Centrales Termoeléctricas con Turbinas de Ciclo Combinado Facultad de tecnología Universitarios.- Rengifo Valeria Flores Flores Manuel Balderas Vasquez.

Presentación del tema: "Centrales Termoeléctricas con Turbinas de Ciclo Combinado Facultad de tecnología Universitarios.- Rengifo Valeria Flores Flores Manuel Balderas Vasquez."— Transcripción de la presentación:

1 Centrales Termoeléctricas con Turbinas de Ciclo Combinado Facultad de tecnología Universitarios.- Rengifo Valeria Flores Flores Manuel Balderas Vasquez Gadiel Leonid Materia.- Maquinas térmicas III

2 Objetivo En nuestro ámbito una de las cosas a las que nos volvimos dependientes es la energía eléctrica que se volvió fundamental para neutro día a día, de este modo se vio diversas maneras de generar esta. Generación de energía mediante maquinas térmicas (centrales termoeléctricas).

3 Se denomina energía termoeléctrica a la forma de energía que resulta de liberar el agua por medio de un combustible para mover un alternador y producir energía eléctrica.energía La energía termoeléctrica puede usar como combustibles productos fósiles como petróleo, carbón o gas natural (ciclo combinado), átomos de uranio, en el caso de la energía nuclear, y energía solar para la generación solar-termoeléctrica.petróleocarbóngas naturalciclo combinadouranioenergía nuclearenergía solar Las centrales termoeléctricas de ciclo combinado es aquella donde se genera electricidad mediante la utilización conjunta de 2 turbinas  Un turbogrupo de gas  Un turbogrupo de vapor Las centrales termoeléctricas, son muy importantes para nuestro medio ya que estas, son las que aportan una gran cantidad de energía eléctrica al SIN (sistema interconectado nacional).

4 MARCO TEÓRICO La electricidad es una de las principales formas de energía usadas en el mundo actual. Sin ella no existiría la iluminación conveniente, ni comunicaciones de radio y televisión, ni servicios telefónicos, y las personas tendrían que prescindir de aparatos eléctricos que ya llegaron a constituir parte integral del hogar. Tipos de centrales de producción de energía eléctrica. Centrales hidroeléctricas. La turbina se mueve gracias un chorro de agua a gran velocidad, aprovechando los saltos de agua; ya sean: Naturales: cascadas, desniveles en los ríos. Artificiales, construidos en los embalses.

5 Centrales térmicas. La turbina es movida gracias a un chorro de vapor a presión obtenido calentando agua. Central térmica de As Pontes, (A Coruña).

6 Termo solares: Una central térmica solar o central termo solar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una central eléctrica clásica.

7 Una central térmica nuclear o planta nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear. Se caracteriza por el empleo de combustible nuclear fisionable que mediante reacciones nucleares proporciona calor que a su vez es empleado, a través de un ciclo termodinámico convencional, para producir el movimiento de alternadores que transforman el trabajo mecánico en energía eléctrica Centrales termonucleares:

8 Centrales eólicas.- En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para mover las palas de un rotor situado en lo alto de una torre, el aerogenerador.

9 Centrales mareomotrices. Funcionan de modo similar a las centrales hidroeléctricas, pero aprovechando las diferencias del nivel del mar entre la marea alta (pleamar) y la marea baja (bajamar). También entran en esta categoría de centrales las que aprovechan el movimiento de las olas para mover la turbina.

10 Centrales solares fotovoltaicas. Convierten directamente la energía radiante del sol en energía eléctrica. Para ello se usan células solares fotovoltaicas que aprovechan el efecto fotoeléctrico, es decir la capacidad de algunos materiales (los semiconductores) para convertir la energía luminosa en corriente eléctrica.

