

Sistema de Deshielo Si la planta está ubicada en una zona susceptible a la congelación del carbón, se requiere de un sistema para descongelar el carbón en las paredes del carro para facilitar su descarga. El sistema de deshielo involucra calentadores eléctricos infrarrojos con los elementos radiantes dispuestos en forma de U en un cobertizo. El cobertizo debe ser al menos lo suficientemente largo para abarcar una zona de calentamiento y otra de remojo, si el método de transporte es por carros individuales con descarga por abajo. La longitud del cobertizo debe alargarse en caso de optar por trenes en movimiento continuo. Los calentadores de deshielo se ubican entre los rieles y a lo largo de las paredes del cobertizo. También se pueden incluir paneles reflectores a los costados para reflectar calor radiante hacia el carro.

f)

Tolva de descarga La tolva se ubica debajo de la sección de descarga de los carros. Las dimensiones y la capacidad de desalojo deben ser tales que permitan la descarga ininterrumpida desde el tren.

E.

Sistemas de Descarga de Camiones La entrega de carbón por camiones usualmente puede ser incluida dentro del diseño de un sistema de descarga desde trenes, o se incluye como medio alternativo de transporte. Por otro lado, la entrega en camiones es el método más empleado para el transporte de piedra caliza. Se disponen celdas de pesaje antes de la zona de descarga para el control del peso del camión. La zona de descarga consta de una tolva para camiones, que debería ser de al menos 3,66 m x 3,66 m (12 ft x 12 ft), con una gradilla de acero cubriendo el área de descarga. La máxima abertura de la gradilla debería ser de 36,8 cm2 (6 in2).

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Sistemas de Descarga de Transportadores Los transportadores desde la mina pueden descargar directamente al silo o patio de almacenamiento de carbón.

G.

Silo o Tolva de Descarga a)

Configuración general La descarga de carbón y piedra caliza desde los barcos, gabarras, trenes, camiones o transportadores es recibida en tolvas o silos. En el caso de descargas de buques o gabarras, la tolva se coloca debajo de la grúa en el caso de un sistema de cuchara almeja, al lado del descargador en el caso de descargadores del tipo escalera de cubetas continuas o tornillo vertical, en cuyo caso el carbón se transporta por medio de una cinta transportadora, o adyacente al barco en el caso de barcos auto-descargables, en cuyo caso se deja una separación entre la tolva y el barco que depende de la longitud de la correa transportadora en el barco. Alternativamente, para barcos auto-descargables, se puede colocar una pila de descarga. En el caso de descargas de trenes o camiones, la tolva se ubica por debajo del nivel del riel o carretera. La tolva posee un alimentador que se encarga de desalojar la carga recibida en forma continua, para suministrar un flujo constante a la correa transportadora. El alimentador puede ser del tipo vibratorio, de correa o rotatorio. Se discutirá más sobre los tipos de alimentadores y sus capacidades en la sección de Apilamiento, Almacenamiento y Recuperación.

b)

Capacidad La capacidad de almacenamiento de la tolva se define en base al método elegido para descargar al medio de transporte seleccionado. En el caso de descarga de barcos mediante grúa de cuchara de almeja, el volumen de almacenamiento de la tolva debe ser al menos igual al de la cuchara.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR En el caso de descarga de carro-trenes o de camiones, la capacidad de la tolva debe ser, como mínimo, igual a la capacidad de un carro o camión multiplicada por el número de carros o camiones descargados simultáneamente. Por ejemplo: si se descarga sólo un carro-tren a la vez, la capacidad de la tolva debe ser de al menos 91 TM (100 US ton); si se descargan 4 simultáneamente, la capacidad de la tolva debe ser de al menos 363 TM (400 US ton). La capacidad de retiro del alimentador ubicado en la parte inferior de la tolva debe ser al menos igual a la tasa de descarga desde el medio de transporte, para no llenar la tolva. c)

Dimensiones Así como la capacidad, las dimensiones de la tolva deben adaptarse al método de descarga empleado. Para descarga de barcos, la tolva debe tener un área transversal del tamaño de la cuchara de la grúa o de la correa de descarga, en caso de descargadores continuos o barcos auto-descargables, más un margen para evitar la pérdida de material a los costados. En el caso de descarga de carro-trenes, la longitud de la tolva es igual a la longitud total del número de carros descargando simultáneamente, incluyendo los acoples entre los carros, y el ancho es el de un carro, cuando la descarga es por abajo. En el caso de descarga de camiones, la tolva debería ser de al menos 3,66 m x 3,66 m (12 ft x 12 ft), con una gradilla de acero cubriendo el área de descarga. La máxima abertura de la gradilla debería ser de 36,8 cm2 (6 in2). El ángulo de todas las paredes de la(s) tolva(s) debe ser de al menos 65° desde la horizontal. El ángulo de la tolva en el que se encuentran dos lados (en arreglos de tolva múltiple), o “ángulo de valle” debe ser de al menos 60° desde la horizontal. Es recomendable la inclusión de hoyos para pinchar taponados a las salidas de la tolva, para ser usados en caso de taponamiento.

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Materiales Los tres materiales más comunes para tolvas son: • •

•

14.1.5.

Acero atemperado A588 con al menos 3/8 de pulgada de espesor de placa. No es apropiado para carbones altos en azufre. Acero medio A-36 con al menos ¾ de pulgada de espesor de placa, con recubrimiento de acero inoxidable SS304.de al menos ¾ de pulgada de espesor. No es apropiado para carbones altos en azufre. Acero inoxidable sólido. Este es el más costoso de todos, y sólo debe emplearse cuando el carbón sea altamente corrosivo, y ningún otro material pueda ser empleado.

Apilamiento, Almacenamiento y Recuperación El carbón y la piedra caliza, luego de su descarga, son apilados, y almacenados en áreas que incluyen almacenamiento activo y de reserva. Las áreas activas coordinan la entrega con el consumo de la planta, mientras que las áreas de reserva se usan para disrupciones en las entregas. A.

Capacidad del Sistema a) Capacidad del Sistema de Apilamiento La capacidad del Sistema de Apilamiento debe corresponder con la máxima tasa de descarga, para que ambas operaciones fluyan en un proceso continuo. b) Capacidad de Almacenamiento La capacidad del almacenamiento activo y de reserva debe definirse con el Cliente, dependiendo de las fuentes de suministro disponibles. Un criterio preliminar es 45 días de almacenamiento de carbón y 30 días de almacenamiento de piedra caliza. La capacidad de almacenamiento activo para una planta con múltiples fuentes de carbón y medios de entrega, distancias cortas de recorrido y condiciones climáticas estables y moderadas suele ser de 3 días o menos, al máximo consumo de todas las calderas. La capacidad de almacenamiento activo para una planta con una

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR sola fuente de carbón y altos requerimientos de disponibilidad debe ser mayor a 3 días. La capacidad de almacenamiento de reserva suele ser de 60 a 90 días al 65% u 80% del máximo consumo, dependiendo de la normativa legal, o confiabilidad de las fuentes de carbón y medios de transporte. El porcentaje de máximo consumo típicamente es el factor de capacidad anual. c) Capacidad de Recuperación La capacidad del sistema de recuperación se basa sobre el máximo consumo diario de todas las calderas, y se puede diseñar por completo al inicio (incluyendo futuras expansiones), o por fases. d) Turnos de Trabajo Al igual que el sistema de descarga, los componentes del sistema de apilamiento, almacenamiento y recuperación se diseñan recomendablemente para un turno de trabajo de 8 horas diarias, y como máximo absoluto 12 horas por día. e) Consumo de Potencia Una vez que se define la capacidad en base a los ciclos de trabajo, la potencia de las maquinarias se obtiene de los catálogos de los fabricantes para las máquinas estándar que cumplan con los requisitos de servicio. B.

Configuración del Sistema a) Selección del método integrado de apilamiento-almacenamientorecuperación Algunos equipos de apilamiento también se pueden usar para recuperación, mientras que otros se usan exclusivamente para uno u otro fin. En el Cuadro 11 se muestran las combinaciones más comunes de equipos de apilamiento, almacenamiento y recuperación. En la Figura 30 se pueden ver esquemas de cada combinación.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 11. Sistema combinado de apilamiento-almacenamiento-recuperación [7] Apilamiento Transportador fijo Transportador fijo Transportador fijo Apilador radial Apilador radial Apilador radial Apilador viajante Apilador viajante Apilador viajante Apilador-recuperador de rueda de cubetas Apilador-recuperador de rueda de cubetas Transportador elevado reversible Volcador móvil Apilador-reclamador de portal

Recuperación Alimentador estacionario Equipo móvil Alimentador estacionario Alimentador estacionario Alimentador de rastra rotatoria Equipo móvil Alimentador de rastra rotatoria Alimentador estacionario Recuperador de tambor Apilador-recuperador de rueda de cubetas Apilador-recuperador de rueda de cubetas Alimentador de rastra rotatoria Alimentador de rastra rotatoria Apilador-reclamador de portal

Almacenamiento Activo Pila cónica Pila cónica Silo Pila semicircular Pila semicircular

Figura 29 a) 29 b) -

Pila semicircular Pila triangular larga

29 c) 29 d)

Pila triangular larga Granero Pila triangular larga

29 e) 29 f)

Pila de tope plano

29 g)

Pila triangular larga

29 h)

Granero

29 i)

Granero

29 j)

Cinta transportadora fija

Chute telescópico

Pila de almacenamiento Torre de Impulsión de Cinta Transportadora Grada

a)

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Transportador elevador Transportador de transferencia

Alimentador estacionario

b)

Cinta transportadora de recuperación

Transportador de brazo mecánico Transportador elevador Pivote

Pila de almacenamiento

Grada

Apilador radial Estructura de soporte Rodamiento del trineo

c)

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR

Transportador de brazo mecánico Apilador viajante

Tope del riel

Alimentador de rastra rotatoria Pila de almacenamiento de reserva

d)

Cinta transportadora de recuperación Cubierta del almacenamiento activo

Pila de almacenamiento activo

Cinta transportadora de recuperación

Apilador viajante

Recuperador de tambor Transportador transverso

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e)

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Cintra transportadora de apilamiento

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Transportador de brazo mecánico Apilador-recuperador tipo trinchera Descarga de volcador Pila de almacenamiento activo Tope del riel

Grada

Pila de almacenamiento de reserva

Berma de rieles

Rueda de cubetas

f) Apilador-recuperador tipo deslizante Rueda de cubetas Transportador de brazo mecánico

Pila de almacenamiento de reserva

Pila de almacenamiento activo

Cinta transportadora Tope del riel

Grada

Berma de rieles

g)

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Transportador elevador

Transportador reversible

Soporte del transportador Compuerta

Chute telescópico

Pila de almacenamiento activo

Transportador de recuperación Alimentador de rastra rotativa

h) Volcador móvil Granero

Cinta volcadora

Transportador de recuperación Alimentador de rastra rotativa

i)

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Cubierta del almacenamiento activo

Brazo mecánico del portal

Estructura del portal

Descarga del volcador

Pila de almacenamiento activo

Tope del riel

j)

Figura 30. Sistemas combinados de apilamiento-almacenamiento-recuperación [7] Las capacidades de los equipos de apilamiento y recuperación, por unidad de longitud y por capacidad total de la pila de almacenamiento se muestran en el Cuadro 12. La selección del sistema combinado de apilamiento-almacenamiento-recuperación se puede realizar tomando en consideración las combinaciones típicas según el Cuadro 11, con las capacidades de acuerdo al Cuadro 12.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 12. Capacidades de apilamiento y recuperación Equipo

Material

Transportador fijo

Apilador radial

Apilador viajante

Carbón

Altura de la Pila, m (ft) 18 (60)

Longitud por Unidad, TM/m (US ton/ft) -

Longitud de la Pila, m (ft) -

Piedra caliza

9 (30)

-

-

Piedra caliza 20 (65)

-

-

56,7 TM/° (62,5 US ton/°) 96,4 TM/° (106,3 US ton/°) 158 (53)

180 grados

Capacidad Total de la Pila, TM (US ton)1 9.071 (10.000) 1.814 (2.000) 18,144 (20.000) 11.340 (12.500)

180 grados

19.051 (21.000)

183 (600) 183 (600)

31.479 (34.700) 53.524 (59.000)

183 (600) 183 (600) 183 (600)

24.494 (27.000) 13.608 (15.000) 16.329 (18.000)

183 (600) 183 (600)

68.946 (76.000) 40.823 (45.000)

183 (600) 183 (600)

190.508 (210.000) 133.356 (147.000)

Carbón

9 (30)

Piedra caliza

9 (30)

Carbón

12 (40)

Piedra caliza 12 (40) Rueda de cubetas Apilador-recuperador tipo trinchera Apilamiento Carbón

268 (90)

12 (40)

119 (40)

Recuperación 90°

Carbón

-

74 (25)

Recuperación 90/45°

Carbón

-

89 (30)

Deslizante - pequeño Apilamiento

Carbón

15 (50)

298 (100)

Recuperación

Carbón

-

223 (75)

Carbón

21 (70)

923 (310)

Carbón

-

729 (245)

Deslizante - grande Apilamiento Recuperación

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 12. Capacidades de apilamiento y recuperación Equipo

Material

Carbón

Altura de la Pila, m (ft) 18 (60)

Longitud por Unidad, TM/m (US ton/ft) 357 (120)

Transportador elevado reversible

Piedra caliza

18 /60)

595 (200)

Carbón

18 (60)

357 (120)

Carbón

18 /60)

119 (40)

Apilador-recuperador de portal Apilamiento/recuperación Carbón

12 (40)

149 (50)

Volcador móvil Pila triangular Pila forma de diamante

Piedra caliza 12 (40) Equipo

Material

Recuperador de tambor Alimentador estacionario Vibratorio – 24 in

Carbón

Vibratorio – 72 in Alimentador estacionario Cinta – 24 in Cinta – 72 in

Carbón Piedra caliza Carbón Piedra caliza

Longitud de la Pila, m (ft) 183 (600) 183 (600)

Capacidad Total de la Pila, TM (US ton)1 78.380 (86.400) 132.448 (146.000)

183 (600) 183 (600)

76.203 (84.000) 22.317 (24.600)

91 (300)

15.785 (17.400) 253 (85) 91 (300) 27.215 (30.000) Capacidad de recuperación, TM/h (US ton/h) Toda la pila 204 (225) 272 (300) 1.089 (1.200) 1.542 (1.700)

Carbón Piedra caliza Carbón Piedra caliza Carbón

109 (120) 191 (210) 2.177 (2.400) 3.701 (4.080) 181 – 1.814 (200 – 2.000)

Alimentador rotatorio Notas: 1. Los volúmenes de las pilas de almacenamiento se basan en las siguientes premisas: • Ángulo de reposo: 37° • Densidad de carbón: 801 kg/m3 (50 lb/ft3) • Densidad de piedra caliza: 1.361 kg/m3 (85 lb/ft3)

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 14.1.6.

