Principios Fundamentales Ciclos a Vapor Centrales Eléctricas FI – UBA

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1 Principios Fundamentales Ciclos a Vapor 65.17 - Centrales Eléctricas FI – UBA - 2009

2 Temario Ciclo de Rankine Ciclo de Rankine Mejoras al Ciclo Rankine Mejoras al Ciclo Rankine Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento (Ciclo de Hirn) Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento (Ciclo de Hirn) Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio Ciclo Rankine con precalentamiento regenerativo del agua de alimentacion Ciclo Rankine con precalentamiento regenerativo del agua de alimentacion Esquema de proceso Esquema de proceso Curvas de Vapor Curvas de Vapor

3 Ciclo Rankine Elemental Esquema simplificado del Ciclo Rankine Elemental

4 Ciclo Rankine contrapresion - condensación CONTRAPRESIÓN CONDENSACIÓN

5 Ciclo Rankine Elemental Ciclo Termodinámico E-A Compresión isentrópica bomba alim. (Wp= h A – h E ) E-A Compresión isentrópica bomba alim. (Wp= h A – h E ) A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= h C – h A ) A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= h C – h A ) C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= h C – h D ) C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= h C – h D ) D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= h E – h D ) D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= h E – h D ) TRABAJO NETO wneto = (h C – h D) – (h A – h E ) EFICIENCIA TERMODINÁMICA = wneto = (h C – h D) – (h A – h E ) = 1 - (h D – h E) Qa (h C – h A ) (h C – h A ) Qa (h C – h A ) (h C – h A )

6 Aumento del trabajo neto Aumento del trabajo neto Aumento de la eficiencia Aumento de la eficiencia Disminución del costo unitario de la instalación Disminución del costo unitario de la instalación Optimización

7 Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento Esquema del Ciclo Rankine con sobrecalentamiento

8 Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento Ciclo Termodinámico E-A Compresión isentrópica bomba alim.(Wp= h A – h F ) E-A Compresión isentrópica bomba alim.(Wp= h A – h F ) A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= h D – h A ) A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= h D – h A ) C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= h D – h E ) C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= h D – h E ) D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= h E – h F ) D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= h E – h F ) TRABAJO NETO wneto = (h D – h E) – (h A – h F ) EFICIENCIA TERMODINÁMICA = wneto = (h D – h E) – (h A – h F ) Qa (h D – h A ) Qa (h D – h A )

9 Aumento de la presión de saturaciónAumento de la presión de saturación Aumento de la temperatura de sobrecalentadoAumento de la temperatura de sobrecalentado Descenso de la temperatura de la fuente fríaDescenso de la temperatura de la fuente fría Precalentamiento de agua de alimentación (ciclo regenerativo) Precalentamiento de agua de alimentación (ciclo regenerativo) Recalentamiento de vapor Recalentamiento de vapor Precalentamiento de agua de alimentación Precalentamiento de agua de alimentación Precalentamiento del aire de combustión Precalentamiento del aire de combustión Estrategias para optimización

10 Modificación del ciclo con el aumento de las condiciones p y t

11 Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente) Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente) Aumenta el costo de conducciones y aumentan las pérdidas por bombeo Aumenta el costo de conducciones y aumentan las pérdidas por bombeo Empeoran las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación natural (vapor y agua tienden a igualar densidad y menor efecto termosifón). Empeoran las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación natural (vapor y agua tienden a igualar densidad y menor efecto termosifón). Empeora título de vapor en el escape de turbina. Empeora título de vapor en el escape de turbina. Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor por aumento de las secciones de paos en generador de vapor y turbina Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor por aumento de las secciones de paos en generador de vapor y turbina Aumento de presión de vapor

12 Aumento de eficiencia con aumento de la presión

13 Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente)Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente) Metalurgia aceros aleados cromo molibdeno e inoxidables austeníticos para sobrecalentadores.Metalurgia aceros aleados cromo molibdeno e inoxidables austeníticos para sobrecalentadores. Límite máximo práctico en sobrecalentadores: 545 °C a 565°C (costos, condiciones de laminabilidad y soldabilidad) Límite máximo práctico en sobrecalentadores: 545 °C a 565°C (costos, condiciones de laminabilidad y soldabilidad) Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones. Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones. Mejora las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación natural Mejora las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación natural Mejora título de vapor en el escape de turbina.Mejora título de vapor en el escape de turbina. Requerido a medida que aumenta caudal de vapor para acompañar aumento de presión Requerido a medida que aumenta caudal de vapor para acompañar aumento de presión Aumento de temperatura de vapor