11 Evolución de la potencia instalada en centrales termoeléctricas en Bolivia

12 Desarrollo: Funcionamiento del ciclo combinado en las centrales térmicas El proceso de generación de energía mediante el ciclo combinado se basa en la utilización de una turbina de gas, una turbina de vapor y una caldera de recuperación. El ciclo térmico del circuito agua-vapor comienza con la aspiración del aire desde el exterior, el cual es conducido al compresor de la turbina de gas a través de unos filtros. Posteriormente el aire se comprime y se combina con el combustible en una cámara donde se realiza la combustión, produciendo un flujo de gases calientes que al expandirse hacen girar la turbina de gas. Mediante el generador acoplado al eje común se convierte este trabajo en energía eléctrica. Los gases que salen de la turbina de gas pasan a la caldera de recuperación de calor. En esta se extrae el calor de los gases produciendo vapor de agua a presión para la turbina de vapor. Para finalmente devolver los gases a la atmósfera. El vapor que sale de la turbina de vapor, pasa por un condensador donde se transforma en agua. Posteriormente el agua producida por el condensador es bombeada a alta presión hasta la caldera de recuperación para iniciar nuevamente el ciclo

13

14 Turbina de Vapor En esta turbina se transforma la energía del vapor en energía cinética del rotor. La turbina está formada por una serie de válvulas fijas y móviles a través de los cuales se expande el vapor y hace girar el rotor de la turbina. 1.)Generador 2.)Entrada a turbina de Alta Presión (AP) 3.)Entrada a caldera de recuperación 4.)Entrada a turbina de Media y Baja Presión (MP,BP) 5.)Salida a caldera de recuperación 6.)Salida del condensador

15 Turbina de gas La turbina de gas constituye el núcleo de la central de ciclo combinado. Se trata de una turbina de combustión interna que utiliza el gas natural como combustible principal. 1.)Generador 2.)Compresor 3.)Turbina AP 4.)Turbina BP 5.)Entrada aire 6.)Quemadores 7.)Salida de gases de combustión

16 Compresor: El compresor consta de 22 etapas y es de tipo axial. Está formado por una serie de válvulas fijas y móviles a través de las cuales se comprime el aire des de la presión atmosférica (0.98 bar) hasta la presión óptima para la combustión (2 bar). El aire comprimido se utiliza principalmente como comburente en la combustión y una parte muy pequeña se utiliza para refrigerar algunas partes de la turbina de alta presión de la turbina de gas.

17 Ciclo combinado Ciclo de Brayton: Modela el comportamiento normal de una turbina a gas (normalmente aire) Aunque es un ciclo de combustión interna abierto (los gases de salida no se reutilizan normalmente) es coveniente, para el análisis termodinámico, suponer que los gases de escape son reutilizados en el ingreso, permitiendo el análisis como ciclo cerrado

18

19  Ciclo Rankine(turbina de vapor): El ciclo que sigue el ciclo de vapor en las centrales de ciclo combinado corresponde al llamado Ciclo de Rankine, es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolución se produzcan cambios de fase. De forma simplificada, y para el ciclo básico, la evolución del fluido sigue las siguientes etapas:

20 1.-Una etapa de expansión del fluido en fase vapor, realizada en una máquina térmica denominada turbina de vapor y lo más isentrópica posible. 2.-A la salida de la turbina de vapor, una cesión de calor residual del vapor a presión constante en un dispositivo llamado condensador. En este dispositivo se realiza la condensación total del mismo y su paso a fase líquida. 3.-Una o varias etapas de elevación de la presión del fluido. El proceso se realiza con el fluido en fase líquida, con bombas y fuera de la zona de cambio de fase. Ésta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la máxima eficiencia sería necesario realizar la compresión de un fluido bifásico, con la dificultad tecnológica que ello conlleva. 4.-Una etapa de aportación de calor a presión constante, que en los ciclos combinados se hace en la caldera de recuperación de calor por los gases de escape de la turbina de gas. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo en fase líquida, un proceso de cambio de fase y una elevación posterior de la temperatura del vapor en lo que se denomina sobrecalentador, motivada por la necesidad de disminuir la humedad en el vapor en las últimas etapas de expansión de la turbina. Esto último constituye la segunda particularidad del ciclo de Ranking y otra diferencia fundamental con el ciclo de Carnot