Preparación del carbón El carbón, antes de ser enviado a la caldera, debe ser preparado. Esto típicamente involucra la remoción de metales contaminantes en un separador electromagnético y la reducción del tamaño en trituradores previo al transporte a los silos de cada caldera. A.

Capacidad del Sistema Para plantas generadoras conformadas por varias calderas de igual capacidad, se recomienda proveer un sistema de preparación y distribución de carbón por cada dos (2) calderas. La capacidad del sistema estaría basada para proveer los requerimientos de carbón de 24 horas al máximo consumo de las calderas en un turno de 8 a 10 horas por día.

B.

Separador Electromagnético El separador electromagnético se instala aguas arriba del triturador para remover material metálico que pudiera causarle daños al triturador, a las cintas transportadoras o a la caldera. El separador electromagnético es relativamente poco costoso, El tamaño del separador electromagnético se elige dependiendo del tamaño de la cinta transportadora.

C.

Detectores de Metales Los detectores de metal se instalan después del separador electromagnético como una protección adicional, y pueden detectar metales tanto magnéticos como no magnéticos. Si se detecta la presencia de metales, se marca la ubicación y se para la cinta transportadora antes de que se generen daños. El operador debe remover manualmente el metal antes de reiniciar las operaciones.

D.

Trituradores Los trituradores se usan para reducir el tamaño del carbón a un tamaño manejable por los pulverizadores (en caso de carbón pulverizado) o el tipo de caldera empleado.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR a)

Tamaño de partícula del carbón El tamaño típico del carbón recibido en una planta termoeléctrica es de 10 cm (4 in) o menor. El tamaño a la salida del triturador depende de la tecnología de combustión elegida, como se puede apreciar en el Cuadro 13.

Cuadro 13. Tamaños típicos del carbón a la salida del triturador Tecnología de combustión

Tamaño máximo de partícula de carbón requerido a la salida del triturador, cm (in) 3 – 4 (1¼ - 1½)

Carbón pulverizado Parrilla

8 (3)

Lecho Fluidizado Circulante

Bajo en volátiles (antracita, bituminoso bajo en volátiles): 0,16 cm (1/16 in)

Observaciones

El carbón a la salida del triturador es enviado luego a pulverizadores. El carbón triturado es alimentado a la caldera sin requerir pulverizador El carbón triturado es alimentado a la caldera sin requerir pulverizador

Alto en volátiles (lignito): 1 cm (3/8 in) b)

Tipos de trituradores y características Los tipos de trituradores y sus características (configuración, capacidad máxima y consumo de potencia) se resumen en el Cuadro 14. El triturador preferido para las plantas termoeléctricas es el de tipo granulador de anillo.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 14. Tipos de trituradores y características Tipo de triturador

Configuración

Granulador anillo

Es el tipo preferido para centrales termoeléctricas. El carbón se tritura con un rodillo lento, y el tamaño del producto se ajusta con el juego (espacio libre) entre la carcasa y los martillos, generando un producto uniforme con mínima cantidad de partículas finas El carbón se rompe por el impacto de martillos rotativos que lo arrojan contra barras de ruptura y luego lo arrastran contra barras de malla. El carbón se comprime entre un rodillo y una placa de ruptura. El carbón se rompe al ser arrojado centralmente hacia los martillos rotativos, y luego impacta contra placas de ruptura.

de

Molino de martillo

Triturador rodillo Impactadores

14.1.7.

de

Capacidad TM/h (US ton/h)

45 – 2.270 (50 – 3.000)

Consumo típico de potencia, kW/TM/h (hp/US ton/h) 0,4 (0,5)

-

0,4 (0,5)

-

0,4 (0,5)

-

0,8 (1)

Transporte En esta sección se describe el diseño de sistemas de cinta transportadora para el transporte de carbón y piedra caliza en las plantas termoeléctricas. A.

Capacidad del Sistema Como se mencionó anteriormente, las cintas transportadoras que llevan el carbón desde el área de descarga hasta el área de almacenamiento se diseñan para la capacidad del sistema de descarga, mientras que las cintas transportadoras que lo llevan desde el área de almacenamiento hasta los silos de las calderas se diseñan con una capacidad igual al máximo consumo diario de las calderas, con un tiempo de operación recomendado de entre 8 y 12 horas al día.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR B.

Número de Cintas Transportadoras El arreglo de 2 cintas transportadoras en paralelo, cada una diseñada para el 50% de la capacidad de diseño, definida según los criterios anteriores, es el arreglo más recomendable, puesto que permite que en caso de falla de alguna, la segunda pueda entregar los requerimientos de carbón de la planta operando durante 2 turnos seguidos. Alternativamente, se puede optar por 1 en operación y 1 en respaldo.

C.

Dimensionamiento de la Cinta A continuación se describe el dimensionamiento preliminar de la cinta, una vez que se definió la capacidad de diseño. a)

Características del material Las características del material (carbón y piedra caliza) a considerar son las siguientes:

b)

•

Ángulo de reposo (angle of repose): ángulo que forma la superficie de una pila formada libremente de material con respecto a la horizontal. Para el carbón o la piedra caliza es de 35 a 38 grados.

•

Ángulo de recargo (surcharge angle): ángulo que forma la superficie de una pila de material con respecto a la horizontal, cuando está sobre una cinta transportadora en movimiento. Para el carbón o la piedra caliza es de 20 a 25 grados.

•

Capacidad de flujo (flowability): se refiere al máximo ángulo de inclinación de la cinta con respecto a la horizontal que permite el material. Para el carbón o la piedra caliza el máximo ángulo de inclinación de la cinta es de 14 grados.

•

Densidad de material: la densidad del carbón es de 720 a 800 kg/m3 (45 a 50 lb/ft3), y la de la piedra caliza es de 1.360 kg/m3 (85 lb/ft3).

Diseño de la cinta A continuación se describe el procedimiento para diseñar la cinta:

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Forma del rodillo de soporte (idler): para el transporte de carbón o piedra caliza, usualmente la pendiente de los lados del rodillo de soporte es 35°.

•

Velocidad máxima de diseño de la cinta: la máxima velocidad para el transporte de carbón o piedra caliza es 213 m/min (700 ft/min). Se recomiendan velocidades menores para el llenado de los silos.

•

Capacidad volumétrica: se divide la capacidad másica de diseño, determinada según los criterios mencionados anteriormente, entre la densidad del material:

Capacidad volumétrica =

•

Capacidad másica de diseño Densidad del material

Capacidad equivalente a 30,5 m/min (100 ft/min): la capacidad volumétrica de la cinta luego se convierte a capacidad equivalente a una velocidad de 30,5 m/min (100 ft/min). Con esta capacidad equivalente se puede seleccionar la cinta estándar.

30,5 m/min   Capacidad equivalente requerida = Capacidad volumétrica ×    Velocidad máxima 

•

Ec. 12

Ec. 13

Selección del tamaño de cinta: el tamaño de la cinta se elige con la capacidad equivalente a 30,5 m/min, según el Cuadro 15, de forma de obtener la capacidad equivalente inmediatamente mayor a la requerida, al ángulo de recargo definido (entre 20 y 25° para el carbón y la piedra caliza).

•

Velocidad actual de la cinta: con la capacidad estándar del Cuadro 15, la velocidad de diseño máxima y la capacidad requerida, se calcula la velocidad actual de la cinta, añadiendo un factor de seguridad de al menos 10% para tomar en cuenta indefiniciones en las propiedades del carbón: Factor Seguridad   Cap. eq. requerida    × Velocidad máxima Ec. 14 Velocidad actual = 1 +  ×  100    Cap. eq. estándar 

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 15. Capacidades de cintas transportadoras de 35 grados – Tres rodillos iguales a distancia de eje estándar [7] Capacidad a 30,5 m/min (100 ft/min), m3/h (ft3/h) Ángulo de recargo (surchange angle) 15° 20° 25° 30° 33,10 36,07 39,11 42,25 (1.169) (1.274) (1.381) (1.492) 63,45 69,04 74,76 80,68 (2.241) (2.438) (2.640) (2.847) 103,6 112,6 121,8 131,3 (3.658) (3.975) (4.300) (4.636) 153,4 166,7 180,2 194,2 (5.419) (5.886) (6.364) (6.857) 213,1 231,3 250,0 269,3 (7.524) (8.169) (8.830) (9.511) 282,4 306,5 331,3 356,7 (9.974) (10.825) (11.698) (12.598) 361,5 392,3 423,9 456,4 (12.768) (13.855) (14.969) (16.118) 450,4 488,7 527,9 596,3 (15.906) (17.257) (18.642) (21.058) 657,4 713,1 770,1 829,0 (23.215) (25.182) (27.196) (29.275) 903,4 979,7 1.058 1.138 (31.902) (34.597) (37.360) (40.210) 1.188 1.289 1.391 1.497 (41.966) (45.506) (49.134) (52.876)

Ancho de la correa (in) 18 24 30 36 42 48 54 60 72 84 96

c)

Potencia del motor impulsor •

Potencia requerida en el impulsor (hp): la potencia requerida en el impulsor de una cinta transportadora se obtiene por la siguiente ecuación (en unidades inglesas) [9]: hp =

Te × V 33.000

Ec. 15

Donde: hp =

Potencia requerida en el impulsor, hp

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Te =

Tensión efectiva, lb

V

Velocidad de diseño de la cinta, ft/min

=

La tensión efectiva es la suma de las tensiones producidas por: cargas gravitacionales para elevar el material, resistencia friccional del material transportado, resistencia friccional de los componentes de la cinta transportadora, fuerza para acelerar el material continuamente a medida que es alimentado a la cinta. La tensión efectiva se calcula por la siguiente ecuación [9]: Te = LK t (K x + K yWb + 0,015Wb ) + Wm (LK y ± H ) + T p + Tam + Tac

Ec. 16

Donde: H

=

Diferencia de altura, ft. Para un estimado preliminar, suponga la longitud horizontal medida en planos de la planta, o estimada mediante algún software de reconocimiento satelital, por la tangente de 14°.

Kt

=

Factor de corrección de temperatura ambiente, que se lee de la Figura 31.

Kt

Temperatura ambiente (°F) Figura 31. Factor de corrección de temperatura ambiente Kt [9] 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Kx

=

Factor para el cálculo de la resistencia de los rodillos de soporte, lb/ft, calculado según la siguiente ecuación: K x = 0,00068(Wb + Wm ) +

Ai Si

Ec. 17

Ai es la fuerza (lb) requerida para vencer la resistencia de los rodillos, según el diámetro y tipo de rodillo CEMA. Para un primer estimado, considerar Ai = 2,8 lb. Si es el espaciamiento entre los rodillos, que se lee del Cuadro 16 según la suma del peso de la cinta y del material transportado. Cuadro 16. Espaciamiento entre rodillos [9] (Wb+Wm), lb/ft < 50 50 ≤ (Wb+Wm) ≤ 99 100 ≤ (Wb+Wm) ≤ 149 ≥ 150 Ky

=

Si, ft 4,5 4,0 3,5 3,0

Factor de corrida con carga, lb/ft, que se lee de la Figura 32, según la suma del peso de la cinta y material depositado, para un ángulo de 14°.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Pendiente (%) Longitud de la Cinta (ft)

Wb+Wm (lb/ft)

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Ángulo (°)

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Pendiente (%) Longitud de la Cinta (ft)

Wb+Wm (lb/ft)

Ángulo (°)

Figura 32. Factor Ky [9]

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR L

=

Longitud de la cinta, ft. Para un estimado preliminar, suponga la longitud horizontal medida en planos de la planta, o estimada mediante algún software de reconocimiento satelital, dividida entre la tangente de 14°.