14 Aumento de eficiencia con aumento de la temperatura

15 Efecto de la disminución de la temperatura de condensado

16 El límite teórico es la temperatura del sumidero (fuente fría): temperatura de bulbo húmedo del aire (ciclo cerrados con torre de enfriamiento), temperatura del agua de refrigeración (ciclos abiertos), temperatura del aire (aerocondensadores)El límite teórico es la temperatura del sumidero (fuente fría): temperatura de bulbo húmedo del aire (ciclo cerrados con torre de enfriamiento), temperatura del agua de refrigeración (ciclos abiertos), temperatura del aire (aerocondensadores) El límite económico está dado por una temperatura de “approach” óptima más allá de la cual la mejora de eficiencia no está justificada por el aumento desmedido del costo de la instalacíon de refrigeración.El límite económico está dado por una temperatura de “approach” óptima más allá de la cual la mejora de eficiencia no está justificada por el aumento desmedido del costo de la instalacíon de refrigeración. También aumenta en forma desmedida el costo de la turbina de baja presión por el aumento de la sección de escape por el aumento del volumen específico del vaporTambién aumenta en forma desmedida el costo de la turbina de baja presión por el aumento de la sección de escape por el aumento del volumen específico del vapor Disminución de la temperatura de condensación

17 Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio

18 Curvas de Vapor Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio

19 Ciclo Termodinámico EFICIENCIA TERMODINÁMICA

20 Instalación más complejaInstalación más compleja Oliga a turbina de dos o más secciones. Oliga a turbina de dos o más secciones. Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones. Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones. Mejora título de vapor en el escape de turbina. Mejora título de vapor en el escape de turbina. No necesariamente aumenta el rendimiento No necesariamente aumenta el rendimiento Elección de la presión de recalentado en relación a la presión inicial (20 a 25 % aproximadamente) Elección de la presión de recalentado en relación a la presión inicial (20 a 25 % aproximadamente) Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor y la presión de sobrecalentado Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor y la presión de sobrecalentado Regla general: 1 etapa de recalentamiento por encima de 50 MW. Experiencias no exitosas con 2 etapas Regla general: 1 etapa de recalentamiento por encima de 50 MW. Experiencias no exitosas con 2 etapas Precisiones sobre el recalentamiento

21 Aumento de eficiencia con n° de recalentadores

22 Efecto de la elección presión de recalentamiento Efecto de la relación de presión inicial / presión de recalentado en rendimiento, temperatura de vapor recalentado frío y título de vapor en el escape de la turbina Ciclo de 180 ata y 540°C en entrada de turbina Relación presión recalentamiento / presion inicial VARIACIÓN DEL RENDIMIENTO TEMPERATURA DE RECALENTADO FRÍO TÍTULO DE VAPOR EN EL ESCAPE DE TURBINA

23 Ciclo Rankine regenerativo Esquema Simplificado Ciclo Termodinámico

24 Disminuye la irreversibilidad interna (calentamiento gradual del agua de alimentación) Disminuye la irreversibilidad interna (calentamiento gradual del agua de alimentación) Aumenta el rendimiento termodinámico Aumenta el rendimiento termodinámico Disuminuye el trabajo específico (trabajo / kg de vapor) Disuminuye el trabajo específico (trabajo / kg de vapor) Instalación más compleja Instalación más compleja Oliga a turbina con extracciones de vapor. Oliga a turbina con extracciones de vapor. Calentadores de superficie exigidos Calentadores de superficie exigidos Riesgo de inundación de calentadores y retorno de agua a turbina. Riesgo de inundación de calentadores y retorno de agua a turbina. Cantidad de calentadores en función de la potencia de grupo Cantidad de calentadores en función de la potencia de grupo Ciclos regenerativos