21 ELEMENTOS CONSTITUYENTES DEL CICLO AGUA-VAPOR Condensador (9): Es un intercambiador de calor formado por multitud de tubos, a través de los cuales circula el fluido refrigerante normalmente agua, su función es condensar el vapor que sale de la turbina de vapor, también se aprovecha en este punto para eliminar gases incondesables y nocivos ya que algunos son muy corrosivos como el oxígeno, se eliminan por métodos físico o químicos como la hidracina Bombas de condensado (13): son las encargadas de enviar el agua condensada en el condensador al depósito de agua de alimentación. Tanque de alimentación y Desgasificador (11): Es el depósito donde almacenamos el agua de alimentación que ira a la caldera para convertirse en vapor y después ser conducido a la turbina de gas.

22 Bombas de alimentación (12): son las encargadas de enviar el agua desde el tanque de alimentación al economizador, para que así vuelva a empezar el ciclo. Normalmente en los ciclos combinados hay tres etapas de expansión en el lado de la turbina de vapor, están son de alta, media y baja presión Ejemplo típico de un ciclo combinado En este sistema hay 3 turbinas de vapor para cada uno de los niveles de presión y 3 calderines, con sus correspondientes sistemas de bombeo y calentamiento, existiendo un solo tanque de alimentación desgasificador donde van a parar todos los condensados de las turbinas.

23 MODIFICACIONES CICLO BASICO EN LAS TURBINAS DE GAS La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal depende de la compresión. Si se aumenta la relación de compresión en el ciclo será necesario suministrar más calor al sistema debido a que las líneas de presión constante divergen hacia arriba y hacia la derecha en el diagrama T-s y la temperatura máxima del ciclo será mayor. Como el calor suministrado es mayor, la eficiencia térmica aumentará con el ratio de compresión. Diagrama T-s de ciclos termodinámicos básicos de las turbinas de gas con diferentes relaciones de compresión. Sin embargo la temperatura máxima del ciclo está limitada por los materiales en los cuales están construidos los componentes y por lo tanto se requerirán sistemas de refrigeración más eficientes. La eficiencia del ciclo también se ve afectada por las pérdidas en el compresor, en la turbina y en las caídas de presión en la cámara de combustión y otros pasajes. Podemos verlo en el diagrama que representa estas condiciones en el ciclo, disminuyendo en consecuencia la eficiencia del ciclo.

24 CICLO CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO DEL AIRE. Con este método lo que hacemos comprimir los gases de admisión en dos etapas con una refrigeración intermedia, para sacar parte del calor que han adquirido en la primera etapa de compresión. De la secuencia anterior, es claro que el trabajo que debe realizar el compresor para elevar la presión desde el estado 1 hasta el estado 2’ sin enfriador, es mayor que el trabajo que deben hacer los compresores con la misma eficiencia para elevar la presión del aire desde el estado 1 al 2 y del estado 3 al 4 con un enfriador de aire intermedio. Esta disminución en el trabajo total de compresión se debe a que las líneas de presión divergen hacia la derecha del gráfico T-s.

25 CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO La expansión de los gases en el ciclo Brayton puede configurarse de tal forma que se realice en dos etapas. La primera expansión ocurre en lo que se conoce como turbina de alta presión (HP) o turbina del compresor (CT) acoplada al compresor mediante un eje. Todo el trabajo desarrollado por la turbina de alta presión es consumido por el compresor. La segunda expansión tiene lugar en la turbina de baja presión (LP) o turbina de potencia (PT) acoplada a un eje diferente al de la turbina del compresor y produce el trabajo neto aprovechado en varias aplicaciones, como para mover el generador.