Tac =

Tensión total de los accesorios de la cinta (faldón, aras, volcadores y limpiadores), lb: Ec. 18

Tac = Tsb + Tpl + Ttr + Tbc

Para un cálculo detallado, consulte [9]. Para un estimado preliminar, suponga: •

Tensión de faldón, Tsb, calculada según la siguiente ecuación:

(

Tsb = Lb Cs hs2 + 6

)

Ec. 19

Cs es un factor según el material transportado, que se lee del Cuadro 17. Cuadro 17. Factor Cs [9] Material Carbón, antracita, tamaño uniforme Carbón, bituminoso, de mina Coque, fino Coque, trozos y finos Piedra caliza, pulverizada, seca

Cs 0,0638 0,0754 0,0452 0,0186 0,1280

Lb es la longitud de la tabla de faldón, ft. Para un primer estimado, suponga 2 ft por cada 100 ft/min de velocidad de la cinta más 3 ft al final de la cinta, u 8 ft (lo que sea mayor) [31]: Lb = MAX (2 × V / 100 + 3 ; 8)

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR hs es la profundidad del material tocando el faldón, in. Para un primer estimado, suponga el 10% del ancho de la cinta transportadora.

Tam

•

Tensión de aras, Tpl, de 5 lb/in de ancho de la cinta transportadora.

•

Tensión de volcadores, Ttr, despreciable (~ 0).

•

Tensión de limpiadores, Tbc, entre 2 y 14 lb/in de ancho de la cinta transportadora (como valor promedio, considere 5 lb/in de ancho de la cinta, y como valor conservador, considere 14 lb/in de ancho de la cinta).

= Tensión generada por la aceleración del material, calculada según la siguiente ecuación: Tam = 2,8755 × 10 −4 × Q × (V − V0 )

Ec. 21

Q es la capacidad de diseño de la cinta (US ton/h). V0 es la velocidad inicial del material cuando es alimentado a la cinta. Para un primer estimado, suponga cero (0). Tp

Wb

=

=

Tensión requerida para hacer girar las poleas, lb. Para un cálculo detallado, consulte [9]. Para un estimado preliminar, suponga 550 lb (dos poleas en el lado tenso y una en el lado holgado). Peso de la cinta, lb/ft. Para un primer estimado, lea el peso del Cuadro 18, según el ancho de la cinta y el peso del material.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 18. Peso estimado promedio de la cinta [9] Ancho de la cinta (in) 18 24 30 36 42 48 54 60 72 84 96 Wm

Peso del material, lb/ft3 30-74 75-129 3,5 4,5 4,5 6,0 6,0 8,0 9,0 12,0 11,0 14,0 14,0 17,0 16,0 19,0 18,0 22,0 21,0 26,0 25,0 33,0 30,0 38,0

= Peso del material, lb/ft, calculado según la siguiente ecuación:

Wm = 33,33 × Q / V •

Ec. 22

Potencia del motor (hp motor): la potencia del motor es la potencia requerida en el impulsor, multiplicada por el factor de servicio, entre la eficiencia del impulsor: hp motor = hp × (Factor de Servicio) / (Eficiencia )

Ec. 23

Para la ecuación anterior, suponga un factor de servicio de 1,15 y una eficiencia de 0,97. 14.1.8.

Pesaje y control de calidad A.

Pesaje del carbón y la piedra caliza a)

Ubicación de los puntos de pesaje Las celdas de pesaje deben ubicarse, como mínimo, en el punto de descarga del carbón y piedra caliza, y en la cinta transportadora después del sistema de recuperación; de esta forma se puede tanto verificar la cantidad de material recibido, como la cantidad de

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR material almacenado en la pila activa (por diferencia entre el peso totalizado descargado y el peso totalizado distribuido a las unidades de generación). b)

Tipos de celdas de pesaje y estándares aplicables Las celdas a utilizar para el pesaje de carbón y piedra caliza pueden ser: de cinta transportadora, de camión, o de tren. La ubicación, características y estándares aplicables de cada tipo de celda se muestran en el Cuadro 19.

Cuadro 19. Ubicación, características y estándares de celdas de pesaje Tipo De Cinta

De Camión

De Tren

Ubicación En la cinta transportadora hacia la pila de almacenamient o, en la cinta de recuperación o en la cinta hacia cada unidad generadora. En la vía de recibo de los camiones de carbón o piedra caliza. En los rieles de recibo de los trenes de carbón o piedra caliza.

Características Las de pesaje comercial (para la recepción del material), certificadas, tienen apreciaciones de 0,25%. Otras celdas para control de flujo vienen con apreciaciones entre 0,25 y 1,00%

Estándar aplicable Las celdas de cinta para pesaje comercial, deben venir certificadas de acuerdo a la normativa comercial local (por ejemplo, en EUA, según el NIST Handbook 44).

De tipo sin fosa, con capacidad mínima de 120% del peso total del camión y longitud mínima de 120% de la longitud total del camión. En movimiento, de tipo fosa, con capacidad típica de 163 TM (180 US ton) y longitud de plataforma 3,8 m (12,5 ft).

Diseñadas y construidas según la normativa local vial (por ejemplo, AASHO en EUA), y certificadas según la normativa comercial local (por ejemplo, en EUA, según el NIST Handbook 44). Diseñadas y construidas según la normativa local de trenes (por ejemplo, AREA en EUA), y certificadas según la normativa comercial local (por ejemplo, en EUA, según el NIST Handbook 44).

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Control de calidad del carbón Los sistemas de control de calidad del carbón deben tener al menos dos puntos de muestra: en la recepción del carbón, para controlar la calidad del material comprado, y en el sistema de transporte a las calderas, para controlar la calidad del material alimentado a las calderas, después del triturador. Los análisis (vea la sección 13.1.2) se hacen en laboratorios dentro o fuera de la planta. La recolección de las muestras se hace de acuerdo a la norma ASTM D 2234 (o similar de acuerdo al país), y la preparación de las mismas se realiza de acuerdo a la norma ASTM D 2013. Se debe tomar un muestra por cada 9.070 TM (10.000 US ton). Los tomamuestras se ubican en las cintas transportadoras de carbón o en el chute de apilamiento, y deben ser fabricados de acero inoxidable SS 304.

14.1.9.

Sistemas secundarios Los sistemas adicionales asociados a los sistemas de manejo de carbón y piedra caliza son los siguientes: •

Control de polvo.

•

Sistema Contra Incendios.

A.

Control de polvo El objetivo del sistema de control de polvo es reducir la cantidad de partículas sólidas dispersas en el aire debido al manejo del carbón o la piedra caliza. Existen tres tipos de sistema: recolección de polvo en seco, supresión de polvo húmeda y supresión de polvo con espuma. Las características, ventajas y desventajas de cada sistema se muestran en el Cuadro 20.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 20. Sistemas de control de polvo Tipo

Características

Recomendado para: Tolvas y silos cubiertos, casas de transferencia o trituradores. Venteo de silos, búnkeres o tolvas.

Ventajas

Desventajas

Recolección en seco

Se instalan ductos en silos y en las correas que recogen el aire con polvo y lo hacen pasar a través de filtros.

Se puede operar en climas cálidos o fríos. No añade humedad al carbón. Se puede usar para venteo de silos o tolvas.

Se instalan rociadores de agua dulce a lo largo de la pila para humedecer el material y mantener el polvo adherido a la superficie.

Pilas abiertas. Edificio de tolva abierto o cerrado. Cintas de transferencia abiertas o cerradas. Puntos de transferencia .

Menos costoso. No requiere edificios elaborados. Bajos requerimientos de espacio. Se pueden hacer cambios al sistema en forma relativamente fácil.

Se instalan rociadores de químicos para capturar al polvo en una espuma.

Pilas. Trituradores.

Ventajas iguales al sistema de supresión húmeda.

Más costoso. Altos costos de operación y mantenimiento. Los cambios al sistema son costosos. El cambio de los filtros ocupa tiempo. Altos requerimientos de espacio. El polvo recolectado debe retornarse al flujo de material. Requiere de compra de aditivos químicos para el agua. No apto para climas fríos. Añade humedad al carbón. Requiere suministro de agua. Requiere anticongelantes en climas fríos. Requiere de la compra de químicos espumantes.

Supresión húmeda

Supresión con espuma

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Sistema Contra Incendios El sistema contra incendios es de importancia crítica en los sistemas de manejo del combustible sólido, y debe incluir componentes de monitoreo y alarma, así como equipos para suprimir el fuego. El principal riesgo de incendio cuando se maneja carbón proviene de la autoignición del material como resultado del incremento de temperatura por oxidación. Los carbones de clasificación inferior, como el lignito o el carbón sub-bituminoso, son más propensos a la autoignición debido a su alto contenido de volátiles (vea la sección 13.1.1). El sistema deberá estar provisto de una red combate de incendio húmeda, con agua dulce, con boquillas rociadoras a lo largo de todo el sistema de correas, tolvas de transferencia, galerías y torres de transferencia; además de detectores de humo y temperatura, estratégicamente ubicados, conectados a un sistema centralizado de alarma y disparo. Por otra parte, se deben proveer equipos portátiles contraincendios, de las diferentes clases, ubicados en lugares debidamente definidos y señalizados. Todos los equipos de comunicación, red de intercomunicadores, teléfonos, bocinas, etc., deben ser del tipo a prueba de explosión. La responsabilidad de la definición del Sistema Contra Incendios normalmente recae sobre la Disciplina de Diseño Mecánico.

14.1.10.

Posibles evaluaciones requeridas en la IC Durante la IC, se pueden requerir las siguientes evaluaciones para definir el Sistema de Manejo de Carbón y Piedra Caliza: •

Definición de potenciales proveedores de carbón, medio de transporte y frecuencia de las entregas.

•

Selección del método de descarga del carbón y definición de la capacidad del sistema.

•

Definición del tamaño, ubicación y configuración de la pila de almacenamiento activo de carbón.

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14.2.

•

Definición del tamaño, ubicación y configuración de la pila de reserva de carbón.

•

Definición de la combinación óptima de maquinaria de apilamiento, forma de la pila y recuperación del carbón, junto con las capacidades de cada máquina.

•

Definición de la configuración del sistema de transporte y distribución del carbón a las tolvas de las calderas, capacidad del sistema y flexibilidad.

•

Definición de potenciales proveedores de piedra caliza, medio de transporte y frecuencia de las entregas.

•

Selección del método de descarga de la piedra caliza y definición de la capacidad del sistema.

•

Definición del tamaño, ubicación y configuración de la pila de almacenamiento activo de piedra caliza.

•

Definición del tamaño, ubicación y configuración de la pila de reserva de piedra caliza.

•

Definición de la combinación óptima de maquinaria de apilamiento, forma de la pila y recuperación de la piedra caliza, junto con las capacidades de cada máquina.

•

Definición de la configuración del sistema de transporte y distribución de piedra caliza a los silos, capacidad del sistema y flexibilidad.

Sistema de la Caldera La caldera es la unidad que transforma la energía química del combustible en energía térmica (calor) y la usa para generar vapor de agua que acciona la turbina.

14.2.1.

Clasificación de las Calderas Existen distintas clasificaciones de calderas según su tecnología de combustión, método de construcción, circulación del agua, tiro y presión de vapor. Los distintos tipos de caldera se muestran en la Figura 33.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Carbón Pulverizado (PC) Según la Tecnología de Combustión

Lecho Fluidizado De Parrilla Unidades Paquete

Según el Método de Construcción

Unidades Modulares Ensambladas en Campo

Clasificación de Calderas

Según la Circulación del Agua

Circulación Natural Circulación Forzada Tiro Natural

Tiro Forzado

Tiro Mecánico

Tiro Inducido

Subcrítica

Tiro Balanceado

Según el Tiro

Según la Presión del Vapor

Supercrítica Ultra-supercrítica

Según el Recalentamiento

Con Recalentamiento Sin Recalentamiento

Figura 33. Clasificación de las Calderas A continuación se detallan los distintos tipos de caldera.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR A)

Clasificación según la Tecnología de Combustión. Esta clasificación se refiere a la tecnología empleada para la quema del carbón en la cámara de combustión. En la actualidad existen tres tecnologías que se detallan a continuación: a)

Carbón Pulverizado

(Pulverized Coal, PC).

