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• Victor Timana Silva

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Centrales Termoeléctricas

Centrales Termoeléctricas

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Ing. Jony Villalobos Cabrera

CENTRALES TÉRMICAS EN PERÚ

Centrales Termoeléctricas

• Central Térmica Kallpa (174.4 MW)

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Kallpa II (193.5 MW)

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Centrales Termoeléctricas

Kallpa III (197.80 MW)

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Kallpa IV (285 MW)

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Centrales Termoeléctricas

CENTRAL TÉRMICA Se denominan centrales termoeléctricas aquellas centrales que producen energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-óil o gas en una caldera diseñada al efecto. Independientemente de cuál sea el combustible, el esquema de funcionamiento de todas las centrales termoeléctricas clásicas es prácticamente el mismo. Las únicas diferencias consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible 6

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Centrales Termoeléctricas

Transformaciones de energía en una central térmica

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CLASIFICACIÓN Centrales Termoeléctricas

CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES

- Centrales Térmicas de Carbón. - Centrales Térmicas de Fuel-Oil. - Centrales Térmicas de Gas Natural. CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES

- Centrales Térmicas de Ciclo Combinado. - Centrales Térmicas de Combustión de lecho fluidizado. - Centrales Térmicas de Gicc Gasificación del Carbón Integrada en Ciclo Combinado. 8

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• El funcionamiento de una central termoeléctrica convencional prácticamente consiste en:

E. Térmica

E. Mecánica

E. Eléctrica

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CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES

Centrales Termoeléctricas

CENTRALES TÉRMICAS DE CARBÓN Las centrales térmicas que usan como combustible carbón, pueden quemarlo en trozos o pulverizado. La pulverización consiste en la reducción del carbón a polvo finísimo (menos de 1/10 mm de diámetro) para inyectarlo en la cámara de combustión del generador de vapor.

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CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES

Centrales Termoeléctricas

CENTRALES TÉRMICAS DE FUEL-OIL En las centrales de fuel-oil, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidez óptima para ser inyectado en los quemadores. Estas centrales presentan como principal inconveniente las oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen tratamientos de desulfuración de los humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida. 11

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CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES

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CENTRALES TÉRMICAS DE GAS NATURAL En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por un generador.

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CENTRALES TÉRMICAS DE CICLO COMBINADO

Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un ciclo de vapor. En el ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador permiten un mayor aprovechamiento del combustible y, por lo tanto, mejor rendimiento.

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CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES

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CENTRALES TÉRMICAS DE COMBUSTIÓN DE LECHO FLUIDIZADO Consiste en quemar carbón en un lecho de partículas inertes, a través del cual se hace pasar una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partículas y las mantiene en suspensión, de modo que da la impresión de que se trata de un líquido en ebullición. La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820°C a los 840°C, lo cual determina su diseño. 14

CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES

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CENTRALES TÉRMICAS GICC GASIFICACIÓN CARBÓN INTEGRADA EN CICLO COMBINADO

DE

La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón sólido en un gas sintético compuesto principalmente de CO e hidrogeno (H2). La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional. Ventaja para el medioambiente ya que tiene Bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas 15

CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES

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AUTORIZACIONES

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De acuerdo con el artículo 4° de la LCE, se requiere autorización para desarrollar las actividades de generación termoeléctrica, cuando la potencia instalada sea superior a 500 kW

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•

• Los combustibles fósiles se han utilizado desde hace décadas en la producción de energía. • Hay varios tipos de centrales termoeléctricas las que utilizan combustibles fósiles reciben el apelativo de convencionales o clásicas

Carbón

fuel-oil

Gas

 De fuel-oil Convencionales Centrales

 De carbón  De gas

Termoeléctricas No convencionales

 Nucleares  Solares  Geotérmicas

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EL CARBON • El carbón es un combustible fósil, de color negro, muy rico en carbono. • Suele localizarse bajo una capa de pizarra y sobre una capa de arena y tiza. • Se cree que la mayor parte del carbón fue formada durante la era carbonífera

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Formacion del carbon • Se origina por descomposición de vegetales terrestres, hojas, maderas, cortezas, esporas, que se acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de poca profundidad • Los depósitos de carbón tienen frecuente asociación de mercurio. • En las cuencas carboníferas las capas de carbón están intercaladas con otras capas de rocas sedimentarias • En las cuencas hulleras se conservan, tanto en el carbón como en las rocas intercaladas, restos y marcas de vegetales terrestres que pertenecen a especies actualmente desaparecidas.

