Introduccion a Las Plantas de Generacion de Vapor y Energia

Introducción a las Plantas Plantas de Generación Generación de Vapor y Energía Eléctrica

Una planta de generación de energía por vapor es un medio para convertir la energía química del combustible combustible en energía energía eléctrica. En su forma más simple consiste de una caldera y una turbina accionando un generador ele ctrico.

La caldera es un dispositivo para transformar agua en vapor. Luego el chorro de vapor hace girar la turbina y ésta al generador. En el dibujo anterior se muestra la forma más simple de caldera y turbina. El generador de vapor es una caldera, y la turbina no es nada más que un pequeño molinete. Las turbinas actuales son más complicadas que esto pero el principio es el mismo. Para la mayoría de las personas el proceso de generar electricidad es muy misterioso, aunque el proceso en realidad es fácil de entender. Como se muestra, el generador consiste de una barra de imán pequeña girando dentro de una bobina de cobre estacionaria. Esto podría resultar muy absurdo y demasiado simple, pero es como se compone un generador real, un iman rotando dentro de una bobina de cable. Mientras el campo magnético saliendo de los extremos del imán se mueve a lo largo de la bobina estacionaria una corriente eléctrica se establece en el cable. Haciendo varias vueltas de cable en un anillo, la corriente generada en cada vuelta de cable se suma a las demás y de esta manera se produce una corriente mucho más alta. Esto es todo lo que necesitas saber de un generador electrico por ahora, solo piensa en el como un imán rotativo girando dentro de una bobina de cable, esto produce una corriente eléctrica en el cable. Mas tarde volveremos a elaborar esta simple descripción. Tú te preguntaras porque si una planta de energía es tan simple como esto, porque construimos plantas mucho más complejas? La respuesta a esta pregunta es bien simple: la planta mostrada en la figura no es muy eficiente, es mas la eficiencia es cercana a cero. Como queremos sacar tanta potencia como sea posible de una cantidad de combustible dada, es necesario hacer y diseñar nuestras plantas tan eficientes como sea posible. Hace 30 años atrás, las plantas de energía energía usaban 1,36 kg de buen buen carbon para producir producir 1 kw.hora de electricidad. Hoy día, la media nacional nacional es menos de 0,45 kg de carbón carbón por kwhora. En otras palabras, palabras, en 1922 usábamos usábamos 3 veces veces más carbón para producir producir la misma cantidad de energía que hoy. En 1955 las plantas de energía del EEUU produjeron 544 billones de kw-hr a través de plantas de carbón. Esto requirió quemar 272,000,000 toneladas de carbón. Si hubiésemos producido esa cantidad de energía con las plantas de 1922, hubiésemos necesitado 3 veces mas carbón: 816,000,000 toneladas. La razón por este gran decremento decremento en el consumo consumo de carbón carbón es debido a las mejoras graduales de nuestros sistemas de energía, con respecto a las piezas individuales de los equipamientos y también del sistema como un todo. Como seguimos mejorando el primer esquema?

Mirándolo de nuevo, es obvio que puede ser dividido en varias partes o divisiones. Primero, hay fuego debajo de la caldera. Esto involucra no solamente el combustible en si mismo pero también el método de colocar el combustible debajo de la caldera y la disposición para quemarlo apropiadamente. Así que extendemos el diagrama para luzca así:

Aquí vemos una cinta transportadora para llevar el carbón a la parilla donde se quema en una grilla con movimiento. El aire necesario para la combustión es suministrado por un fuelle. Recuerda, cuando quemas carbón lo que realmente haces es promover una reacción química, una reacción en cadena. Cuando el carbón es calentado a una temperatura alta en la presencia de aire, el carbono presente en el carbón (o cualquier otro combustible) se combina con oxigeno del aire para forma dióxido carbono CO2 o monóxido de carbono CO. Estos, por supuesto son ambos gases. Cual gas se formará depende de la cantidad de oxigeno presente. El CO significa que el carbón es quemado parcialmente, se puede combinar con mas oxigeno para formar CO2. Cuando quemamos carbón no queremos CO porque significa que el combustible es solo parcialmente quemado, todavía hay energía perdida en los gases, energía que podemos recuperar si lo quemamos hasta obtener CO2. Es deseable, en la operación de las calderas, siempre obtener tanto CO2 como podamos así de esta forma conseguimos todo el calor del combustible. Podemos obtener CO2 suministrando mas aire al combustible mientras se quema. Pero, no queremos suministrar demasiado aire porque si lo hacemos estamos suministrando mas oxigeno del necesario para combinarse con el carbono y, este exceso de oxigeno no tendrá parte en el proceso de combustión. No solamente eso, también hará descender la eficiencia absorbiendo calor que de otra forma podría utilizarse para calentar el agua de caldera. En la práctica no es posible suministrar la cantidad exacta de aire, así que siempre se habla de un exceso de aire. Así que en el proceso de combustión estamos tratando con la química. Entonces esto implica conocimiento de la composición del combustible, combustible, su condición condición física, su conducta conducta frente a condiciones variables de temperatura, humedad, etc. En verdad, la combustión del carbón es un proceso muy complejo que requiere mucho conocimiento de química y física. En una planta de tamaño considerable también implica un mayor problema en manejo de los materiales: combustible, cenizas, aire y gases. Recuerda, cuando quemas carbón debes suministrar alrededor de 7,71 kg de aire por cada 0,45 kg de carbon utilizado. Hasta aquí, hemos mencionado por arriba las cenizas y los gases. Estos tienen que ser removidos continuamente. En la época de combustión manual, la remoción de cenizas era simple pero muy laboriosa. El foguista rascaba las cenizas del fondo y las sacaba en barriles. Hoy día, en las plantas grandes, la remoción de las cenizas es un proceso complicado que necesita de equipamiento elaborado. Así que debemos agregar el equipamiento de

remoción de cenizas a nuestro diagrama, también una chimenea para remoción de los gases. Además, el proceso de combustión es estimulado por el calor, el proceso no empezará hasta que el combustible alcance cierta temperatura. Todo debe ser realizado para mantener una alta temperatura dentro del horno (hogar). Esto hace deseable que se caliente el aire para la combustión antes de conducirlo al horno. Esto ayuda a la combustión e incrementa la eficiencia. Con estos hechos en mente, dibujaremos el diagrama para incorporar estos nuevos elementos:

Como puedes ver, se está complicando un poco más. Ahora, tenemos una chimenea para remover los gases de combustión y un precalentador de aire para el fuelle que sopla debajo del horno. También colocamos un transportador de ceni zas. Ahora, si tienes una mente analitica, notaras que toma calor adicional para calentar el aire. En el esquema se muestra una vela. Como las velas cuestan dinero, es obvio que no vamos a ahorrar mucho con esto. Porque no podemos usar parte del calor del fuego dentro de caldera para calentar el aire?. Tal vez sea más barato que comprar velas? Si lo es, y lo que es mas, hay calor que se pierde en la chimenea. Sabes por experiencia que si sostienes tu mano sobre una caldera en una estufa hay una cantidad de calor que se pierde. Así que pongamos una bobina de calentamiento en la chimenea para que el aire del fuelle se precaliente con estos gases de escape. Todo esto, probablemente parecerá absurdamente tonto, y lo es. La razón para explicarlo de esta forma, sin embargo, es para mostrar de la m anera más simple el equipamiento mediante los cuales los ingenieros consiguen mejorar sustancialmente la eficiencia de cualquier sistema. Paso por paso, agregando algo aquí, ahorrando algo ahí, estableciendo supervisión cercana sobre todo gradualmente mejora la efectividad y la eficiencia de cualquier sistema. Esta es la clase de cosas que los ingenieros trabajan. Casi todos son más o menos complejos y requieren de conocimientos específicos y generales. En el ejemplo descrito por ejemplo, cuanta superficie debería tener el calentador de aire en la chimenea para calentar el aire a una cierta temperatura?. Que tan caliente debería estar el aire para una mejor combustión, cuanto aire hay que proveer, cuanta potencia se necesitará para comandar el fuelle, que pasa con los gases si se extrae demasiado calor, que le pasa a la chimenea? Ninguna de estas preguntas es tonta.