Es el tipo de caldera más comúnmente empleada a nivel mundial, y en la actualidad este tipo de tecnología provee la energía térmica que suple alrededor del 50% de la energía eléctrica del mundo [34], y más del 90% de la energía eléctrica generada por carbón [19]. En este tipo de caldera el carbón es molido hasta obtener un tamaño de partícula fino; por ejemplo, para carbón bituminoso, hasta que menos del 2% tenga tamaño de partícula superior a 300 micrones, y entre 70 y 75% tenga tamaño de partícula menor a 75 micrones [19]. El tamaño de partícula óptimo viene dado por un equilibrio económico: un tamaño de partícula muy pequeño requiere un mayor consumo de potencia en los pulverizadores, y uno muy grande ocasiona pérdidas en carbón no quemado. El carbón pulverizado es soplado con una parte del aire de combustión a través de una serie de boquillas quemadoras. Se puede añadir aire secundario y terciario. La combustión ocurre a temperaturas entre 1300 y 1700 °C (2372 y 3092 °F), dependiendo del grado de carbón [19]. El tiempo de residencia de las partículas en la caldera es de aproximadamente 2 a 5 segundos [19], y las partículas deben ser lo suficientemente pequeñas para que la combustión completa ocurra en este período. Este tipo de caldera tiene muchas ventajas como la habilidad para quemar carbón de distintas calidades, respuesta rápida a cambios en la carga y uso de altas temperaturas de aire precalentado. Las calderas de carbón pulverizado operan con eficiencias típicas entre 86 y 88 por ciento, dependiendo del combustible empleado, y están disponibles en capacidades de 45.359 kg/h (100.000 lb/h) o mayores [31]. En aplicaciones con combustibles de baja calidad, incluyendo aquellos con contenido de ceniza variable o alto contenido de azufre, resultan menos convenientes que las calderas de lecho fluidizado circulante. 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Las partes que integran la caldera de carbón pulverizado se muestran en la Figura 34. Uno de los sistemas de quema más populares para las calderas de carbón pulverizado es la quema tangencial usando cuatro quemadores en cada esquina para crear una llama en el centro del horno, como se puede observar en la Figura 35.

Figura 34. Esquema de una Caldera de Carbón Pulverizado

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Aire Primario y Combustible

Aire Secundario

Figura 35. Quema Tangencial (adaptado de [19]). b)

Lecho Fluidizado

(Fluidized Bed).

La tecnología de lecho fluidizado utiliza jets verticales de aire durante el proceso de combustión para suspender las partículas de combustible sólido en una mezcla turbulenta de gas y sólidos. Esta mezcla turbulenta hace más eficiente la reacción química y la transferencia de calor, dándole más flexibilidad a las calderas de lecho fluidizado que a las de carbón pulverizado para manejar distintos tipos de combustible, incluyendo biomasa. Las calderas de lecho fluidizado también poseen ventajas en lo relativo a reducción de emisiones. Las calderas de lecho fluidizado pueden reducir las emisiones de SOX en más del 95% mediante el uso de un adsorbente como piedra caliza o dolomita que captura azufre; y adicionalmente reduce las emisiones de NOX al operar en un rango de temperatura menor al de su formación. Existen distintos tipos de caldera de lecho fluidizado: lecho burbujeante (en el que el combustible permanece en la cámara de combustión, levantándose en burbujas) y lecho fluidizado circulante (en el que el combustible y adsorbente circulan por toda la caldera y al final son separados de los gases de combustión en un separador ciclónico antes de ser devueltos a la cámara de combustión). En este INEDON se tratará únicamente la tecnología de lecho fluidizado

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR circulante atmosférico (atmospheric circulating fluidized bed, ACFB), que es más eficiente que la de lecho burbujeante. La tecnología de combustión en lecho fluidizado circulante se basa en el principio de lecho fluidizado en el que combustible triturado (con tamaño entre 6 y 12 mm) y piedra caliza son inyectados al horno o combustor. Las partículas se suspenden en una corriente de aire que fluye hacia arriba (60 a 70% del aire total) que entra por el fondo del horno a través de boquillas de distribución de aire. La velocidad de fluidización de lechos circulantes está en el rango de 3,7 a 9 m/s (12 a 30 ft/s). El aire de combustión restante ingresa por encima del fondo como aire secundario. La combustión ocurre entre 840 y 900 °C (1544 y 1652 °F), y las partículas finas (< 450 micrones) son arrastradas fuera del horno con una velocidad de gas de escape de 4 a 6 m/s (13 a 20 ft/s). Las partículas luego son recogidas en separadores de sólido ciclónicos y recirculadas al horno. El reciclo de sólidos es de alrededor de 50 a 100 kg por kg de combustible quemado. El aire de combustión se provee a una presión entre 0,10 y 0,14 barg (1,5 y 2 psig). La relación calcio a azufre para el control de SOX es de 1,5 a 1 [19]. Las calderas ACFB operan con eficiencias típicas entre 86 y 88 por ciento, dependiendo del combustible empleado, y están disponibles en capacidades de 36.287 kg/h (80.000 lb/h) o mayores [31]. Las partes que integran la caldera ACFB se muestran en la Figura 36.

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Figura 36. Esquema de una Caldera de Lecho Fluidizado Circulante Atmosférico (ACFB) c)

De Parrilla

(Grate Fired, Stoker).

La caldera de parrilla es el tipo de caldera más antiguo. En ella, el carbón es alimentado continuamente en una parrilla hacia la cámara de combustión, y las cenizas son retiradas en el lado opuesto. Es el tipo de caldera menos eficiente porque ofrece menos área superficial para la quema del carbón, y también el menos flexible, ya que no responde bien a variaciones rápidas de la carga, y tampoco resulta conveniente para combustibles de baja calidad, incluyendo aquellos con contenido de ceniza variable o alto contenido de azufre; pero por

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR otro lado es el que requiere menores costos capitales y de mantenimiento. Las calderas de parrilla operan con eficiencias típicas entre 80 y 82 por ciento, dependiendo del combustible empleado, y están disponibles en todo el rango de capacidades [31]; sin embargo, actualmente su uso está más limitado a la quema de desechos, biomasa, o a hornos de carbón de baja capacidad. d)

Comparación de Tecnologías En el Cuadro 21 se muestran algunas consideraciones para la selección de cada tecnología.

Cuadro 21. Consideraciones para la Selección de Tecnologías de Caldera Tecnología Madurez de la tecnología, años Rango de capacidad, kg/h (lb/h) Eficiencia térmica, %1 Combustibles manejados

Carbón Pulverizado

De Parrilla

> 90

Lecho Fluidizado Atmosférico ~ 303

> 45.359 (> 100.000)

> 36.287 (> 80.000)

86 – 88

86 – 88

Disponible en todo el rango de capacidades 80 – 82

Carbones de distintas calidades, preferiblemente limpios. Requiere de scrubbers para reducir emisiones de SOx con combustibles de alto contenido de azufre.

De todo tipo (carbones de calidad alta o baja, biomasa, etc.). Recomendable cuando el carbón es de baja calidad, tiene un contenido de ceniza variable o un alto contenido de azufre. También es recomendable cuando se prevén grandes variaciones en la calidad del combustible (ejemplo: desechos sólidos urbanos).

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> 1504

En la actualidad su uso está limitado básicamente a desechos o biomasa, o a hornos de carbón de baja capacidad.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 21. Consideraciones para la Selección de Tecnologías de Caldera Tecnología Temperatura de combustión típica, °C (°F) Pérdidas de combustible no quemado, %2 Mínima carga estable, % de carga de diseño Ventajas

Carbón Pulverizado 1300 - 1700 (2372 - 3092)

Lecho Fluidizado Atmosférico 840 - 900 (1544 - 1652)

1204 - 1649 (2200 - 3000)

10 % / minuto Bajo, 15 (14)1 con ventilador de aire primario > 90 Moderada

1,75 / 1 a plena carga Alto, tras 5 ó 6 minutos de parada Respuesta a demanda de carga > 10 % / minuto Consumo específico, kWh/TM Bajo, 15 (14)1 con (kWh/US ton) ventilador de aire primario Nivel de ruido, dB > 90,85 (atenuado) Vibración Baja Notas: 1. STEAM PRO fija un valor predeterminado de consumo específico de 22,05 kWh/TM (20 kWh/US ton). Para la simulación, se recomienda mantener el valor predeterminado. Los pulverizadores típicamente pueden manejar un flujo mínimo del 50% de la capacidad de diseño. Para la operación a carga mínima estable, se recomienda usar dos pulverizadores en operación al 50% de la carga, esto para que si uno de los dos presenta fallas, no se tenga que disparar

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR el horno. Mientras más pulverizadores se posean, menor va a ser la carga mínima estable de la caldera, pero mayor va a ser su costo. En EUA es común especificar un pulverizador de respaldo; en algunos diseños europeos, sin embargo, no se especifican pulverizadores de respaldo. J)

Tubería de carbón y quemadores Las tuberías de carbón son típicamente de acero con 12,7 mm (1/2 in) de espesor de pared, y se usan para transportar la mezcla de aire / combustible hacia los quemadores. Los arreglos de quemadores usuales son de dos tipos: quemador en la pared (en el que existen múltiples quemadores a lo largo de la pared) o quemadores tangenciales (en el que existen quemadores en las cuatro esquinas del horno). Los quemadores modernos para las calderas de lecho pulverizado también incluyen ciertas características de diseño que permiten reducir las emisiones de NOx, que se mencionan en la sección 14.6. Las calderas de parrilla no disponen de tuberías de este tipo, ya que el carbón se ubica sobre una parrilla transportadora.

K)

Pilotos y quemadores de calentamiento La ignición de la llama, así como los requerimientos de calentamiento, son inherentes a la tecnología de cada fabricante. Por ejemplo: los quemadores de calentamiento son usados sólo por ABB. Los pilotos típicamente usan gas natural o cualquier grado de combustible líquido para mantenerse encendidos, y la ignición se produce por medio de una chispa eléctrica. El gas natural es preferido por su relativamente bajo costo, siempre y cuando haya disponibilidad en el área. También se usa propano en algunas ocasiones, aunque típicamente se evita su uso debido a su relativamente alto costo en comparación con otros combustibles para piloto. Si se elige combustible líquido para alimentar los pilotos, se debe elegir un método de atomización. Típicamente se usa aire para combustibles livianos como el Diesel No. 2, o vapor de agua para combustibles pesados como el Fueloil No. 6.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Adicionalmente existen pilotos de plasma que funcionan a base de electricidad y no requieren de combustibles, pero sí de equipos adicionales asociados a la subestación eléctrica. La selección del combustible a usar para los pilotos es parte de la conceptualización de la planta, y depende de criterios económicos, así como de la disponibilidad en el sitio. Luego de seleccionar el combustible preferido, el fabricante de la caldera elige el piloto a usar en la caldera. L)

Ductos Los ductos pueden venir incorporados dentro del paquete de la caldera, o ser comprados separadamente, al igual que los ventiladores de circulación forzada. Es recomendable que ambos vengan incluidos dentro del alcance del fabricante de la caldera. Los ductos en calderas de generación de potencia suelen ser de 6 mm (1/4 in) de espesor, y se pueden construir con acero ASTM A36. Las velocidades recomendadas a máxima carga se muestran en el Cuadro 24. Cuadro 24. Velocidades recomendadas para ductos [7] Ductos Ductos de aire Ductos de gas de escape

M)

Velocidad máxima, m/s (ft/min) 17,8 (3.500) 17,8 (3.500)

Ciclones – sólo calderas de lecho fluidizado circulante En las calderas de lecho fluidizado circulante, se requiere de ciclones para la recuperación de las cenizas, que aún contienen carbono sin quemar, para reciclarlas hasta el horno. Los criterios típicos de diseño de estos ciclones se muestran en el Cuadro 25. Cuadro 25. Criterios típicos de diseño de ciclones [7] Criterio Tamaño de partículas removidas Eficiencia de separación

Valor > 100 micrones > 90%

Los ciclones típicamente se construyen de planchas de acero recubiertas con una o más capas de refractante.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR N)

Tolvas de ceniza Se incluye una tolva para la recolección de la ceniza suelta debajo del economizador. En el Cuadro 26 se muestran algunos criterios típicos para la tolva de cenizas. Cuadro 26. Criterios típicos de diseño de tolvas de ceniza [7] Criterio Capacidad de almacenamiento de cenizas Pendiente mínima de las paredes Densidad de diseño de la ceniza para el volumen Densidad de diseño de la ceniza para la estructura y soportes

Valor 12 horas de operación 60° (desde horizontal) 721 kg/m3 (45 lb/ft3) 1.922 kg/m3 (120 lb/ft3)

El valor más bajo de densidad de la ceniza se usa para el cálculo del volumen de almacenamiento, mientras que el valor más alto se usa para el cálculo de las estructuras y soportes. 14.2.3.

Información relevante para la simulación en STEAM PRO Dónde conseguir información adicional en STEAM PRO y este INEDON:

Información

Navegación en STEAM PRO

Sección de este INEDON

Datos de entrada

    

Salidas de Texto

 Sistema  Caldera  Medio Ambiente

 18.1.1  18.1.2  18.1.6

Salidas Gráficas

 Sistema  Caldera

 18.2.1  18.2.2

Nueva sesión Comenzar diseño Datos térmicos de la caldera Dimensionamiento de la caldera Medio Ambiente

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    

17.4 17.5 17.13 17.14 17.15

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 14.2.4.