26 CICLO REGENERATIVO. En ocasiones se presenta que la temperatura de los gases a la salida de la turbina en el ciclo Brayton es mayor que la temperatura del aire a la salida del compresor. El ciclo regenerativo aprovecha esta diferencia de temperaturas para transferir a un regenerador o intercambiador de calor, energía térmica de los gases que salen de la turbina, al aire que sale del compresor

27 CICLO IDEAL RANKINE CON RECALENTAMIENTO El sobrecalentamiento tiene la ventaja adicional de disminuir el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina. Sin embargo, al disminuir la presión de escape o elevar la presión de la caldera se aumenta el contenido de humedad. Para aprovechar las mejores eficiencias a presiones más altas en la caldera y presiones menores en el condensador, el vapor suele recalentarse después de que se expande parcialmente en la turbina de alta presión, como nuestra Esto se logra recalentando el vapor nuevamente en la caldera, después de haberse expandido en la turbina de alta presión. El vapor recalentado sale de la caldera y se expande en la turbina de baja presión hasta la presión del condensador. El recalentamiento disminuye el contenido de humedad a la salida de la turbina.

28 CICLO IDEAL RANKINE CON REGENERACION Otra manera de aumentar la eficiencia térmica del ciclo Rankine es por medio de la regeneración. Durante un proceso de este tipo, el agua líquida (agua de alimentación) que sale de la bomba se calienta mediante algo de vapor extraído de la turbina a cierta presión intermedia en dispositivos denominados calentadores de agua de alimentación. Las dos corrientes se mezclan en calentadores de agua de alimentación abiertos, y la mezcla sale como un líquido saturado a la presión del calentador. En calentadores de agua de alimentación cerrados, el calor se transfiere del vapor al agua de alimentación sin mezcla. Por tanto, un calentador de agua de alimentación abierto es, en esencia, una cámara de mezcla, y un calentador de agua de alimentación cerrado es un intercambiador de calor. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación abierto. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación cerrado

29 Otros arreglos del ciclo combinado Ciclos con post-combustión Los gases descargados por la turbina de gas se prestan a sufrir un posterior proceso de combustión, si acaso se considera necesario, el cual es conveniente efectuar al ingreso de la caldera de recuperación, mediante una serie de quemadores ubicados antes de la sección de intercambio térmico de la caldera como se observa en la figura 1.12. Este proceso es posible gracias al contenido de oxígeno todavía elevado en los gases de escape del orden del 12 a 16% en volumen (si no hay inyección significante de vapor o de agua en la turbina de gas), a causa del abundante contenido de aire con el cual tiene lugar la combustión en la turbina de gas.

30 Análisis de un caso particular Para el desarrollo de esta tarea se tomó como análisis la planta termoeléctrica “Valle de México”, que pertenece a la Comisión Federal de Electricidad y forma parte de la Subgerencia Regional de Generación Termoeléctrica Central. Esta planta aporta el 2.13% de la energía eléctrica generada a nivel nacional y el 14% de la energía requerida en el Distrito Federal y Zona Metropolitana.

31 Esta planta está compuesta en su totalidad por siete unidades generadoras con una capacidad instalada de 1,015.30 MW. La tabla 2.1 muestra las capacidades, tipo de ciclo y año de inicio de operación de cada unidad que comprende la planta. Las unidades 1, 2 y 3 están constituidas cada una por un arreglo de un generador de vapor, una turbina de vapor, un generador eléctrico y un transformador de potencia, formando así el ciclo termoeléctrico convencional. Con las unidades 4, 5, 6, y 7 se forman tres ciclos diferentes: un ciclo de gas, un ciclo combinado y un ciclo híbrido. El ciclo de gas está formado únicamente por las unidades 5, 6 y 7, siendo el conjunto turbocompresor, cámara de combustión y turbina de gas. El ciclo combinado está compuesto de un turbocompresor, una cámara de combustión, una turbina de gas, un recuperador de calor (HRSG), una turbina de vapor, un generador eléctrico y un transformador de potencia. El ciclo híbrido, en cambio, consiste de un turbocompresor, una cámara de combustión, una turbina de gas, un HRSG-generador de vapor, una turbina de vapor, un generador eléctrico y un transformador de potencia.

