Centrales Termoelectricas

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

CENTRALES TERMOELECTRICAS  Y PLANTAS DE COGENERACION

SALOME  G GONZALES  C CHAVEZ

1

Dr. Salome Gonzáles Chávez

3 3.1

CENTRALES TERMOELECTRICAS TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA DEMANDA ELECTRICA NACIONAL INFRAESTRUCTURA INFRAESTRUCTUR A DE GENERACION TERMOELÉCTRICA TERMOELÉCTRI CA

Entre las Centrales Termoeléctricas de mayor representación en cuanto a su capacidad de generación, se encuentran: Chilca, Kallpa, Fenix, Santo Domingo de los Olleros (Termochilca), Ventanilla, Santa Rosa, Aguaytía. A continuación se muestran las características técnicas de cada una de estas Plantas Termoeléctricas. Termoeléctricas. CENTRAL

C.T. CHILCA 1 TG11 + TG21 + TV

TG12 + TG21 + TV

TG11 + TG12 + TG21 + TV

SIEMEN S / GE

SIEMEN S / GE

SIEMENS / GE

MODO DE OPERACIÓN

TG11

TG12

TG21

TV

TG11 + TG12 + TV

Fabricante

SIEME NS

SIEME NS

SIEMEN S

GE

SIEMENS / GE

Modelo

SGT64000F

SGT64000F

SGT65000F

D11 270T818

800903

GT37824 0

170.2

194.1

278.17

560.00

560.00

560.00

811.14

180

180

200

292.00

-

-

-

-

GN

GN

GN

38.9

38.3

36.8

55.4

55.4

55.4

56.0

TG2 & TG3 + TV

TG1 & TG3 + TV

TG1 & TG2 & TG3 + TV

Serie Potencia Efectiva Potencia Nominal Combustible Rendimiento

MW MW

%

80090 1 171. 4

CENTRAL

C.T. Kallpa

MODO DE OPERACIÓN

TG1

TG2

TG3

TV

TG1 & TG2 + TV

Fabricante

Sieme ns

Siemen s

Siemens

GE

Siemens / GE

Siemens / GE

Siemens / GE

Siemens / GE

SGT65000F D2 37A81 54

SGT65000FD 3 GT3782 42

GT37823 6

190

194

198

293

564

576

570

857

GN

GN

GN

36.9

37.2

37.5

60%

60%

60%

60%

Modelo Serie Potencia Efectiva Combustible Combust ible

MW

Rendimiento

%

SGT65000FD3

2

Dr. Salome Gonzáles Chávez

3 3.1

CENTRALES TERMOELECTRICAS TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA DEMANDA ELECTRICA NACIONAL INFRAESTRUCTURA INFRAESTRUCTUR A DE GENERACION TERMOELÉCTRICA TERMOELÉCTRI CA

Entre las Centrales Termoeléctricas de mayor representación en cuanto a su capacidad de generación, se encuentran: Chilca, Kallpa, Fenix, Santo Domingo de los Olleros (Termochilca), Ventanilla, Santa Rosa, Aguaytía. A continuación se muestran las características técnicas de cada una de estas Plantas Termoeléctricas. Termoeléctricas. CENTRAL