14.3.

Posibles evaluaciones requeridas en la IC •

Tipo de caldera (carbón pulverizado, lecho fluidizado circulante o parrilla).

•

Con recalentamiento o sin recalentamiento.

•

Presión del vapor.

•

Tipo de circulación del agua.

•

Tipo de tiro.

Sistema de la Turbina de Vapor El Sistema de la Turbina de Vapor tiene la función de transformar la energía térmica del vapor de agua presurizado, proveniente del Sistema de la Caldera, en energía eléctrica.

14.3.1.

Elementos Principales del Sistema de la Turbina de Vapor Los elementos principales del Sistema de la Turbina de Vapor son (Figura 44): •

Turbina de vapor

•

Generador eléctrico

•

Excitatriz

Vapor desde el Sistema del HRSG Eje de Salida Turbina

Generador Eléctrico

Vapor hacia el Sistema de Enfriamiento del Ciclo de Vapor

Figura 44. Esquema con los elementos principales del Sistema de la Turbina de Vapor.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Adicionalmente se requieren las siguientes unidades para mantener a la turbina en operación ininterrumpida: •

Unidad de vapor para sello

•

Unidad de aceite para lubricación Excitatriz

Salida del vapor

Turbina de vapor (descarga axial)

Generador Eléctrico

Figura 45. Elementos principales del Sistema de la Turbina de Vapor, ejemplo con descarga axial [17] A)

Turbina de vapor (Steam Turbine). Este tipo de turbina convierte la energía térmica del vapor de agua presurizado en energía mecánica. La eficiencia de las turbinas de vapor es maximizada por medio de la expansión (diminución de presión) del vapor en varias etapas. Existe una multitud de criterios para clasificar a las turbinas de vapor: según su principio operativo, su número de etapas, la dirección del flujo de vapor, la presión de entrada del vapor, la presión de descarga, la fuente del vapor, el arreglo de la carcasa y el eje, la presencia o no de recalentamiento o el arreglo de su descarga. Debido a la gran cantidad de criterios para clasificar a las turbinas de vapor, éste INEDON se enfocará sólo sobre aquellos criterios de clasificación que están relacionados con la configuración del proceso en general, y que resultan de interés para la Disciplina de Procesos en plantas carboeléctricas. La clasificación de las turbinas de vapor se puede observar en la Figura 46.

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Condensación Según su Presión Final Contrapresión

Según la Presencia de Recalentamiento

Clasificación de Turbinas

Con Recalentamiento Sin Recalentamiento Descarga hacia Abajo

Según el Arreglo de la Descarga

Descarga Axial

Descarga Lateral

Según el Número de Trayectorias del Vapor en Cada Etapa

Una Trayectoria Múltiples Trayectorias

Figura 46. Clasificación de las Turbinas a Vapor

a)

Clasificación según la Presión Final. Las turbinas de vapor se pueden clasificar según su presión final en: a. Turbina de Condensación

(Condensing Turbine).

En esta turbina el vapor descarga a la presión de operación del condensador (generalmente una presión de vacío), donde es condensado para ser bombeado nuevamente a la caldera. Es el tipo usado en aplicaciones netamente de generación de potencia.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR b. Turbina de Contrapresión

(Backpressure Turbine, NonCondensing Turbine).

En una turbina de contrapresión el vapor descarga a presiones mayores a la atmosférica, y no es condensado inmediatamente. Este tipo de turbina se usa en aplicaciones en las que se requiere vapor de proceso a media o baja presión, y se utiliza el vapor a la descarga de la turbina para tal fin: típicamente plantas de cogeneración. b)

Clasificación según la Presencia de Recalentamiento. Esta clasificación se refiere a la presencia o no de extracciones intermedias en la turbina para recalentar y realimentar el vapor. En una turbina con recalentamiento el vapor es extraído a una presión intermedia entre la alimentación y la descarga, recalentado en la caldera y realimentado a la turbina a la presión correspondiente. En una turbina sin recalentamiento el vapor se expande directamente desde la presión a la admisión hasta la descarga, sin la adición de calor intermedia. El efecto termodinámico de recalentar el vapor a una presión intermedia entre la alimentación y la descarga se muestra en la Figura 3.

c)

Clasificación según el Arreglo de la Descarga. Esta clasificación se refiere a la dirección que sigue el vapor de descarga de la última etapa de la turbina. Los distintos tipos de arreglo de descarga se mencionan a continuación: a. Descarga hacia abajo

(Downward exhaust).

El flujo de salida del vapor en la última etapa es hacia abajo, lo cual genera una desviación del flujo en 90° (Figura 47 y Figura 48) y el condensador está ubicado directamente debajo. b. Descarga axial

(Axial exhaust).

El flujo de vapor de la última etapa es descargado hacia atrás y axialmente con respecto al eje (Figura 48 y Figura 49), esto origina una pérdida de presión menor que con una descarga hacia abajo. El condensador está ubicado detrás de la turbina y tiene la ventaja que se requiere una fundación más baja para la turbina y 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR por ende el costo de instalación es menor porque requiere menos concreto reforzado. Este tipo de descarga sólo es posible si el vapor en la turbina de baja presión (LPT) fluye en una sola dirección; para turbinas de baja presión con múltiples direcciones (por ejemplo, cuando el vapor de baja presión es alimentado por el centro y expandido equitativamente hacia lados opuestos), este tipo de descarga es inapropiado. c. Descarga lateral

(Lateral exhaust).

También existen las turbinas con descarga hacia ambos lados en la última etapa de presión, al igual que una descarga axial, la fundación es menos elevada y por ende más económica. En la actualidad, su uso es menos común y recomendada por algunos fabricantes para conectar la turbina con condensadores enfriados por aire [1].

Salida del vapor

Entrada del vapor

Figura 47. Turbina de vapor con descarga por debajo (Siemens SST-600)

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Descarga hacia abajo

Descarga axial

Figura 48. Descargas del flujo en las turbinas de vapor (Shin Nippon Machinery Co., LTD)

Salida del vapor

Entrada del vapor

Figura 49. Turbina de vapor con descarga axial (Toshiba) d)

Clasificación según el Número de Trayectorias del Vapor en Cada Etapa. Esta clasificación está asociada a la dirección que sigue el vapor en cada etapa de la turbina, y es una característica asociada al arreglo del fabricante. Desde el punto de vista de la Ingeniería, el software STEAM PRO ofrece la posibilidad de seleccionar un número de trayectorias de vapor por cada etapa.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR a. Una Trayectoria

(Single Path).

En una etapa con una trayectoria, el vapor es suministrado en un extremo de la etapa y descarga en el extremo opuesto, mientras que en una etapa con dos trayectorias el vapor es típicamente alimentado por el centro, y se divide en dos partes iguales siguiendo direcciones opuestas. b. Múltiples Trayectorias

(Multiple Paths).

El arreglo con dos trayectorias se usa comúnmente en las etapas de baja presión para reducir el diámetro requerido y balancear las cargas mecánicas. Para reducir el diámetro en la etapa a baja presión en algunos casos también se distribuye el vapor equitativamente entre varias etapas de baja presión idénticas de dos trayectorias; por ejemplo, si se usan 2 turbinas idénticas de baja presión con dos trayectorias, el flujo de vapor por cada trayectoria es 1/4 del flujo total. Como se mencionó anteriormente, en turbinas donde la etapa de baja presión tiene trayectorias múltiples, la descarga del vapor de escape no puede ser axial, y en cambio se dirige hacia abajo. B)

Generador Eléctrico (Electrical generator). Equipo destinado a la transformación de la energía mecánica en eléctrica. La transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura, denominada también estator. El generador puede requerir enfriamiento según las condiciones de operación y solicitud del fabricante.

C)

Excitatriz (Exciter). Es un pequeño generador usado para estimular los campos de las bobinas del generador principal; sin la excitatriz, el generador no produciría corriente eléctrica.

D)

Unidad de vapor para sello (Steam seal unit). Su función es suministrar vapor a los sellos del eje para prevenir el ingreso de aire en la turbina o al condensador, indiferentemente de las condiciones de operación. Una línea de distribución de vapor de sello es conectada a todos los sellos del eje, la presión del vapor es controlada por

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR dos válvulas, una que permite la entrada del vapor y otra que permite su salida. E)

Unidad de aceite para lubricación (Lube and jacking oil unit). Suministra aceite para la lubricación de los rodamientos de la turbina y del generador. Adicionalmente, el aceite retornado transporta calor y restos de los rodamientos hacia el tanque de aceite lubricante.

14.3.2.

Arreglos de turbina y condiciones de vapor típicas En el Cuadro 27 se muestran algunos arreglos de turbina y condiciones de vapor típicos para las plantas de generación de potencia a base de vapor. Cuadro 27. Arreglos típicos de turbina de vapor [7]

Potencia Bruta Número de Presión del Vapor, Secciones de Presión Entregada, Etapas de MPa (psig) de la Turbina MW Recalentamiento HP IP RH LP Ciclo con combustibles fósiles 50 – 150 0ó1 10,1 (1,450) 1SF 1SF 150 – 250 1 12,5 (1,800) 1SF 1SF 1DF 250 – 450 1 16,6 (2,400) 1SF 1SF 1DF 450 – 600 1 16,6 ó 24,2 (2.400 ó 3.500) 1SF 1SF 2DF 600 – 850 1 16,6 (2,400) 1DF 1DF 2DF 1ó2 24,2 (3,500) 1SF 1SF 1DF 2DF 850 – 1.100 1 16,6 (2,400) 1DF 1DF 3DF 1ó2 24,2 (3,500) 1SF 1SF 1DF 3DF Ciclos nucleares 600 – 900 7,0 (1,000) 1DF 2DF 900 – 1.300 7,0 (1,000) 1DF 3DF Notas: 1. Los arreglos mostrados son sólo para unidades en tándem. 2. 1SF = 1 turbina de flujo sencillo; 1DF = una turbina de flujo doble; 2DF = dos turbinas de flujo doble; 3DF = 3 turbinas de flujo doble. STEAM PRO elige una configuración predeterminada de turbina según la potencia a generar en la central.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 14.3.3.

Información relevante para la simulación en STEAM PRO Dónde conseguir información adicional en STEAM PRO y este INEDON:

Información

Navegación en STEAM PRO

Sección de este INEDON

Datos de entrada

   

Salidas de Texto

 Sistema  Ciclo de vapor

 18.1.1  18.1.3

Salidas Gráficas

 Sistema  Turbina de vapor

 18.2.1  18.2.3

14.3.4.

Nueva sesión Comenzar diseño Entradas ST Puertos/Grupos de la ST

   

17.4 17.5 17.9 17.10

Posibles evaluaciones requeridas en la IC El uso de ejes individuales vs múltiples para el acople entre la turbina de gas, su compresor y la turbina de vapor.

14.4.

Sistema de Agua de Alimentación a Caldera El Sistema de Agua de Alimentación a Caldera comprende todo el circuito de precalentamiento que inicia con las bombas de agua del condensador, continúa con el desaireador, y posteriormente sigue con una serie de calentadores de agua regenerativos que usan extracciones de vapor de la turbina como fluido de calentamiento.

14.4.1.

Elementos Principales del Sistema de Agua de Alimentación a Caldera En la Figura 50 se muestra un arreglo típico del Sistema de Agua de Alimentación a Caldera con sus componentes principales.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Extracciones de vapor de la turbina Bomba de agua de alimentación Agua del condensador

Agua desaireada para la alimentación de la caldera

Condensado al condensador

Desaireador

Bomba de condensado

Calentadores de agua

Figura 50. Componentes del Sistema de Agua de Alimentación a Caldera Los componentes del sistema se describen a continuación. A)

Bombas de condensado

(Condensate Pumps)

Las bombas de condensado tienen el objetivo de proveer cabezal para desplazar el agua desde el condensador, que opera a presiones de vacío, hasta el desaireador. B)

Desaireador (Deaerator). Es el equipo usado para la remoción de oxígeno (del aire) y otros gases disueltos del agua de alimentación (Figura 51); dicha remoción es esencial para evitar la corrosión localizada en los tubos y otras áreas de la caldera. El desaireador usa dos principios para su operación: •

El primero es la Ley de Henry, la cual asevera que la solubilidad de los gases en un líquido es proporcional a la presión del gas sobre el líquido. El efecto en el desaireador es que mientras menor es la presión del vapor sobre el agua, menor la solubilidad de los gases en el agua, esto significa que los gases se pueden remover con mayor facilidad.

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El segundo es la relación entre solubilidad y temperatura, mientras mayor es la temperatura del agua, menor es la solubilidad de los gases.

El agua de alimentación es rociada en capas delgadas en el vapor, esto permite que se caliente rápidamente por saturación. El rociado también incrementa el área superficial de contacto del agua con el vapor, lo cual permite una remoción más rápida del oxígeno y gases con concentraciones bajas. Una porción de vapor es inyectada en el agua para aumentar su temperatura y disminuir la solubilidad de los gases disueltos en el agua de alimentación. La dosificación de químicos para ayudar a la desaireación mecánica es descrita en la Sección 14.8.12. Venteo del aire Agua para la alimentación de la caldera Vapor para desaireación

Vapor para calentamiento Agua desaireada para la alimentación de la caldera

Figura 51. Esquema de un desaireador con domo. En el Cuadro 28 se muestran algunos criterios para especificar los desaireadores.