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Tipos de carbón El rango de un carbón mineral se determina en función de criterios tales como su contenido en materia volátil, contenido en carbono fijo, humedad, poder calorífico, etc. Así, a mayor rango, mayor es el contenido en carbono fijo y mayor el poder calorífico, mientras que disminuyen su humedad natural y la cantidad de materia volátil

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• • • • • • •

Antracita Bituminoso bajo en volátiles Bituminoso medio en volátiles Bituminoso alto en volátiles Sub-bituminoso Lignito Turba

La hulla es un carbón mineral de tipo bituminoso medio y alto en volátiles 23

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Aplicaciones • • • • • •

Generación de energía eléctrica. Coque. Siderurgia . Industrias varias . Uso doméstico. Carboquímica. 1. Amoniaco. 2. Metanol 24

Petróleo

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Transporte del petróleo. • Para ello se construye un oleoducto, trabajo que consiste en unir tubos de acero a lo largo de un trayecto determinado, desde el campo productor hasta el punto de refinación y/o de embarque. • Hay ductos similares que cumplen funciones específicas: poliductos para gasolinas, acpm y otros derivados; propanoductos para gas propano, combustoleoductos para combustóleo, etc • Los buque-tanques 25

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• Oleoducto

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El Gas Natural

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El Gas Natural en Perú Cuenca Talara/Sechura Utilizado en Talara en generación y Panta de Fertilizantes Petroperú. Cuenca de Ucayali Aguaytía se utiliza en generación eléctrica, y se trabaja un proyecto para su distribución para uso Industrial y Residencial. Cueca de Camisea Camisea descubierto en 1984 por Shell.

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CENTRAL TÉRMICA A VAPOR

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Independientemente del combustible que se utiliza en una central térmica (carbón, o derivados del petróleo) lo que se busca es generar vapor .

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CENTRAL TERMICA A VAPOR

Una central térmica a vapor es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, gas o fuel-oil, en una caldera diseñada especialmente para soportar altas temperaturas de la combustión, con la cual se genera vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los alabes de una turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica 50

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COMPONENTES DE UNA CENTRAL TERMICA 1. Torre de refrigeración

10. Válvula de control de gases

19. Supercalentador

2. Bomba hidráulica

11. Turbina de vapor alta presión 20. Ventilador de tiro forzado

3. Línea de transmisión

12. Desgasificador

21. Recalentador

4. Transformador

13. Calentador

22. Toma de aire de combustión

5. Generador eléctrico

14.Cinta transportadora de carbón

23. Economizador

6. Turbina de vapor de baja presión

15. Tolva de carbón

24. Precalentador de aire

7. Bomba de condensación

16. Pulverizador de carbón

25. Precipitado electrostático

8. Condensador de superficie

17. Tambor de vapor

26. ventilador de tiro inducido

9. Turbina de media presión

18. Tolva de cenizas

27. Chimenea de emisiones

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Ing. Jony Villalobos Cabrera

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CARACTERISTICAS TECNICAS CALDERA El término de generador de vapor o caldera se aplica normalmente a un dispositivo que genera vapor para producir energía, Las calderas se diseñan para transmitir calor de una fuente externa de combustión a un fluido (agua) contenido dentro de ella La caldera está compuesta por equipos como ventiladores de aire y gases, precalentadores de aire, ductos, chimenea, economizador, domo, hogar, sobrecalentador, recalentador, quemadores, accesorios, instrumentos 52

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Pirotubulares (3) Pasos de gases. Cámara húmeda. Combustibles. Líquidos y gaseosos. Presión de servicio (estándar):8, 10, 13 y 16 bar. CALDERA TIPO

PRODUCCI ON Kg./h

P.

A

B

C

Térmica

mm.

mm.

mm.

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KW STD 1.0

1000

675

3.110

1.950

2.070

STD 1.5

1500

1.010

3.470

2.125

2.235

STD 2.0

2000

1.345

3.730

2.300

2.420

TIPO STD

STD 2.5

2500

1.680

4.150

2.400

2.520

HOGAR

STD 3.0

3000

2.000

4.600

2.535

2.610

EXCENTRI

STD 4.0

4000

2.680

5.150

2.650

2.800

CO

STD 5.0

5000

3.350

5.380

2.820

2.965

STD 6.0

6000

4.020

5.800

3.000

3.100

STD 7.0

7000

4.700

5.980

3.100

3.200

STD 8.0

8000

5.360

6.480

3.250

3.370

STD 10.0

10.000

6.700

6.950

3.570

3.685

STD 12.0

12.000

8.000

7.730

3.600

3.720

STD 14.0

14.000

9.300

8.030

3.780

3.900

STD 15.0

15.000

10.000

8.400

3.925

3.975

FIEL

d

RCB

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Ing. Jony Villalobos Cabrera

GENERADORES DE VAPOR Automáticos. Marcado CE. Directiva 97/23 Pirotubulares. (3) Pasos de gases. Cámara húmeda Combustibles. Líquidos y gaseosos. FIEL RCB

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Presión de servicio (estándar):8, 10, 13,16 y 18 bar.

d

TIPO

CALDER

PRODUC

A

CION

TIPO

Kg./h

UTE

P.