C.T. CHILCA 1 TG11 + TG21 + TV

TG12 + TG21 + TV

TG11 + TG12 + TG21 + TV

SIEMEN S / GE

SIEMEN S / GE

SIEMENS / GE

MODO DE OPERACIÓN

TG11

TG12

TG21

TV

TG11 + TG12 + TV

Fabricante

SIEME NS

SIEME NS

SIEMEN S

GE

SIEMENS / GE

Modelo

SGT64000F

SGT64000F

SGT65000F

D11 270T818

800903

GT37824 0

170.2

194.1

278.17

560.00

560.00

560.00

811.14

180

180

200

292.00

-

-

-

-

GN

GN

GN

38.9

38.3

36.8

55.4

55.4

55.4

56.0

TG2 & TG3 + TV

TG1 & TG3 + TV

TG1 & TG2 & TG3 + TV

Serie Potencia Efectiva Potencia Nominal Combustible Rendimiento

MW MW

%

80090 1 171. 4

CENTRAL

C.T. Kallpa

MODO DE OPERACIÓN

TG1

TG2

TG3

TV

TG1 & TG2 + TV

Fabricante

Sieme ns

Siemen s

Siemens

GE

Siemens / GE

Siemens / GE

Siemens / GE

Siemens / GE

SGT65000F D2 37A81 54

SGT65000FD 3 GT3782 42

GT37823 6

190

194

198

293

564

576

570

857

GN

GN

GN

36.9

37.2

37.5

60%

60%

60%

60%

Modelo Serie Potencia Efectiva Combustible Combust ible

MW

Rendimiento

%

SGT65000FD3

2

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

CENTRAL

C.T. Fenix

MODO DE OPERACIÓN

TG11

TG12

TV10

Fabricant e

GE

GE

GE

Modelo

7FA.04

7FA.04

D11

Serie

298,077

298,078

270T530

193.4

193.4

192

GN

GN

Potencia Efectiva Combustible Rendimiento

MW kWh/M PC

TG11 + TV10

TG12 + TV10

288.2

TG11 & TG12 + TV10

568.2

155

158

3

Dr. Salome Gonzáles Chávez

Item 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Barras-NCP ABANCAY138 ARICOTA66 AYAVIRI138 AZANGARO138 BALNEARIO60 BARSI60 BOTIFLACA138 C.ILO138 CACHIMAYO138 CAJ NOR220 CALLAHUAN220 CALLAHUANC60 CALLALI138 CANTERA220 CARHUAMAYO50 CARHUAQUE220 CERROVERD138 CERVER CHAVARR60 1 CHAVARRIA220 CHICLAYO220 CHILCA220 CHILCA60 CHILCAN220 CHILCAN500 CHIMBOTE138 COMBAPATA138 CONDORCOC44 CONOCOCHA220 COTARUSE220 DESIERTO220 DOLORESPA138 EXCELSIOR50 GUADALUPE60 HUACAVELI220 HUACHIPA60

TIPO BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA

Dr. Salome Gonzáles Chávez

Item 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Barras-NCP ABANCAY138 ARICOTA66 AYAVIRI138 AZANGARO138 BALNEARIO60 BARSI60 BOTIFLACA138 C.ILO138 CACHIMAYO138 CAJ NOR220 CALLAHUAN220 CALLAHUANC60 CALLALI138 CANTERA220 CARHUAMAYO50 CARHUAQUE220 CERROVERD138 CERVER CHAVARR60 1 CHAVARRIA220 CHICLAYO220 CHILCA220 CHILCA60 CHILCAN220 CHILCAN500 CHIMBOTE138 COMBAPATA138 CONDORCOC44 CONOCOCHA220 COTARUSE220 DESIERTO220 DOLORESPA138 EXCELSIOR50 GUADALUPE60 HUACAVELI220 HUACHIPA60 HUACHO220 HUALLANCA138 HUANUCO138 HUAYUCACH220 HUINCO220 ICA220 ILO2 220 ILOSPCC138 INDEPENDE220 INDEPENDE60 JULIACA138 KYM AYLL138 LHEROES66 LLNINA220 LPRADS160 LPRADS260 LURIN60 MACCHUPIC138 MACHALA MANTARO220 MARCONA220 MILLSITE138 MIRON60 MOLLENDO138 MOQUEGUA220 MOYOPAMPA60 NANA60 NARANJ60 OQUEND60 OROYA50 PACHAC60 PARAGSHA138 PARAGSHA50 PARAMONUE220 PEX 138 PIURA60 POMACOCHA220 PUCALLPA60 PUENTE60 PUNO138 PUNO220 PZINC50 QUENCORO138