Considera la ultima pregunta, por ejemplo si el enfriamiento de los gases es demasiado. Que pasaría? Bueno, siempre hay una cierta cantidad de vapor de agua en los gases, proveniente del aire de combustión y del hidrogeno en el combustible. Mientras que la temperatura de los gases baja, alcanza un punto donde se alcanza el punto de saturación y la humedad condensa. Si, al mismo tiempo resulta que había algo de azufre en el gas (y casi siempre lo hay con combustibles líquidos y gaseosos) se formará acido sulfúrico y una pequeña y fina capa se formará en los equipos, esto es terriblemente corrosivo. Este simple ejemplo, es uno de los cientos que muestra a lo que se enfrentan los ingenieros cuando se proponen mejorar el sistema original y hacerlo mas eficiente. Podría agregarse algo para mejorar pero pueden encontrar que la mejora tiene un efecto negativo en otra parte p arte del sistema. Pero volvamos a nuestro sistema de potencia. La caldera que representa el generador de vapor no es muy eficiente. Veamos si no podemos diseñar una mejor. Mira al esquema siguiente. Aquí tenemos una caldera que consiste en dos tambores de acero conectados por tubos de menor diámetro de acero, posicionados en una hornalla para que los gases calientes tengan que pasar por el banco de tubos en su camino hacia la chimenea. La superficie total de los tubos es grande, haciendo posible que absorban una gran cantidad de calor. Las burbujas de vapor que se forman en los tubos se elevan hasta el tambor superior (llamado domo de vapor) donde el vapor se colecta antes de ser conducido a la tubería que lo lleva a la turbina. Este es el principio básico de las calderas acuotubulares modernas. Nota que se ha agregado una bomba de alimentación de agua en el diagrama. Como el vapor fluye hacia fuera de la caldera es necesario reponer el agua que se evapora. Por esta razón una bomba de alimentación es necesaria . La bomba debe operar a presión alta suficiente para que pueda vencer la presión en la caldera.

En la operación de cualquier caldera, aun en una sencilla, es esencial siempre mantener suficiente agua dentro de la misma. Si llegara a funcionar sin agua el metal quedaría al rojo vivo, se ablandaría y colapsaría. Al mismo tiempo no debería ser llenada con demasiada agua que imposibilite la recolección y salida de va por. Esto, en todo momento se muestra por el nivel de agua dentro de la caldera. Es obvio que si la cantidad de vapor que sale de la caldera es la misma que la cantidad de agua que entra, el nivel dentro del domo debería permanecer constante. Esto no es cierto porque existen variaciones. Variaciones causadas por cambios en la carga, variaciones en suministro de combustible y variaciones en el suministro de aire causa variaciones en la velocidad de combustión, todo lo que resulta en variaciones de la tasa de evaporación, y todo esto causa variaciones en el nivel de la caldera. Se hace necesario para el operador mantener una vigilancia continua en el nivel . Si cae, hay que incrementar el suministro de agua, si sube hay que disminuir. La vigilancia constante hace imposible un control por operador así que se desarrollaron los nivel. Estos son muy útiles aun en calderas chicas controles automáticos que controlan el nivel. pero en el caso de calderas modernas de alta presión son casi imperativos. Una caldera moderna de alta presión evaporando alrededor de mas de 100 toneladas por hora quedaría seca en menos de 90 segundos si se detuviera el suministro de agua.

Ahora, volviendo al suministro de agua a la caldera, nada ha sido dicho todavía respecto a la temperatura del agua siendo suministrada a la caldera. Debería ser obvio sin embargo, que no es recomendable bombear agua fría dentro de la caldera porque haría bajar la temperatura del agua dentro de la misma, reduciendo la tasa de evaporación. También, la introducción de agua fría podría someter a tensiones tensiones en la caldera debido a la diferencia diferencia de

temperaturas. Se necesita entonces precalentar el agua tanto como sea posible antes del ingreso a la caldera. Así que hay que colocar un precalentador de agua de alimentación. El calentador de agua de alimentación podría ser calentado por un sistema separado pero en nuestro caso sería mucho más económico si podrías utilizar el calor que de otra forma forma se perdería. Suponga, por ejemplo que la bomba de alimentación es accionada por vapor, y podemos utilizar el vapor de escape para esta bomba. Esto no costaría virtualmente nada. Lo agregamos al esquema.

Luego que el vapor ha hecho su trabajo accionando la bomba, es entregado al calentador de agua de alimentación. No es nada más que un tanque grande abierto a la atmosfera, llamado calentador abierto. Como se mostrará mas tarde, hay otras formas de calentadores de agua llamados calentadores cerrados. Este tipo usualmente trabaja a presiones mayores a la atmosférica. Hasta aquí todo bien, hemos ahorrado un poco usando el calor del vapor de escape que de otra forma se perdería. Miremos Miremos un poco más allá, tal vez podamos aprovechar aprovechar más calor en algún lugar más. Recuerdas que conseguimos un poco de calor de los gases a través del precalentador de aire. Ya sacamos todo lo que tenia ahí? Si ya lo hicimos o no, no es de mucha importancia porque, si queremos podemos modificar la caldera así dejamos una sección de los tubos para precalentar el agua antes de entrar a la caldera. Mira el esquema en la siguiente figura. Hemos agregado un banco de tubos separado por el cual pasa el agua de alimentación antes de entrar a la caldera. Este banco de tubos está colocado en el camino de los gases hacia el precalentador de aire y la chimenea. Casi todo el calor de los gases ha sido absorbido en los tubos de la caldera pero no todo. Todavía tienen una temperatura probablemente de 300°C. Haciéndolos pasar por este banco de tubos agregados mas calor será absorbido, consecuentemente el ahorro en la caldera como un todo se verá incrementado. Este banco de tubos se conoce como arreglo, el agua es primero calentada calentada a una temperatura temperatura de economizador. Con este arreglo, alrededor de 100°C 100°C en el precalentador precalent ador de agua usando el vapor de escape de la bomba alimentación, y después en el economizador, la temperatura es subida hasta un punto no muy lejano a la temperatura del agua dentro de la caldera.

Nuestra caldera, o generador de vapor como se llama estos días, se ha convertido en bastante complejo así que antes de hacerle algo más volvamos al resto del sistema de generación. Como se había mencionado la turbina es esencialmente un molino, no tan simple como un ventilador mostrado en la figura sino uno mucho mas complejo con cientos de alabes, algunas estacionarias y otras rot antes. Estos alabes están dispuestos en g rupos o etapas, así que el vapor es obligado a pasar sucesivamente a través de varias etapas. Aquí se muestra un diagrama muy simple.

