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

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

Ciclo Rankine Elemental Esquema simplificado del Ciclo Rankine Elemental

Ciclo Rankine contrapresion - condensación CONTRAPRESIÓN

Ciclo Rankine Elemental Ciclo Termodinámico E-A Compresión isentrópica bomba alim. (Wp= hA – hE) A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= hC – hA) C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= hC – hD) D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= hE – hD) TRABAJO NETO Dwneto = (hC – hD) – (hA – hE) EFICIENCIA TERMODINÁMICA h = Dwneto = (hC – hD) – (hA – hE) = 1 - (hD – hE) Qa (hC – hA) (hC – hA)

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

Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento Esquema del Ciclo Rankine con sobrecalentamiento

Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento Ciclo Termodinámico E-A Compresión isentrópica bomba alim.(Wp= hA – hF) A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= hD – hA) C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= hD – hE) D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= hE – hF) TRABAJO NETO Dwneto = (hD – hE) – (hA – hF) EFICIENCIA TERMODINÁMICA h = Dwneto = (hD – hE) – (hA – hF) Qa (hD – hA)

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

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

Aumento de presión de vapor Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente) 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) . 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

Aumento de eficiencia con aumento de la presión

Aumento de temperatura de vapor Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente) 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) Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones. Mejora las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación natural Mejora título de vapor en el escape de turbina. Requerido a medida que aumenta caudal de vapor para acompañar aumento de presión

Aumento de eficiencia con aumento de la temperatura

Efecto de la disminución de la temperatura de condensado

Disminución de la temperatura de condensación 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. 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 vapor

Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio

Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio Curvas de Vapor

Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio Ciclo Termodinámico EFICIENCIA TERMODINÁMICA

Precisiones sobre el recalentamiento Instalación más compleja Oliga a turbina de dos o más secciones. Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones. Mejora título de vapor en el escape de turbina. No necesariamente aumenta el rendimiento 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 Regla general: 1 etapa de recalentamiento por encima de 50 MW. Experiencias no exitosas con 2 etapas

Aumento de eficiencia con n° de recalentadores

Efecto de la elección presión de recalentamiento VARIACIÓN DEL RENDIMIENTO TEMPERATURA DE RECALENTADO FRÍO TÍTULO DE VAPOR EN EL ESCAPE DE TURBINA Relación presión recalentamiento / presion inicial 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

Ciclo Rankine regenerativo Ciclo Termodinámico Esquema Simplificado

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

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

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

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

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

Disminución del CTU con calentamiento del agua (con recal.) Curvas de Vapor

Aumento de eficiencia con n° de calentadores

Parámetros de vapor usuales (1)

Parámetros de vapor usuales (2)

Eficiencias termodinámica de los distintos ciclos de vapor

Concepto de Irreversibilidades 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

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

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

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

Consumo de auxiliares

Esquema de proceso

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)

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

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: Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación 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

Distintas disposiciones de cogeneración “topping” Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación 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 HRSG / turbogenerador a vapor

Concepto de Cogeneración