04 PLANTAS TERMICAS A VAPOR - FINAL.pdf

PLANTAS TÉRMICAS A
VAPOR
Fuerza Motriz Térmica - MN153
Msc. Ing. Duilio Aguilar Vizcarra
Universidad Nacional de Ingeniería – Lima; Perú

PLANTAS TERMICAS A VAPOR
CONSIDERACIONES BASICAS DE
SELECCIÓN
En el presente capitulo su desarrollo estará orientado al
estudio de las centrales térmicas, convencionales o
clásicas. Nos referiremos con este termino a las
centrales que utilizan combustibles fósiles como materia
prima, es decir carbón ,petróleo y gas.
En términos de producción de energía eléctrica, la única
diferencia entre las centrales nucleares y las térmicas
convencionales es la manera de generar vapor para
activar las turbinas. En las centrales nucleares el calor
se produce por fisión nuclear en las clásicas por la
combustión del carbón o de derivados de petróleo.

En las centrales térmicas convencionales la energía química liberada
por el combustible fósil (carbón petróleo o gas) se transforma en
energía eléctrica. Se trata de un proceso refinado de energía. El
esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas
convencionales es prácticamente el mismo independientemente del
tipo del combustible que se utilice.
Las diferencias sustanciales radican en el distinto tratamiento previo
que sufre antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de
quemadores de la misma, que varia según el tipo de combustible
empleado.
En definitiva la energía liberada durante la combustión en la cámara
de la caldera independientemente del tipo de combustible, hace
evaporar el agua en el interior de la caldera para producir vapor en
sus diversos tipos

En el caso de una central térmica de carbón, el combustible se reduce
primero a un polvo fino y se bombea después al interior de la cámara de
combustión por medio de unos chorros de aire precalentado.
Si el caso fuese de una central térmica a petróleo, el combustible es
precalentado para que fluidifique e inyectado posteriormente a quemadores
adecuados para este tipo de derivados del petróleo
Finalmente si se tratara de una central térmica a gas tendremos otro tipo de
quemadores específicos.
Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de
tuberías. La turbina puede constar de hasta 3 cuerpos de alta media y baja
presión respectivamente. El objeto de esta triple disposición por ejemplo es
aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión
progresivamente. Tal como es conocido el vapor de agua a presión hace girar
la turbina generando energía mecánica, hemos conseguido transformar la
energía térmica en energía mecánica de rotación.

El vapor con calor residual no aprovechable, pasa dé la turbina al
condensador. Aquí a muy baja presión (vacio y temperatura de 40ºC el
vapor se condensa el cual es retornada a la caldera a fin de reiniciar el
ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es
absorbido por el agua de refrigeración que lo entrega al aire del exterior
de las torres de enfriamiento
Es necesario remarcar la operación de una centra térmica con sistema
de refrigeración en circuito cerrado necesita la instalación de una torre
de refrigeración para lugares donde no haya suficiente cantidad de agua,
en este ultimo caso las necesidades de agua se reducen a cantidades
relativamente pequeñas destinadas para la reposición del agua que se
evapora en la torre y del agua de purga del generador de vapor.
La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es
transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador
síncrono acoplado a al turbina..

DISEÑOS PRELIMINARES Y CARACTERISTICAS TECNICAS
1. DISEÑOS PRELIMINARES:
A diferencia de otros tipos de plantas las centrales de vapor tienen mayor costo
de inversión debido a que utilizan combustible más económico. Ésta situación
permite que puedan operar con factores de carga relativamente elevados, es
decir como plantas de base o de carga media, por lo que las consideraciones
básicas que se deben tener en cuenta muy cuidadosamente en la selección de
la ubicación de la central son las siguientes :
- Disponibilidad de agua para el sistema de refrigeración
- Facilidades para el abastecimiento de combustible
- Cercanía al centro de gravedad de la carga
- Características del suelo y costo del terreno
- Condiciones urbanísticas ambientales
- Condiciones ecológicas
La disponibilidad de agua del sistema de refrigeración tiene que ver con el tipo
de planta térmica se puede tomar como dato referencial para de calculo rápido
se estima que para extraer aprox. 555 Kcal de cada 100 Kg. de vapor
condensado se necesita de 50 a 100 Kg de agua de refrigeración para
condensar vapor dependiendo del gradiente de temperatura permitido. La
disponibilidad del agua para refrigerar es un factor determinante en
comparación de otros sistemas