En este diagrama, 3 zonas de ventilador son mostradas en un eje común, cada una en un compartimiento separado. El vapor saliendo de la primera tobera empuja contra las paletas del ventilador y causa que el rotor entero se mueva. Mediante el giro en primera etapa, el vapor entrega algo de su energía energía resultando en una caída de presión. presión. Así que con un poco menos de presión, el vapor ingresa al segundo grupo de toberas, y de nuevo entrega un poco mas de su energía en la segunda etapa. Después de pasar por la tercera etapa en esta forma, prácticamente toda la energía del vapor se ha entregado al rotor y deja la turbina como vapor de escape. Esta disposición, como es obvio, es un medio mucho más eficiente para proveer energía a través de un eje rotante comparado con el simple ventilador mostrado al comienzo. Por supuesto, esto es meramente un diagrama, no hay turbina construida de esta forma. El único paso que falta para hacer esta turbina elemental en una maquina comercial es la i ntroducción de toberas múltiples y diseño apropiado y cambiando la forma de los alabes del ventilador por uno mucho mas eficiente teniendo entradas y salidas curvadas. Aquí hay un dibujo detallado de las toberas y alabes de una turbina moderna, y el próximo diagrama es un corte de una turbina mostrando como se acomodan los elementos en el eje.

Así que ahora tenemos una caldera y una turbina acoplada a un generador electrico de esta forma

Aquí puedes ver vapor desde la caldera siendo alimentado a una turbina a través de una tubería de conexión y después de pasar a través de varias etapas de la turbina, el vapor sale de la misma a través de una abertura en el fondo de la turbina. El vapor ha entregado su energía al rotor de la turbina y este acciona el rotor del generador. El rotor del generador recuerda es un simple magneto. Pero que deberíamos hacer con el vapor de escape? Sirve para algún uso? Bueno, si mides la temperatura de este vapor en el punto de la abertura de salida, descubrirás que tiene una temperatura de 100°C. Esta es la temperatura del vapor a la presión atmosférica. Obviamente, podemos usarlo para calentar el agua en el precalentador de agua en la misma forma que usamos el vapor de escape de la bomba de alimentación. Sin embargo, encontraras que habrá mucho más vapor de escape que el que puedes usar en el precalentador de agua. Recuerda, prácticamente la salida entera de ca ldera pasa a través de la turbina y sale por el escape de l a misma.

Bien, si quieres puedes conducir el vapor de escape a radiadores de calor y usar este calor para calentar casas y edificios en esta forma:

Nota que parte del vapor de salida va al precalentador de agua. La mayoría sin embargo va para calentar los sistemas de radiadores. Ahora, esto está bien si tienes un edificio que quieras calentar o si necesitas calor de vapor para otros propósitos como cocinar, alimentas o plantas químicas o cualquier actividad industrial, y es una manera óptima de utilizar este vapor. Ciertamente, esta es una de las razones que justifica a los dueños de una planta industrial, planta papel, textil o planta de productos de comida, a tener su propia planta. Ellos pueden utilizar prácticamente todo el vapor del escape en propósitos de calentamiento. Si no tuvieran la turbina, igualmente necesitarían una caldera para generar vapor. Entonces, haciendo que que el vapor vapor mueva primeramente una turbina pueden obtener energía eléctrica así que pueden producir con costo cero de electricidad. Este proceso se conoce como cogeneración . Supón sin embargo que no existe edificio ni proceso para que utilice el vapor de escape, que hacemos? Toma el ejemplo de una planta de generación de electricidad únicamente. Generalmente estas plantas están alejadas de edificios donde podría utilizarse el calor residual. Deberíamos entonces liberar el vapor a la atmósfera? No. Hay una forma mucho más conveniente de disponer el vapor de escape. Esto es usándolo para crear vacío en la salida de la t urbina. Vacío? Porque vacío? En que nos ayudaría? Bueno, recuerda que la turbina está rodeada por todos lados por la atmósfera, la cual, a nivel de mar ejerce una presión de 1 atm, y esto requiere trabajo, igual al que se hace para empujar los alabes de la turbina. Pero supón, que a través de algún medio podemos remover la atmósfera alrededor de la salida de vapor para que así el vapor que sale no encuentre resistencia. Entonces te darás cuenta que puedes desarrollar mucho mas potencia en la turbina, esto seria equivalente a un incremento en la presión de vapor. Para entender como podemos podemos lograr esto (remover la presión presión atmosférica) es necesario saber algunos hechos respecto al vapor. El vapor, recuerda es agua evaporada. Cuando el agua es calentada a una temperatura temperatura de 100°C a presión atmosférica se transforma en vapor. Si el agua es contenida dentro de un recipiente cerrado como una caldera, la temperatura del agua a la cual se transforma en vapor será más alta. En todo caso, el volumen de vapor producido será mucho más grande que el volumen de agua del cual fue producido. A presión presión atmosférica, por ejemplo, ejemplo, 0.45kg de vapor ocupa un volumen de 736 litros. Supón ahora que tienes 0.45kg de vapor a presión atmosférica en un recipiente recipiente cerrado con un volumen de exactamente 736 litros. Este recipiente seria de 90cm por lado asumiendo que seria un cubo. Estaría lleno de vapor. No habría aire. Si rápidamente pusieras este recipiente sobre un gran bloque de hielo o lo enfrías con un spray de agua fría, que pasaría?

El vapor se condensaría, se volvería a convertir en agua, 0.45 kg de agua. Esta libra de agua, sin embargo, ocupa un volumen de 1/60 del original. Se vería vería así: así:

Es muy poca agua. La mayoría del espacio interior está ocupado por nada 99,93% del total del volumen. Esto significa vacío. La superficie total de este cubo es de 50167cm2. Como cada cuadrado tiene una presión atmosférica de 1kg/cm2 presionándolo (y nada adentro para contrarrestar) la presión atmosférica total en el cubo es 50167 x 1 es decir 50167 kg ! Si quieres ver si esto es verdad, prueba lo siguiente. Toma un recipiente rectangular con tapa, llénalo con media pulgada de agua y calienta el agua al punto de ebullición. Esto se realiza con la tapa abierta. Después cuando el agua está hirviendo vigorosamente, pon la tapa rápido y rápidamente coloca el recipiente debajo de una corriente de agua fría. Veras que la lata se arruga como papel. Este experimento espectacular es uno que cualquiera puede realizar en su casa pero es extremadamente convincente de la producción de vacío por condensación del vapor.

Ahora recuerda, queremos crear vacío en la salida de la turbina. Ahora que sabemos como crear vacío, como aplicamos este principio a la turbina? Bueno, supón que agregamos un recipiente grande en la salida de la misma e instalamos un banco de tubos pequeños por donde bombeamos agua fría. De esta forma:

Con este arreglo, el vapor saliendo de la turbina entrará en contacto con los tubos fríos y por lo tanto se convertirá en agua. Esto creará un vacío en el recipiente tal como se hizo en la lata del ejemplo. Este recipiente, sin embargo, es confeccionado de metal resistente, capaz de aguantar aguantar la presión atmosférica y no colapsar. Como el agua fría continua fluyendo a través de los tubos, el proceso es continuo. Habrá una conversión constante de vapor en agua, un valor constante de vacío adentro del recipiente. Técnicamente, este recipiente es llamado condensador . Su propósito es doble, primero crear un vacío en el escape de la turbina, y segundo, para recuperar el condensado (condensar el vapor) así puede ser utilizado nuevamente en la caldera. Como este condensado es agua destilada, es muy pura, y por ello altamente recomendable como agua de alimentación. Así que construimos otra pequeña cámara en la parte inferior del condensador para tener un lugar donde se pueda recolectar el condensado y pueda ser bombeado nuevamente a la caldera, o mejor dicho, primero al precalentador de agua de alimentación. Este reservorio en la parte inferior del condensado se llama pozo caliente (hot well).