A

B

C

Térmica

mm.

mm.

mm.

KW

HOGAR

UTE 10.0

10.000

6.700

7.150

3.675

3.700

CONCE

UTE 12.0

12.000

8.000

7.830

3.750

3.900

NTRAD

UTE 14.0

14.000

9.300

8.150

3.900

4.050

UTE 16.0

16.000

10.600

8.500

4.070

4.200

UTE 18.0

18.000

12.000

9.000

4.150

4.350

UTE 20.0

20.000

13.200

9.300

4.230

4.425

UTE 22.0

22.000

14.500

9.500

4.300

4.500

O

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TURBINA DE VAPOR La turbina de vapor es el motor número uno en importancia para la generación de la energía eléctrica. En su mayoría están formadas por un solo cuerpo, y de ellas se obtienen potencias superiores a los 0,1 MW e inferiores a los 150 MW. Las presiones de vapor son inferiores a los 150 bar y las temperaturas son también inferiores a los 550°C a la entrada de la turbina. Las velocidades de giro se encuentran entre las 3000 y las 16000 revoluciones por minuto. De entre todas ellas se puede distinguir: 55

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TURBINA DE FLUJO AXIAL: Es el método más utilizado, el

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paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina. TURBINA DE FLUJO RADIAL: El paso de vapor se realiza

siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina. TURBINA CON EXTRACCIÓN DE VAPOR: Se realiza en

etapas de alta presión, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. 56

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TURBINA DE CONTRAPRESIÓN: La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico posterior.

TURBINAS DE CONDENSACIÓN: El vapor sale aúna presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento

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Turbinas de vapor industriales Siemens

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TRANSFORMADOR Los transformadores usados en una central térmica son los transformadores elevadores, los cuales están protegidos mediante un interruptor controlado por relés.

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TORRES DE REFRIGERACION En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y material aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado "relleno". El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico

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INTERCAMBIADOR DE CALOR

Después de la resistencia de los materiales, los problemas que involucran flujo de calor son los más importantes en la ingeniería. El calor se transfiere mediante aparatos llamados cambiadores de calor; los principales de éstos equipos, son los siguientes:  calentadores de agua de alimentación  calentadores de combustible  evaporadores  enfriadores de agua  enfriadores de hidrógeno  condensador 61

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Condensadores Son intercambiadores de calor que utilizan agua fría (de una corriente natural o enfriada en una torre de enfriamiento) para enfriar y condensar el vapor de escape de la turbina

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CINTA TRANSPORTADORA Es la que se encarga de transportar el producto que va a dar inicio a la combustión (carbón) hacia la caldera

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FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMICA A VAPOR En el caso de una central térmica de carbón, el combustible se reduce primero a un polvo fino y se bombea después dentro del horno por medio de unos chorros de aire precalentados El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas

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Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La turbina consta de tres cuerpos; de alta, media y baja presión respectivamente. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, Así pues, 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 el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador donde se convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo.

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Esquema del principio de funcionamiento 66

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CICLO TERMODINAMICO DE UNA CENTRAL TERMICA El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el ciclo termodinámico conocido como Ciclo Rankine, al final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composición inicial. Cuatro procesos se distinguen en un Ciclo Rankine ideal

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Proceso 1-2: el agua líquido ingresa a la bomba y es impulsada a una mayor presión, con el afán de que pueda recorrer todo el circuito. Proceso 2-3: el agua recibe el calor en la caldera, convirtiéndose en vapor. La caldera hace de fuente calorífica. Proceso 3-4: el vapor de agua atraviesa la turbina. A su paso por la turbina el vapor impulsa y da movimiento a unas paletas llamadas alabes, y con esto hace girar el eje de un generador. Proceso 4-1: el agua al salir de la turbina se encuentra como una mezcla de vapor y liquido, razón por la cual se le hace atravesar por un intercambiador de calor llamado condensador con el objetivo de convertir el agua en solamente líquido 69

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CICLO RANKINE Es un ciclo muy empleado en máquinas simples

