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“Planta Termoeléctrica Convencional” Por José Luis Sánchez Garduño Facultad de Ingeniería, UNAM

1 INTRODUCCIÓN Una central termoeléctrica o planta termoeléctrica es una instalación empleada en la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, generalmente mediante la combustión de combustibles fósiles tales como gas natural (el más sencillo), combustóleo (el más sucio y contaminante), o carbón (el más complejo). Dicho calor es empleado dentro de un ciclo termodinámico para mover una turbina y finalmente producir energía eléctrica. En otras palabras, el proceso consiste en la quema de un combustible para calentar un fluido hasta generar vapor, a continuación se transforma la energía cinética del vapor en energía mecánica haciéndolo pasar a través de una turbina, que a su vez está conectada a un generador eléctrico proporcionándole el par mecánico necesario para finalmente transformar esa energía mecánica en energía eléctrica. La eficiencia de este tipo de plantas ronda alrededor del 39%.

Los elementos principales que conforman una planta de este tipo son la caldera o generador de vapor, la turbina, el generador eléctrico, el transformador y de existir, la torre de enfriamiento. Para el presente trabajo nos centraremos principalmente en lo referente al generador de vapor, no sin mencionar quizá las características principales de las otras partes del proceso.

2 EL GENERADOR DE VAPOR Se denomina generador de vapor o caldera, como se le llamaba anteriormente, al conjunto de elementos conformado principalmente por el horno u hogar, las cámaras de agua o evaporadores, los quemadores, sobrecalentadores, recalentadores, el economizador y el precalentador de aire. Su función principal consiste en conducir el vapor a las condiciones físicas que la turbina demanda. Básicamente dentro del generador de vapor, lo que nosotros podemos encontrar mayoritariamente son conjuntos de tubos conductores de agua hechos de aceros aliados para resistir las altas temperaturas y presiones a las que están sometidos, los cuales son principalmente de dos tipos: de pared o serpentines (se les da esta forma, porque es la manera posible de hacer mayor contacto con el gas). Por otro lado, están los ventiladores de tiro forzado (VTF´s) que son los encargados de suministrar el oxígeno para llevar a cabo la combustión, los precalentadores de aire regenerativos, los propios ductos por donde se conduce el aire, y los quemadores, lugar donde se juntan aire, combustible y mediante una chispa llamada piloto, se realiza el proceso de combustión. Resulta interesante mencionar que dentro del Generador de vapor se llevan a cabo los tres procesos posibles de transferencia de calor: radiación convección y conducción, y que con el óptimo aprovechamiento de estos y su combinación se puede lograr la máxima eficiencia posible. Siendo por radiación lo que se refiere propiamente al calor transferido por las llamas de los calentadores a los tubos con agua, por convección los gases o el propio vapor que calienta el metal de los sobrecalentadores y precalentadores y por conducción los tubos de los sobrecalentadores y precalentadores que calientan el fluido que llevan en su interior. Como es bien sabido existen muchos tipos de generadores de vapor, pero pueden ser clasificados de la siguiente forma:

Por Naturaleza del Servicio

Estacionarios Portátiles Móviles Carbón Combustibles Líquidos

Por el tipo de Combustible

Combustibles Gaceosos Mistos

Generador de Vapor Por el tipo de Circulación

Por el Tipo de Quemadores

Natural Forzada

Frontales Tangenciales

2.1 SISTEMAS DEL GENERADOR DE VAPOR No obstante que el comportamiento de un generador de vapor está conformado por una extensa gama de sistemas, su principio de funcionamiento puede ser englobado básicamente en tres sistemas principales: 1.- El sistema de gases de combustión: que consiste en ingresar el combustible. 2.- El sistema de aire de combustión: que consiste en suministrar o inyectar el aire (comburente), para la combustión, y 3.- El sistema de agua- vapor: que consiste en el ciclo para generar el vapor a las condiciones que la turbina demande. 2.1.1 Sistema de inyección de Combustión Para poder realizar la combustión, antes que nada se precisa quemar el combustible hasta un punto de líquido atomizable. Para ello y en el caso del combustóleo, este se atomiza con vapor, primero calentándolo hasta un estado líquido, y haciendo circular través de un mecanismo de dos tuberías (una dentro de la otra) en el cual por el tubo interno se hace circular el combustóleo en estado líquido y por el externo vapor que calienta el combustóleo hasta un estado de liquito atomizable. Mediante el uso de una ficha o “sprayer cap” se atomiza el combustóleo para así obtener la gota más fina posible. A todo este mecanismo se le denomina quemador, y como podrá entenderse, su principio de funcionamiento es similar al de una estufa o un calentador de agua común. Con la diferencia de que como medida de seguridad, y mediante el uso de pistones, estos quemadores se insertan o se sacan del hogar para evitar que se deshagan o derritan cuando están apagados o fuera de funcionamiento y no exista el flujo de aire o combustóleo a través de ellos, flujos que funcionan como su propio medio de enfriamiento cuando el quemador está operando.