Ahora nuestro sistema luce así:

El vapor producido en la caldera fluye a través del colector hacia la turbina. En la turbina el vapor pasa sucesivamente a través de varias etapas, perdiendo presión en cada una y entregando su energía a los alabes del rotor. Esto gira un generador electrico y produce electricidad. Emergiendo por el escape en el fondo de la turbina, el vapor entra al condensador donde se condensa sobre los tubos a través de los cuales circula agua. La condensación del vapor crea un vacío lo cual reduce la presión a la salida, lo que de otra forma impediría la salida de vapor. El vapor condensado colectado en el pozo caliente es extraído por las bombas de condensado y lo envían al precalentado de agua de alimentación. Ahí el agua es calentada mas aun por el vapor que sale del escape de la bomba de alimentación (la cual se alimenta de vapor del colector principal salida de caldera). Ahora tenemos un sistema cerrado completo. Toda el agua que se convierte en vapor es condensada en agua nuevamente en el condensador y bombeada nuevamente a la caldera. Por supuesto, hay pequeñas perdidas en varios puntos en el sistema, perdidas por sellos de bombas, juntas de válvulas, Eric. Para compensar estas perdidas se necesita agua de reposición. La idea es mantener el agua de reposición tan bajo como sea posible. Si estas interesado solamente en los principios básicos de una planta de energía, esto es todo lo que necesitas saber. Muchos mas refinamientos se pueden agregar para mejorar la eficiencia pero el sistema mostrado en el diagrama anterior funcionaria, y su eficiencia no seria tan baja dependiendo del vapor de presión de vapor usada. Si esta explicación, hasta aquí tiene sentido para ti y ha sido de interés, tal vez te gustaría ir un poco mas profundo y aprender algo acerca de plantas reales como son construidas hoy día. La planta mostrada en los diagramas muestra una una grilla de cadena para la combustión. combustión. La mayoría de las personas están razonablemente familiares con este tipo de parillas. Las plantas plantas de energía también también utilizan utilizan combustibles combustibles líquidos, líquidos, gaseosos gaseosos o carbón pulverizado pulverizado.. Donde se utiliza carbón pulverizado, el carbón es primeramente pasado a través de un molino que lo muele hasta la consistencia de una harina, después a través de un ventilador, el carbón en polvo es soplado dentro de la caldera donde arde muy parecido a un gas.

Aquí hay un diagrama:

La mayoría de las plantas que funcionan con carbón, lo hacen hoy día con carbón pulverizado. La razón para esto es que el control de la combustión del carbón en este estado es mucho más flexible que las grillas convencionales. Con las grillas convencionales siempre hay un colchón de carbón en las mismas, lo que contiene una cantidad considerable de calor. Aun si el suministro de carbón se cortara por completo, el carbón en la grilla continuaría quemándose por un periodo de tiempo considerable. Con carbón pulverizado no existe este reservorio de calor y si el suministro se detiene la combustión cesa instantáneamente. Lo mismo es cierto para líquidos y gases. El uso de carbón pulverizado en vez de grillas no cambia el principio básico de operación entendiendo a la planta como un todo, solamente involucra distintos tipos de equipos y tecnologías. Ahora, que hay acerca de la presión de vapor? En uno de los parágrafos dijimos algo acerca de la eficiencia que tiene relación a la presión de vapor. Es esto cierto? Si, pero en buena parte porque la presión de vapor está relacionada a la temperatura. presión atmosférica atmosférica,, es Cuanto mas alta la presión del vapor, mas alta su temperatura . A presión 1 kg/cm2, el vapor tiene una temperatura de 100°C a 34 kg/cm2 absoluto, la temperatura es 232°C. La eficiencia de una turbina, u otro tipo de maquina térmica como un motor de vapor o gas, no depende de la naturaleza del medio de trabajo: vapor, aire comprimido, amoniaco, etc, pero si depende de la cantidad y la temperatura absoluta del calor recibido y el calor liberado. Esto significa signi fica que una turbina tu rbina a la cual se s e alimenta con c on vapor a 232°C 232°C y un escape de 100°C 100°C es mas eficiente que una recibiendo vapor a 150° Cy escape a 100°C. 100°C. También, una turbina recibiendo recibie ndo vapor a 232°C 232°C y escape a 100°C 100°C es menos eficient ef iciente e que una recibiendo recibi endo el mismo mi smo vapor (232°C) (232°C) pero con un escape esc ape a 50°C. 50°C. Esto no solo sol o explica el valor v alor del condensador cond ensador pero también la presión de vapor. Sin condensador, la temperatura mas baja a la cual el vapor puede ser descargado descar gado es 100°C, 100°C, ya que esta es la temperatura temperatur a del vapor a presión atmosférica. A través del condensador, sin embargo, el vacío puede ser creado así el vapor estará estará a una presión, presión, digamos, digamos, 7 kg/cm2 kg/cm2 por debajo debajo de la presión presión atmosféric atmosférica. a. A 0,35 kg/cm2 absoluto la l a temperatura temperatur a del vapor seria seri a de 72°C Lo importante en la operación de una turbina u otro tipo de maquina térmica de cualquier tipo, es el rango de temperatura a través del cual la energía del calor cae y se transfiere a través de la maquina. maquina. La eficiencia térmica térmica de la maquina depende depende de este rango de temperaturas.

Esto puede ser explicado muy sencillamente imaginando una maquina perfecta, una en la cual no hay calor o perdidas por fricción de ninguna clase. Desde luego, esta maquina nunca podría ser construida. Asumiendo que tenemos esta maquina, la conectamos a una fuente de vapor que tiene una temperatura de 230°C 230°C también, asumimos que el escape de la maquina es contra la presión atmosférica. El vapor de escape tendría una temperatura de 100°C. Entonces la eficiencia térmica de tal ma quina perfecta es calculada fácilmente por una simple ecuación. Aquí va: E = (T1 – T2) / T1 x 100 En esta expresión, E es la eficiencia en %, T1 es la temperatura absoluta del vapor entrando a la maquina (en Kelvin), T2 es la temperatura absoluta del vapor que sale de la maquina. Asi que, 230° 23 0°C (503,15K) (503,15 K) para la entrada ent rada de vapor y 100°C (373,15K) (373, 15K) para el escape, es cape, la eficiencia de esta maquina teorica es: E = (503,15 (503,15 – 373,15) 373,15) / 503,15 503,15 * 100 = 25,8% En vez de dejar que el vapor salga a presión atmosférica, suponga suponga que colocamos colocamos un condensador en el ducto de escape para producir una presión de 0.35kg/cm2. Como se explico anteriormente, a esta presión, la temperatura del vapor es 72°C (345,15K). Ahora la ecuación nos dará una eficiencia de: E = (503,15 (503,15 – 345,15) 345,15) / 503,15 503,15 x 100 = 31,4% Asi que por la colocacion de un condensador, hemos incrementado la eficiencia de la maquina desde 25,8 a 31,4% Este simple ejemplo, nos muestra porque los ingenieros han han realizado esfuerzos no solamente por altas y más altas temperaturas de vapor, sino también para lograr temperaturas de escape más bajas. Cuanto mas grande el rango entre la temperatura del vapor entrando y saliendo de la turbina, mas alta será la eficiencia de la misma . Por supuesto que no existe tal cosa como una maquina térmica perfecta y en la práctica las eficiencias obtenidas son mucho mas bajas que aquellas consideradas en el ejemplo, pero el principio involucrado es esencialmente el mismo. Debería estar perfectamente claro que cuando un condensador es agregado al sistema, se hace necesario bombear grandes cantidades de agua de enfriamiento a través de el, y también el condensado debe ser bombeado fuera del condensador. Esto requiere potencia y la misma debe ser sustraída de la energía generada por la turbina cuando la eficiencia del sistema como un todo es considerada. No se obtiene algo por nada en este mundo . Y esto es como debería ser, hace el trabajo de los ingenieros de potencia interesante sin importar que especialidad tengan. Toma como ejemplo la búsqueda de temperaturas de vapor más altas y temperaturas de escape mas bajas por ejemplo. Esto ha conducido a los ingenieros a todo tipo de cosas complicadas involucrando química, física, metalurgia, técnicas de manufactura y construcción, y por supuesto siempre economía. Altas temperaturas y presiones de vapor junto con sistemas de mas altas capacidades hacen necesario aleaciones de acero capaces de soportar altas presiones y temperaturas , altas tasas de evaporación en calderas junto con altas presiones y temperaturas hacen necesario tratamientos de agua de alimentación que involucran control químico cercano y constante, altas presiones y temperaturas también afectan la naturaleza de los disposición de tuberías, válvulas, conexiones, métodos de aislamiento y muchas otras cosas mas. Con el uso de altas presiones y temperaturas el simple método de calentar el agua de alimentación con el vapor de escape de la bomba de alimentación u otro sistema conducido por vapor no será suficiente porque el agua de alimentación debe ser calentada a una temperatura mucho mayor antes de entrar a la caldera. Las calderas modernas operando a presiones de vapor de 70bar tienen temperatura temperat ura de agua alrededor de 291°C. Es obvio que