25 Ciclos regenerativos con calentadores de mezcla DIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE MEZCLA

26 Ciclos regenerativos con calentadores de superficie en cascada DIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE SUPERFICIE EN CASCADA

27 Ciclo Supercrítico con doble recalentamiento DIAGRAMA TS CICLO RANKINE SUPERCRÍTICO CON DOS RECALENTAMIENTOS

28 Disminución del CTU con calentamiento del agua (con recal.)

29 Curvas de VaporDisminución del CTU con calentamiento del agua (con recal.)

30 Aumento de eficiencia con n° de calentadores

31 Parámetros de vapor usuales (1)

32 Parámetros de vapor usuales (2)

33 Eficiencias termodinámica de los distintos ciclos de vapor

34 Concepto de Irreversibilidades Externas: originadas los procesos de intercambio de calor entre el sistema y el exterior Externas: originadas los procesos de intercambio de calor entre el sistema y el exterior Internas: originadas en los procesos de producción y consumo de trabajo dentro del sistema Internas: originadas en los procesos de producción y consumo de trabajo dentro del sistema

35 Irreversibilidades externas IRREVERSIBILIDAD EN LOS INTERCAMBIOS DE CALOR SURGIDO POR DIFERENCIAS DE TEMPERATURAS ENTRE SISTEMA Y FUENTES EXTERNAS TANTO EN GENERADOR DE VAPOR COMO EN CONDENSADOR

36 Irreversibilidades internas IRREVERSIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE TRABAJO MECÁNICO NO ADIABÁTICO POR PÉRDIDAS POR FRICCIÓN TANTO EN TURBINA COMO EN BOMBA DE ALIMENTACIÓN

37 Flujo de energía en un ciclo de vapor (Diagrama de Sankey)

38 Consumo de auxiliares

39 Esquema de proceso

40 Ciclo Térmico de un grupo supercrítico 512 MW h ENTALPÍA (Btu/lb) P PRESIÓN (psia) # flujo (lb/h) BFP TURBOBOMBA DE ALIMENTACIÓN RHTR RECALENTADOR SSR REGULADOR DE VAPOR DE SELLOS SPE CONDENSADOR DE VAPOR DE SELLOS H.P. SECCIÓN DE TURBINA DE ALTA PRESIÓN I.P. SECCIÓN DE TURBINA DE MEDIA PRESIÓN L.P. SECCIÓN DE TURBINA DE BAJA PRESIÓN DC DIFERENCIA TERMINAL DE TEMPERATURA DE CONDENSADO (°F) TTD DIFERENCIA TERMINAL TEMPERATURAS (°F)

41 Ciclo térmico de cogeneración “topping” CICLO DE COGENERACIÓN A CONDENSACIÓN CON EXTRACCIÓN DE VAPOR PARA PROCESO

42 Tipos de cogeneración Topping: se produce vapor de alta entalpía para la producción de electricidad y se utiliza vapor de baja entalpía para proceso tomado de: Topping: se produce vapor de alta entalpía para la producción de electricidad y se utiliza vapor de baja entalpía para proceso tomado de: Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación Escape de una turbina a vapor de contrapresión Escape de una turbina a vapor de contrapresión La presión de vapor oscila entre 0.5 a 40 bar. Ejemplos: refinación y petroquímica donde se genera electricidad y se aprovecha vapor de baja temperatura para calefacción de reactores / torres de destilación. Alta eficiencia Bottoming: se produce vapor de alta entalpía para proceso y el vapor efluente de baja entalpía se utiliza para producción de electricidad. Ejemplos: hornos de cemento o metalurgia a con gases de escape aun muy calientes que se aprovechan para generación. Baja eficiencia

43 Distintas disposiciones de cogeneración “topping” Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación Escape de una turbina a vapor a contrapresión Escape de una turbina a vapor a contrapresión Turbogenerador a gas asociado a un HRGS para producir vapor a proceso Turbogenerador a gas asociado a un HRGS para producir vapor a proceso Turbogenerador a gas asociado a un HRSG / turbogenerador a vapor Turbogenerador a gas asociado a un HRSG / turbogenerador a vapor

44 Concepto de Cogeneración