Cuadro 28. Criterios de diseño típicos para desaireadores [7] Criterio Contenido máximo garantizado de O2 al flujo de diseño, cc/L Presión de diseño de las corazas Tiempo de residencia en zona de almacenamiento, min1 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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Valor 0,005 Mayor a la máxima presión de la extracción de vapor de la turbina 10 INEDON

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Notas: 1. Al flujo de diseño. El tiempo de residencia puede ser reducido para plantas de gran capacidad, debido a límites de espacio.

C)

Bombas de agua de alimentación

(Feedwater pumps).

Son las bombas que suministran el agua de alimentación a la caldera, algunas succionan desde el desaireador y otras pueden succionar desde un circuito de presión más baja. D)

Calentadores de agua de alimentación

(Feedwater heaters)

Los calentadores de agua de alimentación son intercambiadores de coraza y tubo que incrementan la temperatura del agua de alimentación a caldera, usando extracciones de vapor de la turbina como medio de calentamiento. El agua de alimentación recorre el lado de los tubos, mientras que el vapor recorre el lado de la coraza. El objetivo de los calentadores de agua es incrementar la eficiencia del ciclo. Existen múltiples arreglos posibles para el tren de precalentamiento, pero en esencia el intercambio de calor se da a contracorriente entre el vapor y el agua de alimentación: la extracción de vapor a mayor presión (a mayor temperatura) es enviada al último calentador de agua; y el condensado de este es enviado hacia el penúltimo calentador, junto con vapor a menor presión. Así, el condensado de cada calentador es enviado en cascada al calentador previo, hasta ser recogido en el desaireador o en el condensador. En el Cuadro 29 se muestran algunos criterios para el diseño de calentadores de agua de alimentación. Para criterios adicionales, consulte el INEDON “Guía para la Especificación de los Intercambiadores de Calor”, N° 903-HM120-P09-GUD-027, o la publicación Standards for Closed Feedwater Heaters, del Heat Exchange Institute (HEI).

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 29. Criterios de diseño típicos para calentadores de agua de alimentación [7] Criterio Diferencia de temperatura entre fluido caliente y fluido frío Diferencia de temperatura terminal, °C (°F)1 Acercamiento condensado / agua de alimentación, °C (°F)2 Resistencia al ensuciamiento Superficie interna de los tubos, °C.m2/W (h.°F.ft2/Btu) Superficie externa de los tubos, °C.m2/W (h.°F.ft2/Btu)3 Velocidades máximas en los tubos Acero inoxidable, monel, inconel, m/s (ft/s) Níquel cobre, m/s (ft/s) Admiralty y cobre, m/s (ft/s) Acero al carbono, m/s (ft/s) Temperatura de diseño Lado de la coraza, zona de desobrecalentamiento, °C (°F)

Lado de la coraza, zona de condensación, °C (°F)

Lado de los tubos, zona de desobrecalentamiento, °C (°F)

Lado de los tubos, zona de condensación, °C (°F)

Temperatura máxima del metal para los tubos Cobre aresenical, °C (°F) Admiralty, °C (°F) Cobre-níquel 90-10, °C (°F) Cobre-níquel 80-20, °C (°F) Cobre-níquel 70-30 templado (annealed), °C (°F) 903-HM120-P09-GUD-089.DOCX/31/03/2010/MSOFFICE/pa

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Valor ≥ 1,1 (≥ 2) ≥ 5,6 (≥ 10) ≥ 7,0x10-9 (≥ 0,0002) ≥ 10,5x10-9 (≥ 0,0003) 3,05 (10,0) 2,74 (9,0) 2,59 (8,5) 2,44 (8,0) Trace línea isentrópica desde temperatura y presión de operación hasta presión de diseño, y redondee a próximo múltiplo de 5,6 °C (10 °F) Al menos igual a la temperatura de saturación a la presión de diseño 19,4 °C (35 °F) mayor a la temperatura de saturación a la presión de diseño de la coraza Como máximo, igual a la temperatura de saturación a la presión de diseño de la coraza 204 (400) 232 (450) 316 (600) 371 (700) 371 (700) INEDON

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 29. Criterios de diseño típicos para calentadores de agua de alimentación [7] Criterio Valor Cobre-níquel 70-30 destensado (stress-relieved), °C (°F) 427 (800) Níquel-cobre 70-30 templado (annealed), °C (°F) 482 (900) Níquel-cobre 70-30 destensado (stress-relieved), °C (°F) 427 (800) Acero al carbono, °C (°F) 427 (800) Acero inoxidable, °C (°F) 427 (800) Espesores mínimos de las paredes de los tubos Cobre y aleaciones de cobre, mm (in) 1,24 (0,049) Aleaciones de níquel, mm (in) 1,24 (0,049) Acero inoxidable, tubos en U, mm (in) 0,89 (0,035) Acero inoxidable, tubos rectos, mm (in) 0,71 (0,028) Acero al carbono, mm (in) 1,27 (0,050) Notas: 1. Sin zona de desobrecalentamiento, es decir, diferencia de temperatura entre el agua a la salida de los tubos y el vapor saturado en la coraza. 2. Cuando se provee un subenfriador del condensado. 3. En las zonas de desobrecalentamiento y subenfriamiento. 14.4.2.

Información relevante para la simulación en STEAM PRO Dónde conseguir información adicional en STEAM PRO y este INEDON:

Información

Navegación en STEAM PRO

Datos de entrada

 Nueva sesión  Comenzar diseño  Selección de calentadores de agua de alimentación  Bombas y calentadores de agua de alimentación

 17.4  17.5  17.6

Salidas de Texto

 Sistema  Calentadores de agua de alimentación

 18.1.1  18.1.4

Salidas Gráficas

 Sistema  Sistema de agua de alimentación

 18.2.1  18.2.4

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14.4.3.

Posibles evaluaciones requeridas en la IC Número y arreglo de calentadores de agua de alimentación.

14.5.

Sistema de Enfriamiento del Ciclo de Vapor El Sistema de Enfriamiento del Ciclo de Vapor comprende el condensador y equipos adicionales requeridos para condesar el vapor proveniente del Sistema de la Turbina de Vapor Los sistemas más comunes involucran el intercambio de calor entre el vapor a la descarga de la turbina y agua de enfriamiento en un condensador de superficie. El agua de enfriamiento puede ser de flujo directo desde una fuente de agua como el mar, un río o un lago (Figura 52); o de un circuito cerrado con una torre de enfriamiento evaporativa (Figura 53).

Vapor desde el Sistema de la Turbina de Vapor

Condensador

Condensado hacia el Sistema del HRSG

Agua caliente Tratamiento Agua fría Bomba de Condensado

Fuente Bomba de Agua de Enfriamiento

Figura 52. Esquema del Sistema de Enfriamiento del Ciclo de Vapor, ejemplo con un sistema de flujo directo

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Vapor desde el Sistema de la Turbina de Vapor

Condensador

Aire caliente

Agua caliente

Condensado hacia el Sistema del HRSG Bomba de Condensado Agua fría

Bomba de Agua de Enfriamiento

Aire frío Aire

Agua de reposición Torre de Enfriamiento

Figura 53. Esquema del Sistema de Enfriamiento del Ciclo de Vapor, ejemplo con un sistema de circulación y torre evaporativa También existen las opciones, aunque menos frecuentes, de la condensación con aire por medio de aerocondensadores, o por intercambio directo con agua. 14.5.1.

Elementos Principales del Sistema de Enfriamiento del Ciclo de Vapor A continuación se detallan los elementos principales del sistema. A)

Condensador (Condenser). Es el equipo donde se realiza la condensación del vapor en agua, opera a una presión por debajo de la atmosférica para aumentar la eficiencia del ciclo de Rankine. Existen varios tipos de condensadores, los más comunes son:

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De superficie. Es un tipo de intercambiador de calor con tubos que usa agua como medio de enfriamiento, existen los tipos convencionales (debajo de la turbina, Figura 54), axial (Figura 55) y lateral.

Ducto de entrada del vapor hacia el condensador principal

Condensador auxiliar (dump condenser), opcional

Condensador principal

Unidades de vacío

Bombas de condensado

Figura 54. Condensador de superficie convencional (GEA)

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Ducto axial de entrada del vapor hacia el condensador Condensador principal

Unidades de vacío

Pozo

Bombas de condensado

Figura 55. Condensador axial (GEA) b)

Enfriado por aire. Como el título lo indica, es un de intercambiador que usa aire como medio de enfriamiento (Figura 56). Su uso es limitado a los sitios donde la temperatura del aire es adecuada para el enfriamiento o donde el agua no está disponible para usar un condensador de superficie.

c)

De contacto directo En este condensador, el vapor entra en contacto directo con el agua de enfriamiento (Figura 57).

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Pared contra el viento

Módulo de contra flujo

Módulo de flujo paralelo Ventilador de tiro forzado Sistema de remoción de aire

Entrada de vapor

Tanque de condensado Salida de condensado

Figura 56. Condensador enfriado por aire (GEA) Vapor desde la turbina

Suministro de agua fría

Retorno de agua caliente Agua hacia el HRSG

Figura 57. Esquema de un condensador de contacto directo La Figura 58 muestra una comparación de los tipos de condensadores descritos anteriormente y conectados a la turbina de vapor, como se puede observar, para las mismas condiciones de diseño, el condensador enfriado por aire requiere mayor espacio de implantación.

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Condensador de superficie

Condensador de contacto directo

Condensador enfriado por aire

Figura 58. Comparación de las vistas 3D para los tipos de condensador conectados a una turbina de vapor con descarga axial [17] La presión óptima de operación del condensador debe determinarse según una evaluación económica, tomando en cuenta la potencia entregada por la turbina, la eficiencia del ciclo, y el costo capital. Para los condensadores de superficie, HEI, en su publicación Standards for Steam Surface Condensers, recomienda unas presiones mínimas de operación para distintas temperaturas de entrada del agua de enfriamiento, que se pueden observar en la Figura Y. Adicionalmente, se recomienda que la presión de operación del condensador sea tal que no permita que la diferencia de temperatura terminal sea menor a 2,8°C (5 °F).

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a)

b)

a) Límites de presión absoluta para servicio de turbina de vapor. b) Límites de presión absoluta para servicio de turbina de vapor según contenido de oxígeno. Figura 59. Límites inferiores de presión para condensadores de superficie [7]

B)

Torre de enfriamiento (Cooling tower). Los sistemas de enfriamiento de recirculación abierta o cerrada requieren torres u otros equipos para disminuir la temperatura del agua de enfriamiento cuando sale del condensador.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR El INEDON “Guía para la Especificación de las Torres de Enfriamiento Evaporativas de Tiro Mecánico”, N° 903-HM120-P09-GUD-076, contiene información adicional sobre ese equipo y otros tipos de torre de enfriamiento. C)

Bombas de agua de enfriamiento

(Cooling water pumps).

Son las bombas que mueven el agua de enfriamiento desde la fuente, a través del condensador y de retorno a la fuente. D)

Unidad de extracción de aire o Unidad de vacío

(Air extraction or vacuum unit).

El oxígeno, contenido en el aire que puede estar presente en el agua de alimentación del ciclo de vapor, es altamente corrosivo. El aire puede provenir del Sistema de Agua Desmineralizada o entrar al Sistema de Enfriamiento del Ciclo de Vapor debido a su baja presión de operación, ambas fomentan el ingreso de aire desde la atmósfera (succión del aire por efecto de vacío en fugas). La Unidad de Extracción de Aire (y de gases no condensables) puede estar compuesta de un bomba de vacío mecánica, de un eyector de aire con vapor o una combinación de ambos (hibrido). La Unidad de extracción de aire normalmente comprende una unidad en operación continua, para la remoción de incondensables en operación normal, y otra de mayor capacidad usada sólo para arranque. Los requerimientos de extracción de aire mínimos se calculan en base a procedimientos establecidos por el HEI, en su publicación Standards for Steam Surface Condensers. Las capacidades mínimas de extracción para el eyector de arranque (hogger), según recomendaciones del HEI, en su publicación Standards for Steam Surface Condensers, se muestran en el Cuadro 30 para las siguientes condiciones: evacuación del aire desde 1 atmósfera hasta 254 mm Hg (10 in Hg) en 30 minutos, con un volumen estimado de condensador y turbina de baja presión de 1,6 m3/ TM/h de vapor condensado (26 ft3/ 1.000 lb/h de vapor condensado).