el agua de alimentación debería estar cercana a este valor si se quieren evitar tensiones en las cañerías y equipos. Así que tenemos el problema de incrementar la temperatura del agua de alimentación. Como vamos a conseguirlo?. Cual es el mejor método de realizarlo? Por supuesto, una forma de realizarlo seria usar alta presión. El vapor vivo de alta temperatura sale del colector principal y alimenta un calentador de agua de alimentación especial capaz de resistir la alta presión. Esto sin embargo, seria seria una perdida. perdida. El vapor en el colector principal es el producto más valioso que tenemos en el sistema, y cada kg debe ser alimentado a la turbina donde desarrolla todo su potencial. Otro método seria suministrar el calor requerido para el calentamiento del agua de alimentación desde una combustión separada que caliente dicha agua, pero esto seria aun menos eficiente que extraer vapor directamente de la caldera como el caso anterior. Suponga, sin embargo, que el agua de alimentación es calentada por vapor extraído de una etapa intermedia de la turbina , la energía será desarrollada por el vapor usado en el calentamiento. Lo que es más, esta energía adicional generada por el vapor extraído será producido en una alta eficiencia y esto resulta en el incremento de la eficiencia a la cual el total de potencia del sistema es generado. Ahora, por que es así?. Porque el vapor extraído produce potencia a un costo de combustible mucho menor comparado con el vapor fluyendo al condensador? La respuesta a esta pregunta pregunta se basa basa en en la teoría teoría termodinámi termodinámica ca pero pero para propósit propósitos os prácticos prácticos puede puede ser ser respondida como sigue a continuación. En aun las mejores plantas de potencia con turbinas de condensación, aproximadamente aproximadamente 2/3 (mas del 66%) del calor pr esente en el vapor en la entrada de la turbina se va con el vapor de escape . Aun si fuera posible tener una eficiencia de 100% en la turbina, la cantidad de calor desperdiciado en la salida no seria grandemente reducido. En realidad, este calor es sacado por el flujo de las torres de enfriamiento, a través del condensador. Esto significa, entonces, que en el mejor de los casos, solamente 1/3 (33%) del calor en el combustible puede ser convertido en energía . Si extraemos una porción del vapor en la turbina antes de que alcance el condensador, y lo usamos para calentar agua de alimentación, el calor presente en este flujo no será desperdiciado porque será absorbido en el agua que ingresa a la caldera. En consecuencia esto baja la unidad de calor, el calor será suministrado a la caldera. Poniendo en otra forma, del flujo fluyendo desde el regulador al condensador, cerca de 2/3 del calor serán desperdiciados, mientras que el flujo desde el regulador hasta un punto de extracción, no será desperdiciado. Sigue directamente entonces, la mayor cantidad de energía que puede ser generada con vapor extraído, mas alta será la eficiencia promedio de planta. Por supuesto, la cantidad que puede ser utilizada para calentar el agua de alimentación es determinada por la cantidad de calor que se necesita para levantar la temperatura del agua de alimentación a un cierto nivel. Esto pone un límite superior a la ganancia en eficiencia, que puede ser realizada de esta forma. Como en los diagramas previos, el vapor desde la caldera entra a la turbina y fluye a través de las etapas de la turbina, generando potencia. La mayoría del vapor pasa a través del total de la turbina y sale hacia el condensador. Una parte de vapor, sin embargo, es extraída desde una etapa intermedia de la turbina a una temperatura y presión mas alta que el vapor de escape.

Aquí se muestra la forma en la cual podemos sacar ventaja de este esquema:

Para que la temperatura del agua de alimentación sea lo suficientemente alta, es necesario en este caso extraer el vapor en un punto en la turbina donde la temperatura sea cercana a la temperatura del agua dentro de la caldera. Esto, por supuesto, limita la cantidad de potencia que puede ser obtenida desde este vapor extraído. Seria mejor si el punto de extracción podría estar localizado cercano a la salida en la etapa final de la t urbina. En el calentamiento de agua o cualquier otro tipo de sustancias a temperaturas mas elevadas, sin embargo, solamente una porción del calor total necesario necesita estar a la temperatura mas alta, la gran mayoría del calor total es utilizado en calentar el agua a través de un rango de temperaturas mas bajas. Con este hecho en mente, se hace posible calentar el agua de alimentación sucesivamente en 2 o más etapas de la manera mostrada aquí,

Ahora, tenemos 2 calentadores de agua alimentación, uno de baja presión y temperatura recibiendo vapor extraído desde una etapa cercana al condensador, y otra recibiendo vapor desde un punto de extracción cercano a la entrada de vapor. El agua proveniente del pozo caliente del condensador es primeramente bombeada al calentador H1 donde levanta su temperatura y luego es bombeada a un segundo calentador H2 donde levanta la temperatura a un valor cercano al agua dentro de caldera. Con este arreglo, será obvio, mas potencia puede ser obtenida desde la cantidad total de vapor extraído. En otras palabras, por el uso de 2 calentadores de agua en vez de uno, hemos incrementado la eficiencia del sistema. Así que la pregunta que se hace ahora es, si 2 calentadores es mejor que 1, a lo mejor 3 es mejor que 2, o 4 mejor que 3?. La respuesta, por supuesto, es si. Cada etapa adicional de extracción mejora la eficiencia térmica. Sin embargo, en este ejemplo, como en todo proyecto

de ingeniería, hay un punto donde la disminución de rendimiento mas allá de la cual se vuelve anti económico. Teóricamente la máxima eficiencia se obtendría a través de

un numero infinito de extracciones y calentadores de agua. Sin embargo, 4 o 5 etapas son el limite económico y muchas plantas de potencia modernas son diseñadas para este numero. Unas pocas de las plantas modernas usan 7 u 8. El método de calentar el agua de alimentación de esta forma es conocido como calentamiento de agua de alimentación regenerativa , es usado en todas las plantas de potencia modernas. Con estos sistemas un total del 20 al 30% del vapor de alimentación a la turbina es retirado desde la misma en varios puntos y usado para calentar agua de alimentación. Aquí en este diagrama hemos incorporado 4 etapas de calentamiento de agua alimentación en nuestro sistema. En cada calentador el agua es calentada a una temperatura más alta. Como la presión en cada calentador es mas alta que en el precedente, una bomba es necesaria entre cada sucesivo calentador. Finalmente, después que el agua pasa a través del ultimo calentador, la bomba de alimentación de caldera bombea hacia la zona del economizador de caldera. Es evidente en este diagrama que una planta de potencia con vapor puede convertirse en algo muy complejo cuando tratamos de sacar ventaja de todos los métodos disponibles para incrementar la eficiencia. Ciertamente, el diagrama, como se muestra está aun lejos de estar completo. Si bien se muestra los calentadores calentadores de aire, los ventiladores y conexiones conexiones no habían sido agregados para mantener el diagrama simple. En realidad el aire es forzado a pasar por el calentador a través de un venti lador, y luego de ser calentado es forzado a pasar por debajo de la grilla de esta forma.