TIPO BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA

5

Dr. Salome Gonzáles Chávez

80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

REPARTICI138 RZINC220 SALAMANCA60 SAN JUAN60 SANCAMIL500 SANTAROSA60 SANTUARI138 SBARTO60 SOCABAYA138 SOCABAYA220 TALARA13KV TINGOMARI138 TINTAYA138 TINTAYA220 TOMASIRI66 TOQUEPALA138 TRUJILLO138 VENTANILL220 VIZCARRA220 VSALV60 YUNCAN138 ZAPALL60 ZORRITOS220 AGUAYTIA138 AGUAYTIA220 ARICOTA138 BALNEARIO220 BARSI220 CARABAYLL220 CARABAYLL500 CARHUAMAY138 CARHUAMAY220 CHAVARR60 2 CHILLON220 CHILLON60 CHIMBOTE500 CONDORCC138 GUADALUPE220 HUAMPANI60 HUARANGAL60 KYM AYLL220 LHEROES220 MOQUEGUA138 OROYA138 OROYA220 PACHACHAC220 PARAGSHA220 PIURA220 PLANICIE220 POMACOCH220A PUCALLPA138 SAN JUAN220 SANTAROSA220 TALARA220 TALARA220 T TINGOMARI220 TRUJILLO220 TRUJILLO500 YUNCAN220 ZAPALLAL220

BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA

6

Dr. Salome Gonzáles Chávez

3.2

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

FLUJO ENERGETICO NACIONAL Y EL EFECTO DE LA GENERACION ELECTRICA

El flujo energético de nuestro país viene representado por un diagrama de tipo Sankey, en valores anuales y en unidades comunes Terajulios (TJ). En éste se puede visualizar la evolución de los energéticos primarios, la transformación y el consumo sectorial nacional.  A continuación se presentan las estadísticas más representativas del balance energético nacional al 2012, en relación a la electricidad comparada por fuentes y por tipos de consumo:

Consumo Final de Energía por Fuentes Energéticas

Consumo Final de Energía por Sectores de Consumo

7

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Balance Energético Nacional 2012

8

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Evolución del consumo de energía-Sector Residencial y Comercial

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Evolución del consumo de energía-Sector Residencial y Comercial

Evolución del consumo de energía-Sector Minero Metalurgico

Evolución del consumo de energía-Sector Industria Manufacturera

9

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Evolución del consumo de energía-Sector Transporte

Evolución de las emisiones de CO 2 por sectores de consumo

10

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

4 CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN LA ELECCION DE MOTORES TERMICOS PARA GENERACION TERMOELECTRICA 4.1.

EL MOTOR TERMICO PARA GENERACION ELECTRICA

Una central termoeléctrica, denominada también planta de generación termoeléctrica o simplemente central térmica o planta térmica, lo conforma el conjunto de generación eléctrica desde el sistema de alimentación de combustible, hasta la producción de electricidad en bornes del sistema generador eléctrico. La máquina térmica o motor térmico es el elemento neurálgico de una central termoeléctrica, en donde la energía térmica del fluido caloportador se expande produciendo trabajo mecánico en su eje, desde donde es aprovechado por el generador eléctrico para producir electricidad.

4.2.

CLASIFICACION GENERAL

Los motores térmicos que accionan una central termoeléctrica, se pueden clasificar de la forma siguiente: a. Turbomáquinas térmicas. Existen dos grandes tipos:   

Turbina a gas. Conforma a una central turbogas: set turbogas Turbina a vapor. Conforma a una central turbovapor: set turbovapor Uso combinado de turbinas a gas y turbinas a vapor. Conforma a una central de ciclo combinado

b. Motores de combustión interna reciprocantes 



4.3.

