GUIA DE ESTUDIO TEMA 1 VAPOR

PROF. HCTOR MEDINA

Tema. Ciclos de vapor para produccin de potencia Objetivo Desarrollar el estudio y anlisis de los ciclos de generacin de potencia a partir del vapor

Sistema I Ciclo de vapor PLANTA DE POTENCIA FSIL: Es un conjunto de componentes, apropiadamente edificados, arreglados y operados de tal forma que la energa qumica de un combustible fsil sea convertida en energa elctrica. Normalmente se obtiene vapor en una caldera, el cual se utiliza para mover una turbina, la cual a su vez mueve un generador elctrico para producir la energa elctrica (ciclo Rankine). EL GENERADOR DE VAPOR (Calderas): Es una combinacin de equipos (economizador, caldera, sobrecalentador, precalentador y recalentador de aire) para obtener vapor a una presin y una temperatura requerida. Adems de utilizar equipos auxiliares como: ventiladores, chimenea, pulverizadores, equipos de control, equipos para el manejo de cenizas, quemadores y sopladores de holln. APROVECHA la energa trmica liberada por la combustin de algn combustible sea carbn, gas, bunker C o algn otro derivado del petrleo para transformar el agua en Vapor. SE CLASIFICAN EN:

Calderas Pirotubulares: tubos de fuego (gases de combustin lado tubo-agua en la carcasa). Los gases calientes provenientes de la combustin pasan por el interior de los tubos y el agua por el exterior. Limitadas por caudales de 18000 a 50000 lb/h. Tiene aplicaciones pequeas tales como tintoreras y hospitales.

Ventajas: - Simplicidad de diseo. - Funcionamiento automtico. - No son muy sensibles al agua de alimentacin (IMPORTANTE). Desventajas: - Deben trabajar a condiciones muy estables. - Bajas presiones (

Calderas Acuotubulares: tubos de agua (agua lado tubo-gases lado carcasa).

Los gases calientes de la combustin pasan por el exterior de los tubos y el agua por el interior.

Ventajas: - Mantenimiento sencillo. - Para turbinas grandes. - Trabaja a partir de 250 psi hasta presiones supercrticas. No tiene limitacin de presin. - Flujo manejado de 15000 lb/h hasta 2.000.000 lb/h. - Mayor eficiencia. - Elasticidad de diseo, en cuanto a espacio y capacidad. Desventajas: - Requiere tratamiento de agua (IMPORTANTE). TIPO DE CIRCULACIN DE AGUA EN LAS CALDERAS ACUOTUBULARES: Las calderas en la circulacin de agua dentro de su sistema es movida por diferentes medios descritos a continuacin:

1. Circulacin Natural: Consiste en hacer mover el fluido de trabajo sin necesidad de utilizar un dispositivo mecnico (bomba), trabaja a presiones por debajo de la presin crtica. Ver Figura abajo lado izquierdo.

2. Circulacin Forzada: Es la que necesita un elemento mecnico para mover el fluido trabaja a cualquier presin . Ver Figura abajo lado derecho (Bomba=pump).

CALDERAS ACUOTUBULARES

ELEMENTOS DE LA CALDERA: Sistema de Admisin de Aire:

Ventilador de tiro forzado ingreso caldera. Calentadores de aire.

Sistema de combustible: Sistema de ingreso de combustible: dependen si el combustible es slido (carbn), lquido o gas. Si es slido requiere de molinos o pulverizadores. Sistema de combustin: Hogar Quemadores Ventilador de tiro inducido para extraccin de los gases de combustin. chimenea Sistema del agua de alimentacin y vapor: Calentadores de agua. Economizador. Tambor o domo Sobrecalentadores primario y secundario

Atemperadores Recalentadores o Recuperadores QUEMADOR (BURNER) En cargado de generar la combustin a travs de la unin del combustible y el aire que ingresa al hogar y con la utilizacin de un piloto para encendido. Existen diversos diseos de quemadores para garantizar la mejor combustin posible y disminuir la presencia de los NOx contaminantes de los gases de combustin.

PULVERIZADOR DE CARBON (PULRIZER) Es un equipo que muele el carbon y lo lleva a grado polvo para as ser transportados en suspensin hasta los quemadores.

HOGAR (FURNACE) La funcin del hogar es tener capacidad para aire suficiente, con objeto de reducir la temperatura de los gases a un nivel aceptable segn los requerimientos de sobrecalentacmiento. Diemsniin suficiente para evitar que las llamas no afecten las paredes y tener suficiente altura para asegurar una circulacin adecuada del agua.