Este muestra como el ventilador fuerza el aire frío a pasar por el calentador y como el aire tibio es conducido por ductos (que tienen que estar aislados) hacia un pleno debajo de la grilla. Desde aquí pasa al colchón de carbón y mantiene la combustión. Una porción de aire caliente es también admitida arriba del lecho de combustible. El calentador de aire, como se nota, está colocado aguas debajo de la salida de gases de la cámara combustión. Como está construido de muchos tubos introduce una resistencia al f lujo de gases calientes de combustión. En plantas antiguas donde los calentadores de aire no se usaban, una chimenea alta usualmente producía suficiente impulso para sacar los gases de la cámara de combustión. Pero cuando se colocan calentadores de aire se convierte en una práctica universal colocar un ventilador exhaustor en el pasaje hacia la chimenea. Este tipo de ventiladores son conocidos como ventiladores de tiro inducido . Como estos ventiladores tienen que manejar todos los gases de combustión usualmente requieren motores de accionamiento poderosos, algunas veces tanto como 1800 hp. La planta que tenemos, es bastante buena pero le faltan muchos elementos importantes. Uno de ellos es un sobrecalentador. El propósito de un sobrecalentador es calentar el vapor por encima de la temperatura en la cual es producido en la caldera. En la práctica, el sobrecalentador es meramente un arreglo de tubos de aceros aleados ubicados en el camino de los gases a través de la caldera. Después que el vapor se colecta en el domo de la caldera este pasa a través de los tubos del sobrecalentador y es calentado en una temperatura mas alta que la asociada con la presión que es producido. Por ejemplo, vapor saturado a 70 kg/cm2 presion abs tiene una temperatura de 290°C (recuerda que a presión atmosférica atmosfér ica la temperatura temper atura es 100°C). 100°C). Ahora, cuando cu ando pasa el vapor de 70 kg/cm2 a través del sobrecalentador sobrecal entador,, puede fácilmente fácil mente ser calentado cale ntado 100°C 100°C mas alto, 390°C. 390°C. La presión se mantiene igual. Este vapor sobrecalentado tiene 2 ventajas sobre el vapor que no es sobrecalentado, primero, incrementa el rango térmico del ciclo de vapor, y por lo tanto la eficiencia, y segundo, al estar seco, es menos probable que condense en las etapas mas bajas de turbina. En turbinas grandes, la formación de gotas de agua en los alabes cerca de la salida de turbina puede ser muy dañino. Con el uso de vapor sobrecalentado, sin embargo, esta condensación puede ser minimizada a un punto donde es inofensiva. Por lo tanto, todas las plantas de potencia modernas usan vapor sobrecalentado, en realidad en las plantas de potencia más modernas en adición al sobrecalentador el vapor es pasado por un segundo sobrecalentador sobrecalentador después de pasar pasar por una etapa de la turbina . Con este arreglo el vapor colectado en el domo de la caldera primero pasa por el sobrecalentador primario, luego por

las primeras etapas de la turbina, luego de vuelta a la caldera donde es recalentado en el segundo sobrecalentador, y finalmente enviado nuevamente a las etapas de baja presión de la turbina, para luego pasar por el condensador. La idea se muestra a continuación:

Como regla, el vapor recalentado tiene una temperatura un poco menor que la temperatura primaria de vapor pero su presión es considerablemente menor. Como ejemplo, el vapor primario primari o puede tener una presión de 100 kg/cm2 y una temperatura de 565°C. 565°C. Después que ha pasado a través de un numero de etapas en la turbina es extraído a, digamos 14 kg/Cm2 donde su temperatura será 204°C. 204°C. En la sección de sobrecalentamiento de la caldera el vapor será calentado a 530°C pero su presión será todavía de 14 kg/cm2. Así que tenemos un sobrecalentador, recalentador, y calentamiento regenerativo del agua alimentación en nuestro sistema y se está haciendo muy eficiente, mientras marcha el ciclo de vapor. Con sistemas de este tipo las eficiencias térmicas de alrededor de 32% pueden ser obtenidas, esto es, 32% de la energía contenida en el combustible puede ser convertida en energía eléctrica. Puedes preguntarte porque este número es tan bajo. La razón, como fue hablado en este tratado, es porque porque la mayoría del calor es llevado por el agua agua de enfriamiento del condensador. Desafortunadamente, esta baja eficiencia es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica y no hay nada que los ingenieros puedan hacer. Si la temperatura del vapor en el escape de la turbina pudiera ser llevado a cero absoluto, recuperaríamos la mayoría de la energía del combustible pero como vivimos en un mundo donde la temperatura ambiente es 273°C arriba del cero absoluto no hay forma que podamos reducir la temperatura del vapor de salida debajo de la temperatura ambiente. Por supuesto, podríamos hacerlo por refrigeración pero un sistema de refrigeración necesitaría potencia y entonces no ganaríamos nada, de hecho perderíamos eficiencia. Hemos incorporado en nuestro sistema cerca de todo los métodos conocidos para mejorar la eficiencia. Mejoras adicionales pueden ser realizadas en cualquier sistema yendo a presiones y temperaturas mas altas, refinamientos en el sistema de condensado, y por las reducciones adicionales de perdidas de calor donde estas ocurran a través de equipos mejorados, aislación, y recuperación de gastos menores, pero las ganancias a través de estos medios es relativamente menor. En plantas de potencia grandes, sin embargo, cada incremento, cada fracción de porcentaje en la eficiencia global vale la pena porque estas plantas usan cientos de miles, millones de toneladas de carbón por año, y aun una pequeña ganancia en eficiencia térmica se refleja en grandes ahorros de costos de combustible. Como se indicó al principio, hoy día, las plantas de potencia modernas modernas usan menos de un tercio de la cantidad de carbón carbón para la misma producción de kw-hr que hace 30 años. Estos ahorros han sido posibles por el perfeccionamiento continuo como se ha descrito en estas paginas. Es obvio entonces, que la operación de una planta de potencia, cada esfuerzo tiene que ser hecho para mantener en todo momento las temperaturas, presiones, y el vacío en el condensador en los valores óptimos . Un cambio en cualquiera de estos valores afecta la eficiencia del sistema como un todo. En el condensador, por ejemplo, el vacío debe ser mantenido en su valor máximo a través del uso de un agua de circulación lo mas fría posible.