Motores Diesel. Son motores de pistón que se alimenta de combustible Diesel Motores de gas. Son motores de pistón que se alimenta de combustible gas natural

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y TIPOS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA A GAS Es una turbomáquina motriz (rotodinámica) compuesta por un sistema rotórico, en el que los gases producto de la combustión se expanden e intercambian su momento de cantidad de movimiento, produciendo así potencia mecánica en su eje La turbina a gas está conformada por las siguientes partes, mostradas en la f igura:

11

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Esquema de componentes de una turbina a gas

Vista del ensamblaje de una turbina a gas

12

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Esquema de corte de una turbina a gas

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA A VAPOR Es una turbomáquina motriz (rotodinámica) compuesta por un sistema rotórico, en el que el vapor se expande e intercambia su momento de cantidad de movimiento, produciendo así potencia mecánica en su eje

La turbina de vapor está dividida por un determinado número de escalonamientos, el rotor está compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por cada escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al eje de la turbina.

Unión eje- alabes de rotor de una turbina de vapor

Identificación de un escalonamiento en de una turbina de vapor

13

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Ilustración de una turbina de vapor seccionada

TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR

Una forma de clasificación de las turbinas de vapor puede considerarse haciendo referencia al movimiento de la corriente de vapor dentro de cuerpo de la turbina. Según este criterio existen dos tipos: Radiales. La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la turbina Axiales. La circulación de vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina. 



Turbina de vapor radial o centrípeta 14

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Turbina de vapor axial, vista de un escalonamiento

PRINCIPIO DE UN MOTOR DIESEL Es una máquina motriz compuesta de un sistema cilindro-pistón, en el que los gases producto de la combustión se expanden produciendo un trabajo de desplazamiento lineal, convertido a rotativo bajo un sistema biela-manivela, produciendo así potencia mecánica en su eje

4.4.

Planta de generación Diesel de 10x10 MW CAMPO DE APLICACIÓN DEL TIPO DEL MOTOR TERMICO SEGÚN NIVELES DE POTENCIA Y RENDIMIENTOS 15

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Dependiendo de la potencia de requerimiento, la eficiencia de funcionamiento o la economía de combustible a diferentes condiciones de carga, cada motor primario tiene su campo de influencia, tal como se puede apreciar en las siguientes gráficas características de las diversas firmas fabricantes actuales:

Comparación de rendimientos por tipo de motor térmico, en función de la potencia de salida

Comparación del consumo específico de combustible por tipo de motor térmico y porcentaje de carga

COSTO DE GENERACION ELECTRICA

16

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

El costo de generación eléctrica, es uno de los parámetros fundamentales para determinar la conveniencia técnico-económica de instalación de un tipo de planta de generación eléctrica.  A manera de ejemplo, a continuación se presenta la estructura de costos de una central termoeléctrica Diesel actual de 3.6 MW.

Considerando los siguientes datos de entrada Precio del combustible (fuel pesado, con un poder calorífico de 42.700 kJ/kg)  Aceite lubricante

1.752 USD/tn

Piezas de desgaste en el periodo indicado

726.458 USD

Costos de operación y mantenimiento

583.940 USD

Consumo de fuel pesado

210 g/kw/h

Consumo de aceite lubricante

2,97 kg/hora

Horas de funcionamiento de la planta, anual

8.000 horas

Factor de carga, funcionamiento medio

90%

kWh producidos al año

28.800.000 kWh

155 USD/tn

Se tiene la siguiente tabla de resultados: Costos de lubricante

0.00144 USD/kWh

Costos de repuestos

0.00252 USD/kWh

Costos de operación y mantenimiento

0.00202 USD/kWh

Total costos de mantenimiento

0.00598 USD/kWh

Costos de combustible

0.03255 USD/kWh

Total costos de operación

0.03853 USD/kWh

Supuesto un costo de 2.800.000 USD para una planta de estas características, y su depreciación en 10 años Costos de la inversión Costos totales de operación, incluyendo la amortización de la planta