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 30. Capacidades del eyector de arranque (hogger) [7] Vapor total condensado, kg/h (lb/h) 0 – 45.359 (0 – 100.000) 45.360 – 113.398 (100.001 – 250.000) 113.399 – 226.796 (250.001 – 500.000) 226.797 – 453.592 (500.001 – 1.000.000) 453.593 – 907.185 (1.000.001 – 2.000.000) 907.186 – 1.360.777 (2.000.001 – 3.000.000) 1.360.778 – 1.814.369 (3.000.001 – 4.000.000) 1.814.370 – 2.267.962 (4.000.001 – 5.000.000) 2.267.963 – 2.721.554 (5.000.001 – 6.000.000) 2.721.555 – 3.175.147 (6.000.001 – 7.000.000) 3.175.148 – 3.628.739 (7.000.001 – 8.000.000) 3.628.740 – 4.082.331 (8.000.001 – 9.000.000) 4.082.332 – 4.535.924 (9.000.001 – 10.000.000)

Capacidad del eyector de arranque, N m3/h (SCFM)1 79 (50) 158 (100) 315 (200) 552 (350) 1.104 (700) 1.656 (1.050) 2.208 (1.400) 2.760 (1.750) 3.312 (2.100) 3.864 (2.450) 4.416 (2.800) 4.968 (3.150) 5.520 (3.500)

Notas: 1. N m3/h a 1 atm y 0 °C, SCFM a 1 atm y 70°F

14.5.2.

Información relevante para la simulación en STEAM PRO Dónde conseguir información adicional en STEAM PRO y este INEDON:

Información

Navegación en STEAM PRO

Sección de este INEDON

Datos de entrada

 Criterios de planta.  Sist. enfriamiento.

 17.7  17.8

Salidas de Texto

 Sistema.  Sist. enfriamiento.

 18.1.1  18.1.5

Salidas Gráficas

 Sistema.  Sist. enfriamiento.

 18.2.1  18.2.5

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 14.5.3.

14.6.

Posibles evaluaciones requeridas en la IC •

Tipo del sistema de enfriamiento, generalmente el flujo directo vs la torre evaporativa vs la torre seca.

•

Tipo de condensador.

•

Presión óptima de operación del condensador.

Sistemas de Control de Emisiones Los sistemas de control de emisiones involucran todos aquellos equipos o procesos cuyo objetivo es reducir las emisiones de contaminantes que requieren control en las plantas de generación de potencia: monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOX), partículas sólidas y óxidos de azufre (SOX).

14.6.1.

Contaminantes Los contaminantes a se detallan a continuación. A)

Monóxido de carbono, CO: El monóxido de carbono es un subproducto de la combustión, que se genera cuando el carbono en el combustible no logra oxidarse completamente. Desde el punto de vista humano y animal, es un gas altamente tóxico, y desde el punto de vista térmico, representa una pérdida de energía debido a combustión incompleta.

B)

Óxidos de nitrógeno, NOX: El término NOX es usado para englobar el monóxido de nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2), que son considerados gases de efecto invernadero. La mayor cantidad de NOX es producida por la conversión de nitrógeno presente en los combustibles como el carbón. Los NOx se generan cuando hay zonas de alta temperatura, ricas en oxígeno, en la caldera.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR C)

Óxidos de azufre, SOX: El término SOX es usado para englobar el monóxido de azufre (SO), el dióxido de azufre (SO2) y el trióxido de azufre (SO3), los cuales son producidos en la quema de combustibles que contienen azufre, lo cual es típico en el carbón y en mayor medida en algunos tipos de coque de petróleo. Para el medio ambiente, el daño más grave se presenta al transformarse el SO2 en lluvia ácida.

D)

Partículas sólidas: Las partículas sólidas comprenden la ceniza suelta producida por la combustión del carbón y/o coque, que es arrastrada por los gases de escape. Las partículas por debajo de 10 y 2,5 micrones representan problemas para la salud, puesto que pueden generar problemas respiratorios en la población. Las tecnologías usadas en las plantas de generación de potencia son la precipitación electrostática (ESP, por sus siglas en inglés) y los filtros de manga.

14.6.2.

Control de CO La generación de CO está directamente relacionada con el diseño de la caldera y la relación aire / combustible. Las condiciones de operación de la caldera se fijan de manera que exista suficiente aire en exceso para garantizar la combustión completa, minimizando las emisiones de CO.

14.6.3.

Control de NOX La reducción de las emisiones de NOX se logra mediante dos métodos: el control en la combustión y el control post-combustión. El control en la combustión se refiere a tecnologías empleadas en la caldera para reducir la cantidad de aire en exceso y/o eliminar la presencia de zonas calientes en la caldera. Esto se logra mediante quemadores bajos en NOX (lowNOX) en calderas de carbón pulverizado. En las calderas de lecho fluidizado circulante atmosférico, el diseño mismo de la caldera permite que la temperatura en el horno se mantenga lo suficientemente baja para evitar la formación de óxidos de nitrógeno.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR El control post-combustión involucra la reducción de los óxidos de nitrógeno generados durante la combustión, mediante la adición de un reactante al gas de escape. La tecnología más común para control post-combustión de NOX es la reducción catalítica selectiva (SCR, por sus siglas en inglés); y también existe la reducción no catalítica selectiva (SNCR, por sus siglas en inglés). En el Cuadro 31 se muestra una comparación entre los métodos de control de NOX. Cuadro 31. Tecnologías de Control de NOX Método de Control Tecnología Aplicabilidad

Configuración de la tecnología

En combustión

Post-combustión

Quemadores low-NOX Calderas de carbón pulverizado

Combustión en lecho fluidizado Calderas de lecho fluidizado circulante atmosférico

Quemadores especiales con bajo aire en exceso, evitando zonas calientes en el horno

Lecho fluidizado con solvente y material inerte que regula la temperatura máxima del horno

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SCR Todo tipo de calderas

Se inyecta amoníaco que reacciona con los NOX sobre un lecho catalítico agregado en el ducto de gases de escape para formar N2 y agua. Figura 60.

SNCR Todo tipo de calderas. Recomendado para calderas de lecho fluidizado circulante atmosférico Amoníaco o urea se inyectan en las zonas calientes del horno, sin requerir catalizador. Requiere de buena dispersión del reactivo y temperaturas constantes, óptimamente en calderas de lecho fluidizado circulante atmosférico INEDON

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 31. Tecnologías de Control de NOX Método de Control Emisiones de NOX

Eficiencia en reducción de NOX1

En combustión

Post-combustión

>0,09 kg/MMkJ (>0,2 lb/MMBtu)

>0,09 kg/MMkJ (>0,2 lb/MMBtu)

>0,02 kg/MMkJ (0,05 lb/MMBtu)

20 – 60%, dependiendo del fabricante y el combustible

Hasta 50%, dependiendo del combustible. Se puede incrementar hasta 70% con SNCR

Entre 80 y 95%

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>0,04 kg/MMkJ (0,09 lb/MMBtu) en calderas de lecho fluidizado circulante atmosférico Entre 20 y 80% para calderas de carbón pulverizado. Entre 50 y 70% en calderas de lecho fluidizado circulante atmosférico

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 31. Tecnologías de Control de NOX Método de Control Parámetros operacionales típicos

Ventajas

En combustión

Post-combustión

Bajo aire en exceso (dependiendo del fabricante, puede llegar a 15 ó 20%)

Vea la sección 14.2.1

Se puede utilizar en calderas nuevas, o en modificaciones a calderas existentes

Dependiendo del combustible, puede eliminar la necesidad de controles de NOX postcombustión

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Relación molar Relación molar NH3:NOX ~1,0 NH3:NOX entre Pérdidas de 3,0 y 4,0. amoníaco entre Temperatura 2-10 ppm entre 816 y Temperatura 1.204 °C entre 299 y 371 (1.500 y 2.200 °C (570 y 700 °F). °F) Pérdida de tiro Pérdida de tiro 10 micrones Temperatura de operación, °C (°F) Consumo de energía (% de generación eléctrica) Pérdida de presión, kPa (psi) Ventajas

Desventajas

Separador electrostático (ESP) Todo tipo de calderas. Recomendado para potencias > 50 MW

Filtro de mangas Todo tipo de calderas. Recomendado para potencias < 50 MW

> 96,5 > 98,3 > 99,95 > 99,95 ESP frío: 80–200 (176–392) ESP caliente: 300–450 (572–842) 0,1 a 1,8 %

> 99,6 > 99,6 > 99,9 > 99,95 Poliéster: 150 (302) Fibra de vidrio: 260 (500)

0,15 – 0,3 (0,02 – 0,04)

0,5 – 2 (0,07 – 0,3)

Bajo costo de operación, excepto a altas tasas de remoción. Puede no ser eficiente cuando las partículas tienen una alta resistividad eléctrica

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0,2 a 3%

Alta eficiencia de remoción

La vida útil de las bolsas disminuye con el incremento del contenido de azufre en el carbón y de la velocidad de filtración Fallas anuales promedio del 1% de las bolsas instaladas para las bolsas individuales Altas pérdidas de presión

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR 14.6.6.

Sistema continuo de monitoreo de emisiones El sistema continuo de monitoreo de emisiones (CEMS, por sus siglas en inglés), tiene como objetivo registrar las emisiones atmosféricas de la central para su reporte, de acuerdo a las leyes ambientales del país donde se ubica la planta. El monitoreo continuo de emisiones se puede hacer in situ, tomando las mediciones directamente en la estaca, o en forma extractiva, recolectando una muestra del ducto del gas de escape y analizándola en una ubicación remota. Los sistemas extractivos a su vez se clasifican en sistemas extractivo húmedo, extractivo seco y extractivo en dilución. Las ventajas y desventajas de cada tipo de CEMS se muestran en el Cuadro 34.

Cuadro 34. Comparación entre tipos de CEMS [7] Tecnología In situ

Extractiva en seco

Extractiva húmeda

Ventajas Tecnología probada Mide en base húmeda Análisis a tiempo real No hay líneas de muestras

Tecnología probada Soporte amplio del fabricante

Tecnología probada Mide en base húmeda Bajo mantenimiento

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Desventajas Soporte limitado del fabricante Ubicación vulnerable de equipos Poca accesibilidad a equipos electrónicos en ducto o estaca Afectado por particulados o gotas en el gas de escape Limitado para mediciones a baja concentración No mide humedad Potencial condensación de ácido en aplicaciones altas en azufre El sistema de muestreo requiere de alto mantenimiento y calentamiento La vida del filtro se reduce por altas tasas de muestreo Analizador y líneas de muestreo con calentamiento Interferencia de humedad con mediciones de NOX. Soporte limitado del fabricante La vida del filtro se reduce por altas tasas de muestreo

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 34. Comparación entre tipos de CEMS [7] Tecnología Extractiva en dilución

14.6.7.

Ventajas Tecnología probada Mide en base húmeda Bajo mantenimiento No requiere de líneas traceadas Prolonga la vida del filtro con bajas tasas de muestreo Amplio soporte del fabricante

Desventajas Requiere de corrección por cambios en temperatura y presión Requiere de aire limpio para mediciones precisas Requiere protección contra el congelamiento

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Información

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Sección de este INEDON

Datos de entrada

 Medio ambiente

 17.15

Salidas de Texto

 Medio ambiente

 18.1.6

Salidas Gráficas

 Control de emisiones

 18.2.6

14.6.8.

14.7.

Posibles evaluaciones requeridas en la IC •

Selección de tecnología para control de NOX.

•

Selección de tecnología para control de SOX.

•

Selección de tecnología para control de particulados.

•

Selección de tecnología para monitoreo continuo de emisiones.

Chimenea Es el equipo final en el flujo de los gases de escape, su principal función es dispersar dichos gases en la atmosfera.

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Sistemas Auxiliares Los Sistemas Auxiliares (secundarios, de soporte o balance of plant, BOP, en inglés) son aquellos que complementan a los Sistemas Principales. Las designaciones de los sistemas y sus elementos pueden variar en un Proyecto cuando el Cliente tiene establecidos los nombres o cuando el Proyecto se adecuado a la información de los fabricantes. La existencia o no de algún sistema depende de los requerimientos de la Central, las calidades de los insumos o productos, el alcance de inelectra en el Proyecto, etc. Cuando se considera que el Sistema Auxiliar pudiese no ser requerido, es indicado en este INEDON. También existe la posibilidad que algunos de los elementos descritos para un sistema no sean requeridos. El personal del Proyecto es exhortado a determinar cuáles sistemas son requeridos y cuáles elementos en dichos sistemas. Todos los sistemas auxiliares están también conformados por las líneas de interconexión, equipos eléctricos y sistemas de control requeridos para su operación. Las descripciones de los Sistemas Auxiliares, típicamente desarrollados por la Disciplina de Procesos, contienen diagramas de bloques con los elementos principales.

14.8.1.

Sistema de Combustible Gaseoso Función: Recibir, regular y acondicionar el gas para que este cumpla con las especificaciones requeridas por el fabricante de la caldera, si se usa como combustible para los pilotos. Información requerida en las Bases de Diseño de la IC: Incluye la composición. Las condiciones de entrega en el límite de batería. Las condiciones de entrega a la caldera y el flujo requerido pueden estar disponibles o son determinadas durante la IC. Opción: El alcance de la IC puede incluir la evaluación de combustibles gaseosos (disponibilidad, fuentes de suministro, etc.), en este caso la composición es incorporada a las Bases de Diseño durante la ejecución del Proyecto.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Elementos principales: •

La medición de flujo en la línea de suministro externa.