Además, para la protección de estos quemadores, y de toda la unidad en sí, se dispone de un dispositivo detector de flama, que al no encontrarla, y mediante la ayuda de válvulas de corte, cierra por completo la circulación de combustible, ya que de no ser así, una fuga sería inminente, y los resultados podrían ser catastróficos.

2.1.2 Sistema de Aire de Combustión Este sistema tiene un propósito regenerativo, el cual consiste en inyectar y precalentar el aire antes de combinarse con el combustóleo para así obtener una mayor eficiencia térmica. Para llevar a cabo la inyección de aire de la atmosfera hacia el hogar a través de ductos a baja presión, se utilizan ventiladores de tiro forzado (VTF´s), los cuales pueden ser: Centrífugos: Hechos a base de canjilones, conectados o ensamblados a un motor que conducen el aire a tubos herméticos. Axiales: Hechos a base de álabes o aspas, y que como ventaja de estos dispositivos se puede rescatar que no hacen ruido. Antes de que el aire ingrese al precalentador de aire, como protección de este último, al aire atraviesa unos ductos denominados “calentadores aire-vapor” los cuales elevan un poco la temperatura del aire, para ahora sí, ser enviado al precalentador de aire, el cual es un intercambiador de calor gas-gas. Ya dentro del precalentador, el aire circula por un ducto que comparte una parte giratoria llamada Ljungstrom, con otro ducto por el que circulan los gases de salida a la chimenea, cuya función es calentar el ljungstrom, para que este su vez caliente el aire que va ingresando. Esta parte giratoria está conformada por canastillas que a su vez están compuestas por laminillas corrugadas u onduladas paralelas y concéntricas a su eje de rotación, y a medida que el Ljungstrom gira, los gases de combustión que vienen de calentar los serpentines del economizador, entran al precalentador y pasan paralelamente entre las laminillas corrugadas calentándolas, y debido al constante giro pasan a la trayectoria del aire elevando su temperatura, y como consecuencia disminuyendo la propia de las laminillas hasta que la rotación llegue de nuevo a la trayectoria de los gases, tal como se muestra en la siguiente figura.

Mas debido a que la quema de combustóleo es un proceso muy sucio y contaminante, ya que arroja elevadas cantidades de azufre, y que a temperaturas excesivas estas producen ácido sulfúrico y a su vez

la corrosión de los materiales, se precisa que el precalentador trabaje en un punto de temperatura especifico en el que no sea posible que el azufre forme ácido sulfúrico. Finalmente, solo se tienen arreglos de ductos y compuertas para conducir el aire precalentado a los quemadores dispuestos en el hogar para ser combinado con el combustóleo atomizado, anteriormente descrito, y mediante el uso de un pequeño quemador denominado piloto, se da la chispa para producir la combustión.