0.00972 USD/kWh

0.04825 USD/kWh

17

Dr. Salome Gonzáles Chávez

5

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

CICLOS TERMODINAMICOS REALES DE CENTRALES TERMOLECTRICAS

En la generación de electricidad a gran potencia, existen dos grandes tipos de ciclos termodinámicos reales (denominados ciclos de potencia), con sus arreglos correspondientes, que gobiernan la transformación de la energía térmica en electricidad: 



Ciclo Rankine y sus arreglos (regeneración o precalentamiento de agua de alimentación, recalentamiento y sobrecalentamiento de vapor) Ciclo Joule-Brayton abierto y sus arreglos (regeneración o calentamiento del aire a la salida del compresor y, recalentamiento intermedio de gases, inyección de vapor a la cámara de combustión)

El límite termodinámico para obtener la máxima eficiencia en cualquiera de estos arreglos, es el Ciclo de Carnot  Carnot 



1

T Frío 

T Caliente

En la figura siguiente se presenta una comparación entre el rendimiento de Carnot y los rendimientos de los diversos ciclos de potencia

Comparación de ciclos reales frente al límite Carnot 18

Dr. Salome Gonzáles Chávez

5.1.

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

CICLO TERMODINAMICO REAL DE CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR

Con el objetivo de transmitir el conocimiento teórico-práctico de las centrales termoeléctricas de vapor, se presenta estudios de caso de Centrales Termoeléctricas de vapor más importantes del Perú. En este sentido, a continuación se presenta el comportamiento termodinámico de la Central Termoeléctrica Ilo 21, que conforma una de las centrales turbovapor de mayor capacidad de generación en el Perú, con potencia nominal de 125 MW.

Comparación del rendimiento de Carnot y el rendimiento de ciclo de la Central Termoeléctrica Ilo 21, en función de la temperatura máxima de aprovechamiento

19

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Esquema ilustrativo de la C T Ilo 21

Diagramas del ciclo termodinámico temperatura-entropía (T-s) y entalpía-entropía (h-s)

Identificación de propiedades en el ciclo termodinámico de la C T Ilo 21 20

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

FORMAS DE MEJORAR LA EFICIENCIA TÉRMICA DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA A VAPOR

21

Dr. Salome Gonzáles Chávez

5.2.

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

CICLO TERMODINAMICO REAL DE CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO, TURBOGAS-TURBOVAPOR

Una central termoeléctrica de ciclo combinado se caracteriza por su doble aprovechamiento térmico en la generación de potencia, set turbogas y set turbovapor, y constituye así el arreglo mas evolucionado de las centrales termoeléctricas.  A continuación se presenta el esquema referencial de este tipo de sistemas de generación eléctrica.

1. Conjunto turbogas. 2. Bypass de flujo de gas de escape de la T.G. 3. Caldera recuperadora 4. Evaporador de baja presión 5. Economizador de alta presión 6. Evaporador de alta presión 7. Sobrecalentador de alta presión 8. Calderín de baja presión 9. Bomba de circulación de baja presión 10.Calderín de baja presión 11.Bomba de circulación de alta presión 12.Tanque de alimentación de agua - desaereador 13.Bomba de alimentación de baja presión 14.Bomba de alimentación de alta presión 15.Conjunto turbovapor

22

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

16.Condensador 17.Bomba de condensado 18.Bypass de vapor a alta presión 19.Bypass para exceso de vapor 20. Estación reductora para redistribución de vapor

En el diagrama temperatura-entropía siguiente se identifica los procesos térmicos: I.

Circuito de gas 1  – 2

:

Compresión.

2  – 3

:

Cámara de Combustión

3  – 4

:

Expansión en la turbina

4  – 5

:

Caldera recuperadora.

5  – 1

:

Flujo de chimenea

II. Circuito de vapor 6  – 7

:

Economizador.

7  – 8

:

Evaporador.

8  – 9

:

Sobrecalentador.