El suministro de combustible permite analizar, las diferentes formas de
abastecimiento en cuyo análisis se debe considerar el costo del suministro mismo.
Dependiendo del tipo de combustible
En cuanto a la cercanía del centro de gravedad el análisis se debe efectuar desde
la ubicación del principal consumidor de la energía producida ( mayor demanda)
también es posible analizar la cercanía y la factibilidad de entrar a sistemas
interconectados para aprovechar sus posibilidades de comercialización .
Usualmente es mas conveniente transmitir energía en forma de electricidad que
transportar combustible.
En cuanto a la calidad del terreno se deberá tener en cuenta aquel que no
necesite bases ó cimentaciones especiales y costosas para ello se deberán
efectuar perforaciones que permitan determinar su calidad.
En el aspecto de condiciones urbanísticas es necesario considerar el factor de la
polución del medio ambiente y sus efectos, toda vez que el ruido y las
emanaciones perturban, por lo que deberían estar alejados de los centros
poblados o ciudades.
Se debe considerar el hecho de que la presencia de una central térmica no
afecte la flora y fauna de la zona con los gases de escape así como las aguas
servidas y el agua de refrigeración. Msc. Ing. Duilio Aguilar Vizcarra

CARACTERISTICAS TECNICAS
La determinación de las características técnicas de una planta térmica a vapor
estará íntimamente ligado al tipo de ciclo termodinámico adoptado para los fines
de la generación como el tipo y numero de turbinas a utilizar en la instalación y las
características del vapor a emplear.
La presión y la temperatura de entrada a la turbina elegidas son las consideradas
valores standard. Estos valores deben ser los mas altos posibles, con a finalidad
de ahorrar la máxima economía de combustible, sin recurrir al recalentamiento
intermedio que en cierto modo complicaría la operación de planta y elevaría el
costo inicial de instalación. La temperatura elegida permitirá utilizar los materiales
comúnmente empleados para los alabes de la turbina sin recurrir a tipos
especiales.
Sin embargo, se hace notar que los valores elegidos no tienen el carácter de
rígidos ya que los fabricantes tienen normalizados sus valores de presión y
temperatura.
La eficiencia total de la planta variara solo en un pequeño porcentaje si se utilizan
otras condiciones de vapor pero que estén dentro de un 10% de los valores
escogidos.
Los valores considerados a titulo de ejemplo son: Msc. Ing. Duilio Aguilar Vizcarra

Capacidad de la Planta
Mw
Presion
Kg/cm2
Temperatura
ºC
40 60 480
60 80 510
La expansion simple del vapor en la turbina, a partir de las condiciones iníciales
fijadas, hará que la humedad del vapor en las ultimas etapas sea alrededor de
10% valor que es aceptable con respecto a los problemas de erosión que
podrían presentarse especialmente en las dos ultimas filas de alabes.
El pre-calentamiento del agua de alimentación del caldero será hecha usando
un numero variable de calentadores superficie y un calentador desaereador de
contacto directo.
Estos calentadores pueden ser alimentados con extracciones no controladas
de vapor en la turbina.