2.1.3 Sistema de Agua-Vapor Para este sistema, el agua es succionada mediante bombas, pero antes de hacerla llegar al generador de vapor, es preciso que ésta pase por una serie de procesos para garantizar su óptimo funcionamiento y la seguridad y mantenimiento del generador. Por un lado no puede llegar completamente fría y por otro, es preciso garantizar mediante un desaireador que el agua que ingresa al generador no lleve aire, porque es el principal causante de la oxidación de los tubos. Para ello tiene que pasar por un proceso de precalentamiento en base a los propios extractores de vapor de la caldera, el primero de ellos, el precalentador proveniente de la turbina de alta presión, después es conducida a una parte de la caldera denominada economizador, en donde el agua se calienta por convección en el interior de las tuberías de estos serpentines, los cuales fueron calentados por convección en el exterior, por los gases producidos en la combustión y que van hacia la chimenea. Al salir del economizador el agua pasa de un estado de líquido saturado a 99 °C a vapor de saturación a 100 °C, el cual llega al domo donde se separa el agua del vapor procurando la mayor superficie de evaporación posible. Dicha agua sube su temperatura y desciende por los tubos de caída o bajada (por fuera de la caldera), hasta unos colectores debajo de la misma que distribuyen el agua por los tubos de ascenso o de subida, que son las "paredes de agua" o "evaporador", hacia arriba hasta llegar de nuevo al domo. A medida que el calor producido por la combustión, calienta el agua que va por las "paredes de agua", esta empieza a evaporarse, con lo que se forma una mezcla agua- vapor, que es conducida a un colector arriba y luego entra de nuevo al domo. A este proceso se le denomina" Circulación Natural", ya que se basa en el principio de que la densidad del agua es mayor que la del vapor, ya que el peso del agua en los tubos de caída, impulsa la mezcla agua-vapor en los tubos de ascenso hacia el domo. En otras palabras, la mezcla agua-vapor que entra al domo, sufre una separación. El agua separada del vapor se mezcla con el agua que viene del economizador, aumentando la temperatura de esta mezcla que entra a los tubos de caída. El vapor separado sale del domo, como vapor saturado al cual se le hace pasar por una serie de 2 a 4 sobrecalentadores para finalmente hacerlo pasar por un "Atemperador" que permita ingresar el vapor a la turbina de alta presión a las condiciones específicas que demanda el fabricante, misma que se encuentra dotada de elementos de sellado para evitar fugas de vapor y con esto pérdidas de eficiencia. Al pasar por la turbina de alta presión el vapor se expande contra los alabes de ésta y la energía cinética y térmica del vapor se convierte en energía mecánica, imprimiéndole un movimiento rotatorio al eje de la turbina. Esto induce a que el vapor pierda gran parte de su energía térmica y baje su temperatura y presión, este vapor es conducido nuevamente a la caldera hacia un elemento llamada “recalentador”

donde su presión baja pero su temperatura sube y se dirige a la turbina de mediana presión, aquí de nueva cuenta la energía térmica y cinética del vapor se convierten en mecánica y coayuda al movimiento del eje de la turbina para finalmente pasar a la turbina de baja presión donde realiza el mismo trabajo y a la salida de esta entra al condensador donde regresa a su estado líquido. Resulta importante mencionar que la turbina de alta presión es la de menor tamaño y conforme baja la presión, incrementa el tamaño de las turbinas de media y baja presión ya que maneja gases en expansión. Para el caso de la turbina de baja presión, bastante más grande que la de alta, el vapor entra por el centro y se expande a dos turbina idénticas, finalmente el resto se condensa al pozo caliente (que curiosamente es el punto más frío del ciclo). Por ende, resulta evidente que los álabes de las turbinas también van aumentando de tamaño conforme el vapor se va enfriando, y sobre su descripción básicamente suelen ser de dos tipos: Fijos: los cuales se encuentran montados sobre la carcasa, y se dilatan más lentamente, y Móviles: que se encuentran montados sobre el rotor, y su proceso de dilatación se lleva a cabo más rápidamente.

3 EL CONDENSADOR El condensador o extractor de calor, es la parte del sistema donde el vapor que sale de las turbinas regresa a su estado líquido mediante un sistema de enfriamiento a muy baja presión, siendo deseable el vacío, para reiniciar el ciclo termodinámico. Para generar ese vacío, podemos partir del supuesto de que si el condensador no permitiera en lo absoluto la entrada de aire y que en el vapor que llega a este no existiera absolutamente nada de aire o gases no condensables, solamente sería necesario extraer el vapor condensado para crear y mantener el vacío. Ya que la rápida reducción del volumen del vapor que se transforma en agua produce vacío por la diferencia del volumen específico entre estos estados, y bombeando el agua de la parte baja del condensador tan pronto como se va formando, se podría mantener el vacío así creado. Sin embargo, como es prácticamente imposible evitar la entrada de aire y otros gases, se recurre al uso de una bomba de aire o eyector de aire que no es otra cosa, más que una bomba que sirve para expulsar un fluido a gran velocidad mediante la corriente de otro fluido.

3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Como ya se mencionó, la función primaria del condensador consiste en producir y mantener una baja presión de evacuación, y la causa principal del vacío es la condensación del vapor, debido a que el volumen especifico del vapor es mucho mayor que el volumen especifico del agua. Para dicho fin, lo primero que se hace es encender la caldera y comenzar a generar vapor y a continuación se pone en funcionamiento el eyector de arranque, justo cuando ya existe vapor en el condensador para sacar el aire inicial. Dentro del condensador existe un serpentín por el que circula agua de enfriamiento o agua de circulación lo que permite condensar el vapor en el pozo caliente, para así poder manejar un ciclo cerrado.