Como el agua de circulación usualmente es sacada de ríos o lagos, la temperatura varía a través del año, calentándose en verano y enfriándose en invierno. Como el condensador condensador está sometido a vacío en su interior, hay una tendencia de ingreso de aire en el sistema y a menos que el aire sea removido, tiende a acumularse en el condensador y tiende a debilitar el vacío. Así que bombas de vacío (o eyectores) se colocan para remover el aire continuamente. Estas bombas separan el aire del vapor de agua y regresan el agua al sistema del condensador. Estas bombas de aire, actualmente, son del tipo eyector de vapor. Aun estas son equipadas con intercambiadores de calor para recuperar el calor que de otra manera se perdería en la extracción de aire del condensador. Un elemento en la operación de plantas de potencia que ha recibido un incremento en la atención que se le presta en años recientes es aquello relacionado con la pureza del agua de alimentación a la caldera . Las calderas modernas de alta presión evaporan 100 ton o mas de agua por hora, y lo hacen 24 horas por dia, 365 días por año. Con estas tasa de evaporación tan altas, es obvio que si el agua de reposición entregada a estas calderas contiene aun pequeñas cantidades de materiales incrustantes, las superficies de calefacción internas de la caldera se convertirán pronto con depósitos incrustantes que habrá un sobrecalentamiento y la falla podría ocurrir. Por esto, se han elaborado sistemas de tratamiento de dosificación de químicos que no solamente reduce reduce la formación de incrustaciones incrustaciones a prácticamente prácticamente cero sino que también reducen el contenido de oxigeno para controlar la corrosión. El oxigeno en agua caliente es un agente extremadamente corrosivo. A veces estos sistemas de tratamiento de agua involucran evaporadores en los cuales el agua sin tratamiento es evaporada por vapor extraído desde la turbina y luego condensada. Otros sistemas usan intercambio iónico a través de desmineralizadores, o tratamiento químico en los cuales se precipita en material incrustante en la forma de barro antes de entrar a la caldera. En cualquiera de los sistemas, el propósito es adicionar solamente agua pura al sistema. Debería ser obvio que la cantidad de agua que necesita ser agregada al sistema mientras está en operación es pequeña, ya que el vapor que fluye por la turbina es condensado y retornado a la caldera. Hay pequeñas pérdidas, sin embargo, estas tienen que ser reemplazadas por lo que se conoce como agua de reposición. Esta agua de reposición es el agua que debe ser tratada. Otro factor en la operación de grandes plantas de potencia potencia que se ha ha convertido en importante es la emisión de polvo y cenizas por las chimeneas . En plantas donde se queman miles de toneladas de carbón por día, la emisión de cenizas puede convertirse en una seria molestia y en muchas mu chas ordenanzas de comunidades han sido promulgadas decretos que obligan a las plantas de potencia a reducir la emisión de cenizas y polvo a un mínimo. Este no ha sido un problema fácil y mucho dinero se ha tenido que invertir en el desarrollo de equipamiento para recolectar este material antes de que pase por la chimenea. Un número de métodos diferentes se utilizan. En un tipo de sistema, los gases son pasados entre placas eléctricamente cargadas. La intensidad del campo electroestático carga las partículas de polvo causando que las mismas sean atraídas por las placas. Luego que el polvo se ha acumulado hasta un cierto grosor sobre las placas es raspado o golpeado. En otros sistemas, el gas es puesto a girar a través de ciclones separadores o se pasa a través de cortinas de agua pulverizada. En cualquier cualquier caso con cualquiera cualquiera de los sistemas, sistemas, son generalmente caros e involucran altas habilidades de ingeniería en su diseño. Hasta aquí, hemos estado enfocados solamente con el sistema que involucra hasta el lado vapor de la planta de potencia, de hecho hemos solamente mencionado el generador electrico. Esto es por el hecho que la mayoría del ahorro que puede ser hecha en la operación de un generador electrico operado por vapor es justamente del lado vapor . Los generadores eléctricos modernos son una maquina extremadamente confiable y eficiente. Los generadores modernos tienen eficiencias tan altas como 97% así que las ganancias adicionales que pueden ser mejoradas en realidad son pequeñas.

Como se apuntó al principio de este tratado, básicamente un generador electrico consiste en un imán girando dentro de un grupo de bobinas de alambre. Mientras gira el imán el campo magnético rotante corta las bobinas estacionarias, se crea una corriente eléctrica en las bobinas y, conectado apropiadamente las mimas se puede producir voltaje de cualquier valor requerido. Los generadores modernos producen corrientes en voltajes entre 13.000 y 22.000Voltios. En los casos que la electricidad deba ser transmitida sobre largas distancias, se sube el voltaje del generador a través de transformadores. Un transformador es una especie de palanca eléctrica a través de los cuales el voltaje puede ser subido o bajado hasta un valor deseado. Los transformadores son las maquinas mas eficientes que el hombre haya construido, algunas de las unidades mas grandes tienen una eficiencia del 99%. Ahora, sobre la luz de todo esto, hagamos un esquema nuevo incorporando todo lo que hemos mencionado. Como puedes ver, se ha convertido en algo muy complejo que involucra muchas ramas de la ciencia: física, química, metalurgia, termodinámica, hidráulica, ingeniería estructural, electricidad, etc. El esquema se ha hecho tan grande que es necesaria una hoja entera para exponerlo.

Complejo como parece, este diagrama es solamente un diagrama esquemático simple, una planta de potencia real tienen otros dispositivos y sub sistemas que no se muestran en el dibujo. Por ejemplo, hasta aquí nada se ha dicho sobre el sistema de control de la combustión. Esto se muestra meramente con escaso detalle, mostrando solamente los dispositivos básicos. En realidad, los sistemas de control de combustión en grandes plantas requieren un esquema separado para mostrar todos los detalles y dispositivos ya que la operación de la planta seria virtualmente imposible sin estos. Esencialmente consiste en un dispositivo que es sensible a variaciones de flujo de vapor. Este dispositivo controlar una variedad de reles y mecanismos de actuación los cuales automáticamente controlan el flujo de combustible, aire, y agua de reposición de acuerdo a las condiciones de variación de carga. La conexión primaria al sistema de control de combustión a la línea principal de vapor es mostrado en A. El diagrama también incorpora recalentamiento y ambas etapas de alta y baja presión de la turbina. Después que el vapor ha pasado a través de la etapa de alta presión, es retornado a la caldera y, luego se recalienta nuevamente, para luego pasar por la etapa de baja presión de la turbina. También, hay 2 calentadores de agua, 3 calentadores de baja presión que tomar vapor de extracción desde la etapa de baja presión de la turbina, y 2 calentadores de alta presión que usan extracción desde la etapa de alta presión de turbina. Entre los dos conjuntos de calentadores está un calentador desaireador en el cual el oxigeno en el agua de alimentación es removido. El oxigeno en el agua de caldera a altas presiones es