9  – 10

:

Expansión en turbina de vapor

10  – 11

:

Condensador

11  – 6

:

Alimentación de calor.

23

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

6 CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR Con el objetivo de estudiar las características técnicas del las C.T. a vapor, su configuración térmica, sus componentes, sus parámetros de funcionamiento y evaluación de costos de generación, se toma como referencia la Central Termoeléctrica a vapor Ilo 21

6.1

CONFIGURACION DE LA CENTRAL

La Central Termoeléctrica ILO21 está ubicada en el kilómetro 25 de la Carretera Costanera Sur en la Zona denominada “Loma la Buitrera Pampa de Palo”, provincia de

Ilo, departamento de Moquegua. El terreno para la unidad tiene una altitud de 25 m.s.n.m.  Actualmente está constituida por una Unidad de 135 MW de potencia nominal (125 MW de potencia neta) constituidos por una turbina y una caldera que emplea carbón como combustible principal y diesel 2 como combustible alternativo y para arranques.  Adicionalmente se incluye: -

Un muelle para la descarga de carbón de 1,250 metros de longitud. Un cabezo de muelle para soportar dos grúas descargadoras de carbón. Dos canchas para almacenamiento de carbón (2 x 100 000 toneladas) Sistema de equipos y fajas para el transporte y manejo del carbón. Una estación de toma y bombeo de agua de mar para el enfriamiento de las unidades. Dos tuberías sifón (Ø 2.2m por 750 m de longitud) para captar agua de mar. Dos plantas de agua desalinizada. Una planta de agua desmineralizada. Una planta de producción de agua potable. Una planta de tratamiento de aguas servidas. Un sistema de extracción y manejo de escorias y cenizas. Sistema cerrado de agua de enfriamiento. Sistema de aire comprimido. Sistema de protección contra incendio. 01 tanque para el almacenamiento de diesel (5 000 m3). 02 tanques para almacenar agua desalinizada (2 x 2 600 m3) 01 tanque para almacenar agua desmineralizada (1 500 m3) 01 tanque para almacenamiento de agua potable (150 m3) Subestación tipo GIS (Gas Insulated Switchgear) en 220 kV. Edificio administrativo, talleres y almacenes. Cancha para depositar cenizas.

24

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Especificaciones técnicas de la C T Ilo 21 Fabricante Tipo Potencia Velocidad  Presión de Vapor  Temperatura de vapor  Presión de salida Gobernador  Horas de operación Número de arranques

Tipo  Area de superficie Presión Carga de calor  Flujo de agua de mar  Material tubos Número de tubos Diámetro de tubos

Fabricante Capacidad  Voltaje Factor de Potencia Frecuencia Polos y fases Enfriamiento

Turb in a Hitachi De condensación, tandem compuesta con recalentamiento y doble flujo en el escape. 135 MW 3,600 rpm 16.67 MPa (a) 538°C 4.5 kPa (a) Digital - Electro - Hidráulico. 8000 horas anuales Frio : 10 por año (50 horas de parado) Caliente: 30 por año (8 horas de parado) 2 operaciones en isla por año Condensador  Carcasa simple, dos pases. 6,480 m2. 4.5 kPa (a) 562 GJ/h 15,700 m3/h Titaneo 6476 28.58 mm Gen erad or Eléct ric o  Hitachi 169MVA 17.0 kV ± 5% 0.8 60 Hz 2 fases y 3 polos Enfriado por aire.