4 CICLO TERMODINÁMICO El ciclo termodinámico que rige el comportamiento de la planta que hemos estudiado es el ciclo Rankine Regenerativo con Sobrecalentamiento y Recalentamiento, cuya grafica se presenta a continuación:

Es importante mencionar que la entropía es una medida de la energía de un sistema sobre unidad de masa y temperatura absoluta. Ahora bien, para nuestro caso vemos que para generar el vapor, partimos de líquido saturado, al cual aumentamos la temperatura hasta llegar al punto de cambio de estado de evaporación, donde la

temperatura permanece constante, conforme aumenta la entropía, una vez que alcanza una presión adecuada, el vapor se sobrecalienta en la caldera lo que implica subir la temperatura media, a continuación la temperatura del vapor comienza a descender isobáricamente (Presión = cte.) y es ahí donde metemos la etapa de recalentamiento para el uso de una segunda turbina y así mejorar la eficiencia y el aprovechamiento del calor, aunque también es importante observar la expansión de la turbina en el aumento de S. Es importante notar que el ciclo comienza en líquido saturado, y termina en vapor saturado a la salida de la segunda turbina, o tercera si fuera el caso (Turbina de baja presión), y ahí entra en el condensador (Temperatura = cte.), para de nuevo generar líquido saturado y continuar con el ciclo, pero que cualquier cambio de fase en lugares donde no debe de haberlo repercutiría en un daño inminente, por ejemplo, a la turbina debe de llegar única y exclusivamente vapor, tal como a los calentadores y al economizador única y exclusivamente agua.

5 PUESTA EN MARCHA Ya hemos analizado el comportamiento y principio de funcionamiento de una planta termoeléctrica convencional o de vapor, ahora, trataremos de expresar los pasos a seguir para poder ponerla en marcha: 1.- En primera instancia se requiere hacer circular el agua de enfriamiento a lo largo de toda la planta, ya que como es de esperarse, todo el sistema gira y se calienta, y el flujo continuo, es en muchos partes, su propio sistema de enfriamiento, así que antes de calentar se requiere que esté funcionando correctamente el sistema de enfriamiento. 2.- Con el uso de la bomba de llenado, se requiere introducir agua al generador de vapor hasta un nivel considerable del domo, un nivel de encendido ligeramente más bajo que el de operación, ya que como mencionamos, el medio que circula es su propio sistema de enfriamiento. 3.- A continuación se debe poner en servicio el sistema de circulación de aire, es decir, encender los ventiladores de tiro forzado y el precalentador de aire regenerativo. Por llamarlo de algún modo, podríamos decir que es un sistema de “meta aire-saca aire”, ya que este, es también su propio medio de enfriamiento. 4.- Hecho lo anterior se procede a encender el primer calentador, solo uno, para que así el aumento de temperatura sea gradual, controlable y soportable por la estructura metálica que sostiene a los serpentines. 5.- Después se procede a ir encendiendo los demás calentadores hasta alcanzar la temperatura del punto de operación necesario para el correcto funcionamiento del resto del sistema. 6.- El primer vapor que se obtiene, se utiliza para generar el vacío en el condensador y poniendo en marcha el eyector de arranque. 7.- A continuación de deja circular un pequeño flujo de vapor para calentar la turbina antes de hacerla girar.

8.- Una vez que se tienen las condiciones adecuadas tanto en la carcasa como en el rotor, podemos comenzar a “rodar la turbina” de manera gradual hasta alcanzar la velocidad síncrona (3600 rpm para el caso de un generador de dos polos), pero para ello se realizan pruebas a 100 y 200 rpm cerrando el flujo de vapor para verificar que no exista ningún tipo de ruido, ya que lo más indeseable en la turbina es que existan vibraciones o velocidades donde entre en resonancia siendo estos efectos potencialmente peligrosas para esta. 9.- Como último paso se excita el generador, para finalmente sincronizarlo a la red, hecho para el cuál se abre el vapor a su máxima capacidad para que sea capaz de soportar “el golpe”. Cabe mencionar, a manera de conclusión, que la finalidad primordial de las protecciones de cualquier índole, es proteger la fuente, entonces para nuestro caso lo primordial es proteger el generador eléctrico, las turbinas y finalmente cortar el suministro de combustible del generador de vapor ante cualquier disturbio o falla, porque cualquier falla en los sistemas de seguridad y protección de estos equipos podría resultar en desastres catastróficos en todos los aspectos posibles.

6 BIBLIOGRAFÍA 

Steam its generation and use, Edition 41, The Babcock & Wilcox Company.