32 El presente estudio únicamente se enfoca en los modos de operación de ciclo combinado y ciclo híbrido, y para propósito de comparación también se realizó el estudio de las unidades 5, 6 y 7 como ciclo de gas. se observa que aparecen otros equipos que son auxiliares al funcionamiento de estas unidades de la planta, como son: el sistema de agua de enfriamiento, de tratamiento de agua de alimentación, entre otros. Sin embargo, en el presente trabajo solo se analizan los equipos relevantes. A continuación se describen los modos de operación de la planta en los cuales se enfoca el análisis.

33 MODOS DE OPERACIÓN DE LA PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA En el presente trabajo se enfocó el estudio únicamente para los ciclos: a) ciclo de gas, b) ciclo combinado, y c) ciclo híbrido. La descripción de estos ciclos se presenta a continuación: b) CICLO DE GAS Este ciclo se realizó para las unidades 5, 6 y 7, en donde cada una de las tres unidades están compuestas por: un turbocompresor, una cámara de combustión y una turbina de gas.

34 CICLO COMBINADO El ciclo combinado de la planta termoeléctrica está compuesto por las unidades 4, 5, 6 y 7, que incluye tres turbinas de gas con sus respectivos HRSG y una turbina de vapor de tres cuerpos de presión. La operación del ciclo combinado se describe a continuación: Para el caso del ciclo de gas, la energía calorífica contenida en los gases de combustión, se utilizan directamente para producir energía mecánica por medio del impulso de la turbina de gas, y finalmente se convierte en energía eléctrica por medio del generador eléctrico acoplado al rotor de la turbina.

35 CICLO HÍBRIDO En este tipo de operación, la planta genera potencia eléctrica tanto por la turbina de gas como por la turbina de vapor. Aquí se genera vapor en el generador de vapor convencional y en el HRSG. Tanto el generador de vapor como la cámara de combustión transforman la energía química contenida en el combustible por medio de la combustión en energía térmica. Con el objetivo de obtener una mejor eficiencia en este tipo de operación, el generador de vapor opera con una carga del 60 % y los recuperadores de calor aportan el 40 % restante, en el cual se requiere que necesariamente estén en servicio al menos dos turbinas de gas con sus respectivos recuperadores de vapor y el generador de vapor. Este ciclo de la planta es el modo de operación predominante, debido a que conjunta la mayor generación y eficiencia razonable.

36 Conclusiones.- El Sector Eléctrico de Bolivia pasa por transformaciones estructurales importantes y estratégicas. La base de este proceso está en la decisión del Gobierno de transformar la ENDE en holding estatal para actuar como principal instrumento de acción de la política energética, en los moldes de los grandes grupos como Eletrobras y EDF (Eletrifique de France). Desde 2008-2009, siguiendo esta determinación estratégica, la Corporación ENDE y su cuerpo técnico vienen desarrollando grandes esfuerzos en la estructuración de un ambicioso plan a largo plazo para la ampliación de la capacidad de producción de energía eléctrica en 12.000 MW. El Gobierno de Bolivia firmó este jueves un contrato con la empresa alemana Siemens para ampliar de 100 a 490 megavatios la capacidad de generación de la termoeléctrica de Entre Ríos, en el central departamento de Cochabamba. Bolivia espera lograr en los próximos cuatro años un excedente de 1.000 megavatios para la exportación a los países de la región sudamericana, y para ello tiene previsto invertir cerca de 1.300 millones de dólares en proyectos en el sur, en el municipio de Warnes (centro-este) y en Entre Ríos. Actualmente la Central Valle Hermoso cuenta con ocho (8) unidades de Generación comprometiendo una capacidad de generación total de potencia efectiva de 116.6 MW, al Sistema Interconectado Nacional. Como podemos apreciar la información conseguida anteriormente la generación de energía eléctrica a partir de las centrales termoeléctricas es muy importante ya que estás aportan una gran cantidad de energía al sistema interconectado nacional y esto no es solo en Bolivia, en el mundo es igual de importante ya que existen centrales termoeléctricas que funcionan a partir de carbón que están generando aproximadamente un 40 % de toda la energía consumida en el mundo.