Trans form ado r d e Po ten cia   Fabricante Meidensha Corporation Tipo de enfriamiento ONAN/ONAF/ODAF Potencia 102/136/169 MVA Número de fases 3 Frecuencia 60 Hz  Alto Voltaje 220 kV Bajo Voltaje 17 kV Taps 220 kV ± 10 x 1.0% (21 taps) Conexión YNd11

Fabricante Tipo Capacidad  Consumo de vapor  TDS Conductividad 

Fabricante Tipo Capacidad 

Fabricante Tipo Capacidad 

Planta Desalinizadora  Entropie MED 2 - destilación multi efecto (2 trenes) 1300 m3/día/tren 9.1 t/h a 14 bar (g) 10 mg/l (Sólidos Disueltos) 20 µS/cm. a 25°C Planta Desmineralizadora  Organo Corporation Mixed Bed Polisher (2 trenes) 600 m3/día/ tren Planta de Agua Potable  Organo Corporation Por Inyección de Cloruro ( 2 trenes) 72 m3/día/tren

Planta de Tratamiento de A guas Servidas  Fabricante UNIDRO Capacidad  550 m3/día

Ubicación de la Central TE a carbón Ilo 21 25

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Componentes de la Central Termoeléctrica a vapor Ilo 21

Disposición en vista de planta de la Central Termoeléctrica a Vapor Ilo 21 26

Dr. Salome Gonzáles Chávez

6.2

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE COMBUSTIBLE

El carbón llega a la central por medio de barcos autodescargables de hasta 50 000 toneladas de desplazamiento (1). Los barcos atracan junto a la plataforma de descarga (2), donde sus grúas retiran el carbón de las bodegas de la nave y lo vierten en las tolvas que lo distribuyen sobre la faja transportadora (antes del terremoto del 23 de junio de 2001 se contaba con dos grúas canguro en el muelle para realizar la descarga). Una segunda faja transportadora (3) conduce el carbón a lo largo del muelle hasta las canchas donde es distribuido por medio del apilador (4) para formar pilas de carbón. El carbón es recogido de la cancha por dos recuperadores semiautomáticos (5), estos utilizan una banda de paletas, recogen el carbón de la pila y lo depositan sobre fajas transportadoras, las que lo conducen hasta los silos de almacenamiento (6). Esta operación de cargado de silos se realiza todos los días. El carbón cae desde los silos hasta el alimentador (7) y, luego, al pulverizador (8) donde es triturado hasta convertirse en polvo. Un ventilador de tiro forzado (9) provee el aire necesario para el proceso de combustión, mientras que el ventilador de aire primario provee el flujo de aire (10) requerido para el transporte de las partículas de carbón desde el pulverizador hasta los quemadores (12), donde las partículas se encienden formando la llama en el hogar (13). Como combustible de emergencia y para el arranque de la unidad se tiene el Diesel (11). Este es almacenado en un tanque de 5000m3 de capacidad y bombeado hacia los quemadores manteniendo una presión constante de diesel para su utilización inmediata. Características del petróleo Diesel 2 Especificaciones

Prueba ASTM

Total Cenizas ppm Gravedad API @ 60ºF    Apariencia, Color ASTM  Residuo de Carbón % peso Punto de Nebulosidad ºC     Indice de Cetano Número de Cetano Corrosión por Cobre Temperatura de Destilación 50% ºC   90% ºC   Punto de Inflamación ºC     Hidrógeno % peso Viscocidad Cinemática Cst (37.8ºC) Lubricidad gm, min Poder Calorífico Bajo Btu/lb Nitrógeno % peso Estabilidad a la Oxidación Punto de Fusión ºC     Sodio + Potasio ppm Gravedad Específica (15.6ºC)  Azufre % peso Vanadio ppm Sedimentos y Agua % volumen