Complejo como parece, este diagrama es solamente un diagrama esquemático simple, una planta de potencia real tienen otros dispositivos y sub sistemas que no se muestran en el dibujo. Por ejemplo, hasta aquí nada se ha dicho sobre el sistema de control de la combustión. Esto se muestra meramente con escaso detalle, mostrando solamente los dispositivos básicos. En realidad, los sistemas de control de combustión en grandes plantas requieren un esquema separado para mostrar todos los detalles y dispositivos ya que la operación de la planta seria virtualmente imposible sin estos. Esencialmente consiste en un dispositivo que es sensible a variaciones de flujo de vapor. Este dispositivo controlar una variedad de reles y mecanismos de actuación los cuales automáticamente controlan el flujo de combustible, aire, y agua de reposición de acuerdo a las condiciones de variación de carga. La conexión primaria al sistema de control de combustión a la línea principal de vapor es mostrado en A. El diagrama también incorpora recalentamiento y ambas etapas de alta y baja presión de la turbina. Después que el vapor ha pasado a través de la etapa de alta presión, es retornado a la caldera y, luego se recalienta nuevamente, para luego pasar por la etapa de baja presión de la turbina. También, hay 2 calentadores de agua, 3 calentadores de baja presión que tomar vapor de extracción desde la etapa de baja presión de la turbina, y 2 calentadores de alta presión que usan extracción desde la etapa de alta presión de turbina. Entre los dos conjuntos de calentadores está un calentador desaireador en el cual el oxigeno en el agua de alimentación es removido. El oxigeno en el agua de caldera a altas presiones es extremadamente corrosivo y debe ser removido antes de que entre a la misma. Esto se realiza a través de una calentador desaireador, el cual es meramente un tanque grande de agua hirviendo a presión atmosférica. La necesidad de tratamiento de agua apropiado has sido mencionado. En el diagrama, los sistemas de tratamiento de agua son indicados sin muchos detalles. Consiste de un sistema de tratamiento de agua a través de un evaporador. Así, toda el agua de reposición pasa a través del evaporador. Esta agua de reposición (el agua que se agrega continuamente para reponer las perdidas y purgas) entre al sistema en la forma de vapor que es entregado, como se muestra, al calentador de agua desaireador. En el evaporador el agua de entrada es calentada por el escape de vapor de la turbobomba de alimentación. Como se mencionó, un desmineralizador puede ser usado en lugar de un evaporador. La turbobomba de agua de alimentación recibe vapor desde el colector principal a través de una válvula reductora y un desobrecalentador. No es usual usar vapor sobrecalentado para turbinas auxiliares pequeñas, por muchas razones, primero porque los metales son más costosos, y segundo la eficiencia térmica no es tan importante en estos equipos auxiliares ya que el calor es retornado al sistema. Solamente hay que reducir el vapor de alta presión en la línea principal a través de una válvula reductora y luego desobrecalentar el vapor rociando agua al mismo. De esta forma vapor de baja presión saturado es entregado a la turbina auxiliar. En el diagrama, muestra una etiqueta como “purga continua ”. Por el continuo ciclo del agua a través de la caldera caldera y debido a perdidas en el sistema, el agua agua de caldera tiende tiende a aumentar su concentración de impurezas, sales incrustantes. Para mantener la concentración al mínimo, es necesario purgar la caldera periódicamente o continuamente. En plantas de potencia pequeñas, el operador lo realiza periódicamente a través de la apertura de una válvula de purga por algunos segundos y logra purgar el agua en la parte mas baja donde la concentración de sólidos es mayor. En plantas grandes, la cantidad de calor perdido por esta práctica tiende a ser mucho mayor así que sistemas de purga continua son utilizados. Con estos sistemas solamente una pequeña cantidad de agua es retirada continuamente pero antes de irse por la alcantarilla, se hace pasar por un calentador para calentar el agua de alimentación. Estos son algunos de los cientos de detalles de una planta de potencia moderna que hacen que sea realmente compleja. No es el objetivo de este tratado considerar todos estos detall es pero si mencionar que existen. Poco ha sido dicho acerca del control, excepto cuando se mencionó el control de la combustión. Sin embargo, constituye solamente un elemento de la

estación de control como un todo. Hoy día, la mayoría de plantas de potencia son controladas desde una única sala de control donde se muestra, mide, indica y graba toda la información de la planta. La estación moderna de generación generación de energía es uno de los sistemas más automáticos que el hombre haya creado, esto es así porque seria virtualmente imposible para los operadores observar y controlar precisamente todas las cantidades variables involucradas en la operación de una planta. De hecho, es imposible mantener manualmente bajo control presiones, temperaturas, niveles de líquidos, velocidad de maquinas. Por este motivo se utiliza un sistema de control central que automáticamente mide, registra, controla, da alarmas, muestra información al operador en todo momento. Las características de protección de una estación son complejas y están entrelazadas. En caso de problemas debido al fallo de una pieza de un aparato o una falla eléctrica en el circuito externo los eventos suceden rápidamente. Si la carga en un generador repentinamente cae y el gobernador de la turbina falla en actuar, la maquina que normalmente está rotando a 1500 rpm, incrementaría de repente su velocidad y podría explotar debido a la fuerza centrifuga en cuestión de 3 segundos. Las 40 toneladas de un rotor de un generador en una planta moderna girando a 1500 rpm tiene una energía de 330 HP-hora. Esto es aproximadamente aproximadamente la misma energía cinética que avión avión jet de 40 ton tendría a una velocidad de 800 km/hr. En el lado de caldera, si el suministro de agua falla, con una producción de un 100ton de vapor por hora quedaría seca en 90 segundos. Como estos equipos están valuados en millones de dólares, es obvio que cada posible medida debe ser tomada para asegurar su protección. Hay instrumentos complejos que no solamente miden la velocidad del turbogenerador en una fracción de revolución, pero también miden el grado de excentricidad del eje, y las características de vibración de la maquina. Un indicador de expansión expansión muestra la expansión axial de la carcasa carcasa de la turbina. El diagrama, como se notará, muestra al generador algo diferente que en los diagramas anteriores. Un imán permanente no podría proporcionar un campo magnético suficientemente fuerte, así que en cambio se utiliza un electroimán. Un electroimán es magnetizado por electricidad que fluye por las bobinas alrededor de la estructura magnética. En el caso de generadores grandes una corriente continua muy potente es enviada a la bobinas del rotor. Estos bobinados son conocidos como bobinas de campo, porque producen el campo magnético en el generador. Para proveer con corriente las bobinas de campo se hace necesario colocar un arreglo de contactos deslizantes para conducir la corriente desde la parte estacionaria a la parte rotante de la maquina. También, se vuelve necesario para proveer una fuente separada de corriente para excitar las bobinas de campo. Básicamente, aquí se muestra como se hace, pensando en un generador real la forma del rotor es muy diferente a la barra magnética mostrada en el diagrama.

Dos anillos colectores son montados sobre el eje principal del generador como se muestra. Estos anillos son conectados a los extremos del bobinado de campo. Las colillas estacionarias montadas sobre los anillos colectores, conducen la corriente de excitación desde la fuente hasta los bobinados en la parte rotante del generador. La corriente continua necesaria para excitar el campo del generador es usualmente suministrada por un generador de corriente continua separado, que está montado en el mismo eje que el rotor principal. Este generador pequeño de corriente continua es llamado el excitador ya que proporciona la corriente de excitación para el generador principal. El circuito excitador también provee un medio para controlar el voltaje del generador principal. Variando la corriente de excitación a través de un reóstato de campo, el voltaje del generador puede ser controlado entre los límites normales de operación. La velocidad del generador, sin embargo, es controlada por el gobernador de la turbina y su control es estricto. En realidad, la velocidad del generador es tan rigurosamente controlada que sirve como nuestro estándar de tiempo. La mayoría de nosotros en estos días medimos nuestro tiempo a través de relojes eléctricos sincronos. Estos relojes dependen de la velocidad constante del generador. Otros medios se proveen para chequear esta velocidad en relación con relojes independientes muy muy precisos en la oficina nacional de de estándares. Registradores de temperatura miden la temperatura dentro de los bobinados del generador, reles diferenciales actúan antes falla eléctrica interna de la maquina. Sistemas de enfriamiento por hidrogeno son provistos para remover las perdidas de calor del generador y por medio de enfriadores de hidrogeno en el sistema de condensado, este calor es retornado al agua de alimentación (esto es en plantas de energía muy grandes). No se pierde calor que pueda ser recuperado. Aun el calor recibido en los rodamientos es retornado al agua de alimentación a través de enfriadores de aceite en el sistema de condensado. A través de todo esto, debería estar claro que una planta de potencia moderna, los encargados deben ser especialistas de alto orden. Mientras que el sistema opera automáticamente aun necesita la dirección de personal idóneo los cuales son versados no solamente con los detalles del equipamiento sino con los principios básicos sobre los cuales opera el proceso.. También, a pesar de este largo tratado en el diseño y operación de plantas de potencia, debería quedar claro que es básicamente un primer acercamiento.

Basado en el documento “Power “Power Plant Primer” Carlos Chebataroff, Octubre 2011