La temperatura del agua de alimentación a la entrada del caldero puede estar
alrededor de 210ºC y 224ºC para las unidades de 40 y 60 Mw ( del ejemplo )
respectivamente; valores que también son referenciales, ya que las temperaturas
serán propias de cada fabricante de turbinas.
Para el balance térmico, el valor de la presión en el condensador debe fijarse
considerando una temperatura promedio del agua de refrigeración de 15ºC, y los
flujos de vapor en las extracciones serán determinados considerando condiciones
de operación del turbo grupo a carga nominal.
El flujo máximo de agua de enfriamiento requerido en el condensador, se
determina considerando una elevación de temperatura entre la entrada y la salida
del condensador, a plena carga cuya diferencia de temperaturas podría estar
alrededor de 9ºC
Como ejemplo se puede mencionar que el requerimiento de agua de
refrigeración, esta en el orden de 6 a 7 m3/seg., para una planta de 120 Mw
operando a plena carga.
También se necesita una pequeña cantidad de agua tratada para reponer las
perdidas de ciclo térmico, debido a las fugas en los calentadores, el desaereador,
los sellos, el eyector del condensador y especialmente por las purgas del caldero.

El consumo de combustible en la planta debe evaluarse teniendo en cuenta la
variación del consumo especifico de vapor y combustible durante el funcionamiento
de la turbina a cargas parciales.
El consumo anual de combustible depende de la energía producida, es decir del
factor de planta asignando a la central.
Al finalizar la variación con la carga, el flujo de vapor al condensador debe ser
considerado en la determinación de la evaluación de la temperatura del agua de
enfriamiento a diferentes porcentajes de cargas, considerando que el caudal del
agua de enfriamiento permanece constante.
TIPOS DE PLANTAS TERMICAS:
Fundamentalmente las plantas térmicas se agrupan en dos grande campos:
A. Centrales Termicas de Condensación
Este tipo de plantas se diseñan y construyen únicamente para producir energía
eléctrica para suministro de diferentes potencias.

B. Centrales Termicas de Distribucion
Estas plantas además de producir energía eléctrica suministran calor de
bajo potencial es decir vapor de baja presión para usos industriales o agua
caliente para calefacción y distribución de calor por agua caliente.
Las centrales de condensación de una potencia moderada transforman
aproximadamente en energía eléctrica tan solo 25% del calor contenido en
el combustible. En una central de distribución, la proporción de calor del
combustible transformado en energía eléctrica es solo del 15% al 25%, pero
una proporción del 40 al 60% del calor combustible es enviado útilmente a
los consumidores externos de calor.
Por ello, el rendimiento de utilización del calor alcanza del 60 al 75% en una
central de distribución pudiendo llegar al 88% cuando utiliza totalmente el
vapor.

POTENCIA DE LA PLANTA
Durante el funcionamiento las instalaciones de turbina de las Centrales Térmicas
deben satisfacer los requisitos principales siguientes:
1. Aseguramiento de la potencia prefijada Pneta elec.
La unidad energética en un tiempo dado y para periodo determinado debe
asegurar la potencia prefijada por el diagrama de la carga o la indicación del
servicio de regulación del funcionamiento del sistema energético desde un centro.
Puesto que el consumidor necesita la potencia suministrada (potencia neta),
entonces, por lo tanto, se trata de la diferencia entre la potencia eléctrica del
turbogrupo Pelec (potencia bruta) y la potencia empleada para satisfacer las
necesidades propias de la central; aunque en una central eléctrica de cualquier tipo
para satisfacer las necesidades propias se emplean bombas, motores, maquinas y
distintos aparatos en lo que se refiere a la potencia, el papel determinante entre
estos lo desempeñan, las bombas de alimentación, las bombas principales de
circulación, los ventiladores de gas u otro combustible Msc. Ing. Duilio Aguilar Vizcarra

Se distinguen los siguientes valores característicos de la potencia del turbogrupo:
a) La potencia nominal (Pnom elec = Peléco). Para la turbina de condensación
esta es la potencia máxima que el turbogrupo desarrollara durante un periodo
prolongado con valores nominales de todos los demás parámetros y utilizando
las formas no regulables del vapor para las necesidades constantes propias
del bloque energético. La potencia nominal se indica en las condiciones
técnicas para el suministro de la turbina. Generalmente, al desarrollar esta
potencia, se garantizan los índices máximos del rendimiento económico de la
instalación de turbina. Por eso, como regla, la potencia nominal se calcula con
la abertura total o casi total (con reserva en lo que refiere al consumo de vapor
de hasta un 5%) de las válvulas reguladoras.
b) La potencia maxima (Pmaxeléc). La potencia máxima de la turbina de
condensación. Puede preverse por la fabrica productora durante el diseño del
primer ejemplar de la turbina, o determinada (corregida) en el periodo de la
puesta en servicio del bloque energético o en las condiciones de la
explotación. La obtención de la potencia máxima Pmaxeléc > Pelec se
determina por el cumplimiento de las condiciones siguientes:

La posibilidad de recargar el generador eléctrico; el rendimiento económico mayor
calculado, de la instalación de turbina, por un lado, requiere que el generador de
vapor incremente su producción de vapor y la potencia térmica.
Esto ultimo es posible cuando las válvulas tienen una abertura adicional, o cuando
esta abierta la válvula de derivación o se ha aumentado la presión en la entrada de
la turbina.
a) La potencia parcial, inferior a la nominal, las turbinas de condensación para las
centrales térmicas deben asegurar el cambio de potencia en la gama desde 30
hasta el 100% de la nominal para compensar la parte variable del diagrama
diario de las cargas regulado desde un centro de distribución de la energia.
b) La marcha en vacio, a la cual el vapor que se suministra a la turbina que gira
con la potencia nominal, sin embargo, el generador eléctrico no produce energia.
Durante el régimen de marcha en vacio el vapor que circula por la turbina en
cantidad Gm.V, produce cierta potencia interna (Pt)m.v que se gasta para
superar las perdidas mecánicas, principalmente las de razonamiento en los
cojinetes Pmec, y las perdidas en el generador electrico Pg.e: (Pi)m.v =
Pg.e

Señalemos que, siendo pequeño el consumo de vapor Gm.v = (0.05……….0.1) G0, el rendimiento
económico de la misma turbina nTrel.i es pequeña la capacidad de trabajo del vapor delante del primer
escalón esta reducida sustancialmente a causa de la estrangulación; los últimos escalones trabajan en
régimen de ventilación, el régimen de funcionamiento de los escalones intermedios esta lejos del optimo.
Una parte considerable de la potencia útil producida por los primeros escalones de la turbina durante su
marcha al ralentí se gasta para superar las perdidas de ventilación en los últimos escalones, las perdidas
que son inversamente proporcionales al volumen especifico del vapor vfin. Por eso cuanto mas alto sea
el vacío durante la marcha en vacío, es decir, cuanto mayor sea el volumen especifico del vapor detrás
de la turbina, tanto menor será la potencia de ventilación del ultimo escalón y, por consiguiente se
necesitara menor consumo de vapor en el régimen de marcha en vacio.
Asi, por ejemplo. Para un turbogrupo cuyo consumo relativo de vapor durante la marcha en vacio
Gm.v/G0 = 8.50%, cuando pcond = 209kPa y Gm.v/G0 = 11.5%, cuando pcond = 5.1kPa. De aquí es
evidente la necesidad de mantener, en este régimen en la medida de lo posible, el enrarecimiento
máximo en el condensador durante la marcha en vacio puede conducir a una temperatura
inadmisiblemente alta en los últimos escalones del tubo de escape, a la descentración de la turbina, y a
consecuencia de los pasos volumétricos pequeños, también a la vibración de las paletas receptoras en el
ultimo escalón.

Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

EFICIENCA TERMICA
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

FUNCIONANMIENTO DE UNA CENTRAL
TERMOELECTRICA
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

ESQUEMA SIMPLIFICADO DEL PROCESO DE GENERACION DE
ELECTRICIDAD
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

COMPONENTES DE UNA CENTRA TERMICA DE VAPOR SENCILLA
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

EQUIPO INTERNO DE LOS DOMOS, METODOS PRIMARIOS PARA
LA SEPARACION DEL VAPOR
Msc.
Ing.
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Aguilar
Vizcarra