FALLAS EN TUBOS DE CALDERAS POR SOBRECALENTAMIENTO: Cuando un quemador est mal diseccionado en un hogar y la incidencia de las llamas es fuerte sobre la pared del tubo o una larga exposicin a las altas temperturas de los gases conducen al dao mostrado en la figura abajo.

SOBRECALENTADORES Y ATEMPERADOR: Por lo general las calderas cuentan con dos sobrecalentadores: Primarios y Secundarios. Estos intercambiadores localizados en la parte interna de la caldera permiten que el vapor saturado producido generalmente en estos equipos se convierta a vapor sobrecalentado aprovechando tanto la radiacin como los gases de combustin generados en el hogar, el cual proporciona mayor energa para las turbinas de vapor as como evitar la presencia de humedad en el vapor que ingresa a las turbinas ya que es perjudicial y genera problemas de erosin en los labes de las mismas.

Sobrecalentadores

Por lo general entre el Sobrecalentador primario y secundario se ubica un ATEMPERADOR el cual roca agua al vapor para mantener un mayor control sobre la temperatura de dicho vapor bajo las exigencias de planta. A su vez, es importante sealar que este control garantiza que los labes de las turbinas no se vean afectados por excesivas temperaturas que pueden conducir a problemas por termofluencia.

ECONOMIZADOR (ECONOMIZER) Calienta agua a travs de los gases de combustin. Es un dispositivo que est ubicado en la parte final del flujo de gases hacia la chimenea, cuya funcin es precalentar el agua de alimentacin de la caldera aprovechando la energa remanente que tienen los gases de combustin, que van a la chimenea; as mejora la eficiencia de sta, disminuyendo el uso de combustible.

DOMO O TAMBOR (DRUM) El domo o tambor cumple varias funciones tales como: - Proporcionar la separacin del vapor y la mezcla que circula en la caldera. - Permitir la reduccin de los slidos suspendidos (slice) en el agua de alimentacin. - Proveer de un almacenamiento de agua, para cuando ocurran cambios bruscos de cargas.

Formacin de magnetita protectora (color gris) en las paredes internas del tambor y tubos para proteger de la corrosin el acero al carbono utilizado. Esta pasivacin (capa protectora de xido) es lograda desaireando el agua y manteniendo pHs entre 8 y 9.

CALENTADORES DE AGUA Se encarga de precalentar el agua a travs de la extraccin de chorros de vapor procedentes de las turbinas (llamadas turbinas de extraccin). La finalidad es elevar la temperatura del agua que va a la caldera para as permitir un ahorro del combustible. Se clasifican en calentadores de agua de alta, media y baja presin.

Fabricacin de un calentador de agua de alta presin.

VENTILADOR DE TIRO FORZADO: AXIAL Impulsa el aire para que el mismo venza las diversas resistencias ofrecidas por los equipos. Los de tiro inducido son ventiladores centrfugos. Utilizados para extraer los gases de combustin y as vencer la resistencia de la caldera, sobrecalentador, recalentador, economizador, ducto desde el economizador hasta el precalentador, etc.

CALENTADORES DE AIRE

Al igual que el economizador, los calentadores de aire emplean la alta temperatura de salida de los gases de combustin para elevar la temperatura del aire que va hacia el hogar para la combustin. Existen bsicamente dos modelos de calentadores de aire: Estatco y el dinmico o rotativo. Ver Figuras abajo. En el esttico por un lado pasan los gases calentando las paredes y al otro lado pasa el aire calentndose por transferencia de calor. Para el caso del dinmico por la parte superior pasan los gases y por la mitad inferior pasa el aire mientras el equipo gira lentamente. Por lo general siempre quedan trazas de gases que son mezclados con el aire que ingresa al hogar en este equipo. Si aumentamos a > 200 F el aire, en consumo de combustible se ahoora 4%. Si aumentamos a > 500 F el aire, en consumo de combustible se ahorra 11%. Esttico

Dinmico

TURBINAS DE VAPOR

Las turbinas de vapor, tienen la particularidad de aprovechar tanto la energa mecnica como trmica del vapor para generar trabajo. Esta generacin de trabajo la convierte en un motor capaz de mover cualquier equipo ya sea un generador elctrico como bombas, compresores, etc. Las turbinas pueden presentar varias etapas (alta, media y baja presin) y cada etapa constar de varios escalonamientos de albes. Estos escalonamientos permiten que el rotor de la turbina no gire a muy altas rpm, ya que la energa se va consumiendo de forma paulatina mientras circula a travs del equipo.