•

La regulación de la presión.

•

Unidad de Compresión de Combustible Gaseoso, requerido si el combustible no tiene la presión requerida para el suministro hacia la caldera.

•

Filtro de Partículas, para la remoción de partículas líquidas o condensadas de hidrocarburos pesados por medio de un separador con filtros coalescentes. En muchos casos el separador es siempre instalado por precaución.

•

Calentador de Combustible, requerido si el combustible no tiene la temperatura adecuada para el suministro hacia la caldera.

Diagrama de bloques:

Fuente de suministro

Instrumento de Medición y Regulación

Unidad de Compresión de Combustible (b)

Filtro de Partículas (a)

Calentador (b)

Caldera (pilotos)

(a) Recomendado (b) Revise si es requerido

LHV

Figura 66. Diagrama de bloques del Sistema de Combustible Gaseoso Información adicional: Una designación como “Sistema de Gas Combustible” no es adecuada por la diversidad de combustibles gaseosos que pueden ser usados además del denominado como gas combustible en las instalaciones de procesamiento de hidrocarburos.

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Posibles evaluaciones requeridas en la IC: •

14.8.2.

Disponibilidad de los combustibles gaseosos.

Sistema de Combustible Líquido Función: Almacenar, acondicionar y suministrar uno o más combustibles líquidos para los pilotos de la caldera, los generadores de emergencia y de arranque en negro, y los equipos con motores de combustión interna (por ejemplo, las bombas con motor diesel para el Sistema de Detección y Extinción de Incendio). Información requerida en las Bases de Diseño de la IC: Incluye la composición o el tipo del combustible líquido. Las condiciones de entrega a la caldera y el flujo requerido pueden estar disponibles o son determinadas durante la IC. Opción: El alcance de la IC puede incluir la evaluación de combustibles líquidos (disponibilidad, fuentes de suministro, etc.), en este caso la composición sería incorporada a las Bases de Diseño durante la ejecución del Proyecto. Elementos principales: •

Medición del suministro.

•

Tanque de Almacenamiento acondicionar).

•

Filtro de Combustible Líquido, es requerido si la calidad del combustible líquido requiere filtrado.

•

Bombas de Centrifugado de Combustible Líquido.

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de

Combustible

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Líquido

(antes

de

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Centrifugadora de Combustible Líquido, es requerida si la calidad del combustible líquido necesita remoción de partículas finas antes de ser suministrado a la caldera.

•

Tanque de Combustible Líquido Filtrado.

•

Bomba de Combustible Líquido Filtrado.

Diagrama de bloques:

Fuente de suministro

Elemento de Medición

Tanque de Almto. de Combustible Líquido

Filtro (a)

Bombas de Centrifugado

Centrifugadora (a)

Tanque de Almto. de Combustible Líquido Filtrado

Bombas de Combustible Líquido Filtrado

Caldera (pilotos) y otros usuarios

(a) Recomendado

LHV

Figura 67. Diagrama de bloques del Sistema de Combustible Líquido

Posibles evaluaciones requeridas en la IC: •

Disponibilidad de los combustibles líquidos.

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14.8.3.

Sistema de Condensados de Hidrocarburo Función: Recolectar y almacenar condensados de hidrocarburo, que se pudiesen generar en el Sistema de Combustible Gaseoso, para su disposición. Elementos principales: •

Red de recolección, cuando existen varios equipos que generan condensados de hidrocarburos.

•

Recipiente Recolector de Condensados, el cual puede tener la salida de gas conectada al Sistema de Alivio de Presión y la disposición final de los condensados es realizada con una cisterna.

Diagrama de bloques:

Sistema de Alivio de Presión Salida de gas

Fuentes de los condensados

Red de recolección de condensados (a)

Recipiente Recolector de Condensados Salida de líquido

(a) Revise si es requerido

Cisterna para transporte de los líquidos

Figura 68. Diagrama de bloques del Sistema de Condensados de Hidrocarburo Información adicional: En los Proyectos de procesamiento de hidrocarburos, es llamado “Sistema de Drenaje Cerrado”.

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Posible evaluación requerida en la IC: Generalmente no existe algún tipo de evaluación significativa para el diseño de la Central. 14.8.4.

Sistema de Suministro y Retorno de Agua Función: Suministrar el agua hacia la Central y su retorno hacia la fuente, por ejemplo pozos subterráneos, ríos, lagos, mares y redes de suministro. Información requerida en las Bases de Diseño de la IC: Incluye la calidad y fuente del agua de suministro y las condiciones para el retorno. Las condiciones y el flujo requerido son generalmente determinados durante la IC. Opción: En algunos casos también es requerido determinar la fuente más idónea para el suministro de la Central. Elementos principales: •

Bombas de Suministro hacia la Central. Casi todas las fuentes requieren de bombas para transportar el agua. En el caso de un sistema de enfriamiento con flujo directo, es posible que las bombas de enfriamiento y las de suministro sean las mismas.

•

Tanque de Almacenamiento, cuando parte del agua es usada por otros sistemas.

•

Bombas de distribución para los diferentes usuarios.

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Diagrama de bloques:

Fuente de Agua

Toma de Agua

Filtro (a) y/o Sedimentador (b)

Bombas de Suministro

Dosificación de Químicos (b)

Usuarios de agua de suministro

Descarga de Agua

Fuente de Agua

(a) Recomendado (b) Revise si es requerido

Figura 69. Diagrama de bloques del Sistema de Suministro y Retorno de Agua

Información adicional: •

La fuente que se use en el Proyecto dependerá de su disponibilidad y el requerimiento de agua para la Central, también existe la posibilidad de usar la combinación de varias fuentes.

•

Las Centrales que usan agua proveniente de ríos, lagos y mares pueden requerir del diseño y construcción de la toma y descarga de agua (Figura 96).

•

El agua usada en estos sistemas requiere generalmente un tratamiento simple como son la inyección de biocidas para evitar el crecimiento de fauna y flora en los equipos y líneas del sistema de enfriamiento, y si el contenido de sólidos es alto, también una clarificación para evitar la sedimentación de dichos sólidos.

•

En varios Proyectos de generación de potencia y procesamiento de hidrocarburos, el agua de suministro es llamada agua cruda o bruta cuando no es pasada por algún proceso de tratamiento.

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Posibles evaluaciones requeridas en la IC:

14.8.5.

•

Disponibilidad de las fuentes de agua.

•

Efecto de las diferentes fuentes en el desempeño y costo de la Central.

•

Ubicación de la toma y descarga de agua.

•

Proceso de tratamiento para el agua (si es requerido).

Sistema de Agua Industrial Función: Producir, almacenar y suministrar agua con la calidad requerida para ser enviada al Sistema de Agua Desmineralizada, Sistema de Agua Potable, Sistema de Detección y Extinción de Incendio; enfriamiento de equipos como bombas, turbinas y unidades de lubricación, y para operaciones de mantenimiento. Información requerida en las Bases de Diseño de la IC: Incluye la calidad requerida para el agua industrial. Las condiciones y el flujo requerido son generalmente determinados durante la IC. Elementos principales: Los elementos del sistema difieren del proceso usado para tratar el agua y la calidad de agua que alimenta al sistema, pero se indican algunos a continuación: •

Tanque de Almacenamiento de Agua Cruda, puede ser requerido para suministrar un flujo constante hacia la Unidad de Tratamiento.

•

Bombas del Tanque de Almacenamiento de Agua Cruda (solo si el tanque es requerido).

•

Unidad de Tratamiento.

•

Unidades de Dosificación de Químicos, incluye bombas, tanques, mezcladores, etc.

•

Tanque Almacenamiento de Agua Industrial.

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Bombas de Suministro de Agua Industrial.

Diagrama de bloques: Tanque de Almacenamiento de Agua Cruda (a)

Fuente de Agua

Bombas (a)

Dosificación de Químicos (a)

Unidad de Tratamiento (a)

Agua de Desecho (a)

Tanque de Almacenamiento de Agua Industrial

Usuarios de agua industrial

Bombas

(a) Revise si es requerido

Figura 70. Diagrama de bloques del Sistema de Agua Industrial Información adicional: El sistema puede no ser necesario si existe una fuente con la calidad requerida, por ejemplo el suministro desde una red de agua tratada. Cuadro 35. Calidad recomendada para el agua industrial (si se desconoce algún requerimiento específico) Parámetro [unidad]

Valor

pH [ - ]

7,5

Alcalinidad total [ppm como CaCO3]

100

Turbidez [NTU]

0,5

Sólidos suspendidos totales [mg/L]

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GUÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA CON CICLO DE VAPOR Cuadro 35. Calidad recomendada para el agua industrial (si se desconoce algún requerimiento específico) Parámetro [unidad]

Valor

Sólidos disueltos totales [mg/L]

140

Dureza Ca [mg CaCO3]

110

Dureza Total [mg CaCO3]

120

Cloruros [mg/L ión]

25

Hierro Total [mg/L ión]

0,1

Cloruro residual [mg/L ión]

0,1

Conductividad [μS/cm]

300

Sulfatos [mg/L ión]

24

Calcio [mg/L ión]

50

Magnesio [mg/L ión]

4,0

Silicio [mg/L ión]

8,0

Posibles evaluaciones requeridas en la IC:

14.8.6.

•

Disponibilidad de una fuente con calidad de agua de industrial para minimizar costos, al no requerir tratamiento.

•

Procesos de tratamiento (si es requerido).

Sistema de Agua Desmineralizada Función: Producir, almacenar y suministrar agua con la calidad requerida para ser usada en la reposición del agua de alimentación del ciclo de vapor. Información requerida en las Bases de Diseño de la IC: Incluye la calidad requerida para el agua desmineralizada. Las condiciones y el flujo requerido son generalmente determinados durante la IC.

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Elementos principales: Los elementos del sistema difieren del proceso usado para desmineralizar el agua y la calidad de agua que alimenta al sistema, pero se indican algunos a continuación: •

Tanque de Almacenamiento de Agua Cruda, puede ser requerido para suministrar un flujo constante hacia la Unidad de Tratamiento. Si la fuente es agua industrial, el Tanque de Almacenamiento de Agua Industrial hace las veces de tanque de agua cruda.

•

Bombas del Tanque de Almacenamiento de Agua Cruda (solo si el tanque es requerido).

•

Unidad de Desmineralización.

•

Unidades de Dosificación de Químicos, incluye bombas, tanques, mezcladores, etc.

•

Tanque de Agua de Desmineralizada.

•

Bombas de Suministro de Agua Desmineralizada.

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Diagrama de bloques:

Tanque de Almacenamiento de Agua Cruda (b)

Fuente de Agua

Bombas (b)

Dosificación de Químicos

Unidad de Tratamiento

Tanque de Almto. de Agua Desmineralizada

Agua de Desecho (a) n/a (b) Revise si es requerido

Bombas

Usuarios de agua desmineralizada

μS/cm

Figura 71. Diagrama de bloques del Sistema de Agua Desmineralizada Información adicional: El Cuadro 36 muestra la calidad recomendada para el agua desmineralizada cuando no se dispone de un requerimiento específico, el cual varía según el uso que tendrá el agua y las presiones del ciclo de vapor. Los valores del cuadro corresponden con los límites de agua de alimentación para calderas tubulares del ASME y son convenientes para la especificación de la unidad de tratamiento en una IC. Posible evaluación requerida en la IC: Procesos de tratamiento.

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Oxígeno disuelto [ppm O2]

10 349 kPa a 13 790 kPa (1501 psig a 2000 psig)

6902 kPa a 10 342 kPa (1001 psig a 1500 psig)

6212 kPa a 6895 kPa (901 psig a 1000 psig)

5178 kPa a 6205 kPa (751 psig a 900 psig)

4144 kPa a 5171 kPa (601 psig a 750 psig)

3110 kPa a 4137 kPa (451 psig a 600 psig)

2075 kPa a 3103 kPa (301 psig a 450 psig)

Parámetro [unidad]

0 kPa a 2068 kPa (0 psig a 300 psig)

Cuadro 36. Calidad del agua desmineralizada (si se desconoce algún requerimiento específico).

< 0.007 < 0.007 < 0.007 < 0.007 < 0.007 < 0.007 < 0.007 < 0.007

Hierro total [ppm Fe]

≤ 0.1

≤ 0.05

≤ 0.03

≤ 0.025

≤ 0.02

≤ 0.02

≤ 0.01

Cobre total [ppm Cu]

≤ 0.05

≤ 0.025

≤ 0.02

≤ 0.02

≤ 0.015

≤ 0.01

≤ 0.001 ≤ 0.001

Dureza total [ppm CaCO3]

≤ 0.03

≤ 0.03

≤ 0.02

≤ 0.02

≤ 0.1

≤ 0.05

ND

ND

pH [ - ] a 25 °C (77 °F)

8.3 a 10.0

8.3 a 10.0

8.3 a 10.0

8.3 a 10.0

8.3 a 10.0

8.3 a 9.6

8.3 a 9.6

8.3 a 9.6

Carbono orgánico total no volátil [ppm O2]