EQUIPO INTERNO DE LOS DOMOS, METODOS PRIMARIOS
PARA LA SEPARACION DEL VAPOR
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

EFECTO DEL REGIMEN DE EVAPORACION SOBRE LA
SEPARACION DE VAPOR POR GRAVEDAD
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

EFECTO DE LA LOCALIZACION DE LOS TUBOS DE SUBIDA
SOBRE LA SEPARACION DE VAPOR POR GRAVEDAD
Msc.
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Duilio
Aguilar
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CIRCULACION EN LAS CALDERAS PIROTUBULARES
Msc.
Ing.
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Aguilar
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CIRCULACION EN LAS CALDERAS ACUOTUBULARES
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

CARACTERISTICAS TÉCNICO -ECONOMICAS
Es posible evaluar la calidad del servicio de una central analizando el
consumo anual de combustible y también la producción de energía eléctrica
o la cantidad de energía calorífica distribuida cuando se trata de una central
de distribución de vapor.
A partir del diagrama de distribución de carga es posible calcular el factor
de utilización K de una central instalada que se calcula como la relación
entre la energía producida anualmente y la máxima que podría ser producida
En el mismo período anual
K = Ea / Ninst. x 8760
Ninst. = Potencia instalada de todos los grupos en servicio de la central
El rendimiento de económico es la relación entre la energía eléctrica
producida y la cantidad de calor obtenida en el combustible consumido en
el mismo período, es posible distinguir dos tipos de rendimientos
- El de centrales de condensación
- El de centrales de distribución

⚫ Para una central de condensación el rendimiento económico total o
bruto se calcula como :
⚫ Ƞ = 860 Epr / B Qt
⚫ Epr = energía eléctrica producida en Kw
⚫ B = Consumo de combustible durante el mismo período
⚫ Qt = Poder calorífico inferior en Kcal/Kg
⚫ En una central de distribución de calor el rendimiento económico total o
bruto
⚫ Es: Ƞ = 860 Epr + Qd / B Qt
⚫ Qd = energia calorífica distribuida en Kcal
⚫ El rendimiento económico neto se calcula por la siguiente formula:
⚫ Ƞn = Ƞbr ( 1 – Kbp )
⚫ Kbp = coeficiente que tiene en cuenta el consumo de combustible
en la propia central

⚫ El coeficiente Kbp depende de la potencia de la central y del
⚫ Grado de mecanización del trabajo de la misma puede tener un
valor de (0.05 a 0.09 ) a partir del cual se puede calcular el
consumo específico de cada tipo de planta.
⚫ Condensadores
⚫ Su función es condensar el vapor resultante de
la expansión de la turbina a vapor
⚫ Tipos.
⚫ De superficie: La transferencia de calor es por contacto
indirecto. Puede trabajar con presiones de vacio
⚫ De mezcla: El vapor resultante y el agua de refrigeración
entran en contacto directo.

ESTRUCTURA DEL DESAIREADOR
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

ESQUEMA DE CONDENSADORES POR MEZCLA
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

CIRCULACION DE VAPOR EN UNA TURBINA
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

ALABES MOTRICES DE TURBINA
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

TURBINAS DE VAPOR
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

?2
?
2
?
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

ESQUEMA DE UNA RELACION CUANTITATIVA CON
TRANSMISION HIDRAULIACA
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

ESQUEMA DEL REGULADOR DE POTENCIA DE UNA TURBINA
POR ESTRANGULAMIENTO
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

CALDERA DE LECHO FLUIDO
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

SISTEMA DE ENCENDIDO DIRECTO PARA CARBON
PULVERIZADO
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

CALDERA DE DOS CUERPOS CON ENCENDIDO DIRECTO
MEDIANTE CARBON PULVERIZADO
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

CALDERA CON SOBRECALENTAMIENTO, ECONOMIZADOR Y
PRECALENTADOR DE AIRE PARA COMBUSTIBLE SOLIDO
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

AIRE COMPRIMIDO
Msc.
Ing.
Duilio
Aguilar
Vizcarra

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