D-482 D-287

Valores en Tanque Minimo Máximo 20 34 3

D-524

0.012

D-2500

-4

D-4737

45

D-618

50

D-130

3

D-86

256

D-85

329

D-93

52

D-445

1.90

D-6073

2800

D-240

18300

D-2274 D-97-93

4.1

2 -7

-18 4

D-1298 D-2622

0.835

0.855 0.5 0.5

D-2709

0.05

27

Dr. Salome Gonzáles Chávez

6.3

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA AL CIRCUITO AGUA - VAPOR

Después de formarse la llama en el hogar (13), los gases calientes pasan por el exterior de los tubos del sobrecalentador (21), recalentador (23) y economizador (18), antes de dejar la caldera. Luego, a través de ductos (14) se dirigen al precipitador electrostático (15) donde queda atrapada la ceniza volante y, finalmente, son emitidos a la atmósfera a través de la chimenea (16). El precipitador electrostático tiene una eficiencia del 99% y constituye uno de los componentes modernos que hacen de la quema de carbón un proceso de combustión limpio acorde a los requerimientos ambientales vigentes. Los gases calientes transfieren su energía a los tubos del hogar de la caldera (20) por donde circula agua tratada. Esta se evapora en el domo de la caldera (19) y, luego, el vapor formado eleva su temperatura en los tubos del sobrecalentador (21)

6.4

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA EN MECÁNICA

El vapor sobrecalentado se dirige hacia la turbina de alta presión (22) impulsando los álabes de ésta, con lo cual se consigue el giro de la misma. El vapor con menor presión deja la turbina de alta presión y retorna a la caldera donde vuelve a calentarse en el recalentador (23). El vapor recalentado se dirige hacia la turbina de media y baja presión (24) donde impulsa los álabes de éstas, convirtiendo la energía térmica en energía mecánica, la cual se transmite por el eje de la turbina. En la última etapa, el vapor saliente de la turbina de baja presión, cambia a estado líquido en el condensador (25) que emplea como medio enfriador agua de mar. El condensado obtenido, en la caja del condensador (25), es bombeado hacia el desaereador pasando por tres calentadores de baja presión, del desaereador es bombeado hacia la caldera pasando por tres calentadores de alta presión, a través de la tubería de agua de alimentación (17) ingresando por el economizador (18), completando así este ciclo.

6.5

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ELÉCTRICA

 Acoplado al eje de la turbina se encuentra el generador eléctrico (30), donde la energía mecánica se convierte en energía eléctrica, con un voltaje de 17 kV. Esta energía eléctrica eleva su voltaje en el transformador principal (31) hasta 220 kV, para poder viajar por dos líneas de transmisión (32) hacia la sub estación de Moquegua y de allí a los centros de consumo

6.6

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

El agua de mar, que se emplea como medio enfriador para el condensador, se obtiene por medio de un tubo sifón (27), que la descarga en la poza de captación (33), donde es bombeada (28) hacia el condensador, para finalmente ser descargada al mar (29).

28

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Sistema de toma de agua de mar  Asimismo, de la poza de captación (33) se bombea agua de mar (34) hasta la planta desalinizadora (35). El agua desalinizada se almacena en dos tanques (36), y de allí es conducida a la planta desmineralizadora (37) donde se produce agua sin sales ni minerales. El agua desmineralizada es almacenada en un tanque (38) y de allí es inyectada al condensador a través de una línea de reposición.

29

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Esquema del tratamiento de agua Durante la operación de la caldera se producen purgas; las cuales se realizan a través del tanque de "BlowDown" (39). Estas purgas junto con los drenajes industriales de la planta y desagues de las instalaciones, se conducen hasta la planta de tratamiento de aguas servidas (40), y el agua tratada resultante de esta planta se utiliza en el sistema de forestación (41) alrededor del terreno de la Central Termoeléctrica Ilo2.

30

Dr. Salome Gonzáles Chávez

6.7

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVAS DE TURBINAS DE VAPOR

Los arreglos y construcciones de las turbinas a vapor para generación de potencia eléctrica, fundamentalmente varían según el nivel de potencia a generar, al grado de reacción y a la presión del vapor a la salida de la turbina. Para generación en grandes potencias las turbinas de vapor son de condensación, y para bajas potencias son de contrapresión.

Sección de una T.V. de condensación

T.V. de condensación de dos cuerpos 31

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

T.V. de condensación de dos cuerpos y dos flujos de baja presión (BP)

T.V. de contrapresión

32