DAOS POR PRESENCIA DE SLICE Y HUMEDAD EN LAS TURBINAS Es importante que el vapor que ingresa a las turbinas venga libre de humedad (gotas de agua) ni de algn otro depsito ya que genera problemas de corrosin y erosin en los labes de la turbina. Ver figura abajo.

Daos por la presencia de slice en el vapor. ESCALONAMIENTOS: Tal como se mencion anteriormente los escalonamientos permiten una menor cantidad de rpm en el rotor en lugar de muy altas revoluciones si fuese el rotor de un solo escalonamiento. En la figura de abajo se muestra una configuracin comn de un escalonamiento que consta de un tobera (encargada de aprovechar la energa mecnica del vapor y genera una cada de presin y aumenta la energa cintica) y una cadena de labes. La tobera direcciona los chorros de vapor hacia los labes generando as el giro del rotor de la turbina.

Vista transversal de un escalonamiento tobera-labe. TIPOS DE ESCALONAMIENTOS: Existen dos tipos bsicos de escalonamientos:

1. Escalonamiento de presin o de Rateau. 2. Escalonamiento de velocidad o de Curtis.

Para el caso del escalonamiento de presin, en la figura abajo lado izquierdo se aprecia como al pasar el vapor por la tobera se disminuye de manera escalonada la presin y se aumenta la energa cintica del vapor, energa que es consumida por cada paso del vapor en los diferentes labes presentes. En el escalonamiento de velocidad inicialmente el vapor pasa por una tobera donde es consumida la presin para aumentar la energa cintica y luego pasa a un labe mvil donde se consume parte de la energa cintica y luego a un labe fijo, de manera que inicialmente pasa el vapor por la tobera y posteriormente por una combinacin de labes mviles y fijos alternados.

CONDENSADORES Este equipo conectado en la parte inferior de la turbina permite condensar (hacer lquido) el vapor ya utilizado y regresarla a la caldera. Estos equipos son de gran tamao y requieren grandes cantidades de agua de enfriamiento. Por lo general el agua proviene del mar, lagos y grandes fuentes acuferas. Esta es una de las razones por las cuales la mayora de las plantas de generacin de potencia se encuentran ubicadas a las orillas de lagos, ros, mares, ocanos, etc. En el condensador el vapor pasa por la parte externa de los tubos y el agua por la parte interna. Esto es debido a que es ms fcil efectuar el mantenimiento por la parte interna de los tubos ya que el agua de enfriamiento no es sometida a costosos tratamientos qumicos debido a restricciones tanto ambientales como econmicas. Tan slo le es agregada cloro gas para evitar la formacin de algas en el equipo. Por otro lado, al hacer circular el agua por la parte interna permite restringir el uso de aleaciones slo para los tubos, ms no as para la carcasa del equipo el cual generara grandes costos de fabricacin.

TIPOS DE CICLOS DE GENERACIN DE POTENCIA POR VAPOR: Es importante sealar que el rendimiento de los ciclos de generacin de potencia por vapor no son elevados alcanzado hasta 35% de los mismos. La mayor prdida en estos ciclos ocurre en el condensador (hasta 60%) y en la chimenea (hasta 15%).

- Ciclo Rankine sencillo.

- Ciclo por Sobrecalentamiento: emplea sobrecalentadores para garantizar la produccin de vapor sobrecalentado para mayor potencia.

- Ciclo por Recalentamiento: Emplea un recalentador en la parte interna de la caldera para aumentar nuevamente la temperatura del vapor que pasa por la turbina e ingresarla a una segunda etapa de la turbina.

Generador de vapor

Qa

1

4

3

2

Condensador

Qr

Turbina

Wb

Wt

Bomba

Generador de vapor

Qa 1

4

3

2Condensado

Qr

Turbina

Wb

Wt

Vapor sobrecalentado

s

T

1

3

a

4

2 b

T1

TaSobrecalentador

- Ciclo Regenerativo: Emplea una serie de calentadores de agua (precalentadores) tanto cerrados (de superficie) como abiertos (desaireador) para elevar la tempertura del agua que va a la caldera y de esta manera crear un ahorro del combustible.

Generador de vapor

Qa

12

6

5

4

Condensador Qr

Turbina

Turbina

Wb

Wt

3 Vapor recalentado

Recalentador

Sobrecalentador

1 Qa

x2

2

x3

C

3

Wb3

CA1

1 kg/s Wt

4

Qr

6

5

8

7

10

9Wb2 Wb1

1-x2-x3