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En diagrama P-V, el ciclo se describe como sigue: En (1) la caldera entrega vapor saturado, el que se transporta a la turbina. Allí el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador, produciendo el trabajo W. La turbina descarga el vapor en el estado (2). Este vapor es admitido al condensador. Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución (2)-(3), y del condensador se extrae líquido condensado, en el estado (3). Luego la bomba aumenta la presión del condensado de pcond a pcald, evolución (3)-(4) y reinyecta el condensado en la caldera. Por lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y pcond, 71

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En diagrama T-S el ciclo Rankine se describe como sigue El vapor está inicialmente, como vapor saturado (1), luego el vapor se expande en la turbina, generando trabajo, evolución (1)-(2). Esta evolución se puede suponer adiabática. Si además se supone sin roce, se asimilará a una isotrópica. Si hubiera roce, la entropía aumentaría

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DIMENSIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMICA A VAPOR El diseño conceptual incluye la descripción de la localización, forma y bases del diseño de la planta general, como intemperie o cubierta, grado de utilización, combustible (incluyendo previsión de cambios), tipo y enlaces de la subestación eléctrica, suministro y sistemas de agua, accesos, condiciones y características del sitio, orientación, arreglo general, elementos principales, condiciones de diseño y características de construcción

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MATERIALES DE CONSTRUCCION Estos varían de acuerdo al equipo utilizado, los más utilizados son los siguientes: Para paredes, pisos y cubierta o techo de los tanques, se emplean los aceros A283 grado C y D y A285 grado C. Acero al carbón Acero inoxidable Teflón en los compresores de aire Aleaciones de acero Aleaciones de latón Vidrio Concreto Ladrillo Refractario 74

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GENERADORES DE VAPOR La generación de vapor para el accionamiento de las turbinas se realiza en instalaciones generadoras comúnmente denominadas calderas. La instalación comprende no sólo la caldera propiamente dicha, sino, además, componentes principales y accesorios tales como:

Economizadores y chimeneas. Sobrecalentadores y recalentadores. Quemadores y alimentadores de aire. Condensadores. Bombas y tanques de alimentación. Domos.

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Caldera modelo

Caldera nom.

PE0 8

Pot.

PE1 2 PES 12

PE1 5 PES 15

PE2 0 PES 20

PE2 5 PES 25

PE3 2 PES 32

PES 36

PES 48

PES 56

kW

8

12

15

20

25

32

36

48

56

B

mm

101 3

1130

1130

1130

1186

1186

129 7

129 7

129 7

Ancho caldera C

mm

645

700

700

700

756

756

862

862

862

Alto caldera

H

mm

106 6

Alto neumat.

D

mm

-

109 0 139 2

109 0 139 2

109 0 139 2

129 0 159 2

129 0 159 2

155 3 185 5

155 3 185 5

155 3 185 5

Fondo caldera T

mm

691

814

814

814

870

870

990

990

990

mm

430

508

508

508

508

508

508

508

508

Zoll

1"

1"

1"

1"

5/4"

5/4"

2"

2"

2"

Ancho total

sist.

Fondo rev. V lateral Dimensiones tomas de envío-retorno de agua

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Centrales Termoeléctricas

TURBINAS DE VAPOR

Las turbinas de vapor y gas, a pesar de usar fluidos de trabajo muy diferentes, tienen muchos puntos comunes de diseño, construcción y operación. Las mayores diferencias están en las presiones y temperaturas de trabajo de estas máquinas. Para turbinas a vapor, la temperatura máxima está hoy limitada a unos 540 a 600ºC. En las turbinas de gas en cambio, la temperatura de ingreso de los gases a la turbina es de unos 1000ºC para las de uso industrial y hasta unos 1300ºC. . Las presiones máximas son de unos 35 MPa para turbinas a vapor (350 bar), y entre 4 y 2 MPa para turbinas a gas

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Centrales Termoeléctricas

TIPO/TURBINA

PARAMETROS DE VAPOR

POTENCIA ENTREGADA

SST-100

65 BAR, 480°C

HASTA 8,5 MW

SST-150

103 BAR, 505°C

HASTA 20 MW

SST-200

110 BAR, 520°C

HASTA 10 MW

SST-300

120 BAR,520°C

HASTA 50 MW

SST-400

140 BAR,540°C

HASTA 65 MW

SST-500

30 BAR, 400°C

HASTA 100 MW

SST-600

140 BAR,540°C

HASTA 100 MW

SST-700

165 BAR, 585°C

HASTA 175 MW

SST-800

140 BAR,540°C

HASTA 150 MW

SST-900

165 BAR, 585°C

HASTA 250 MW

DIMENSIONES TIPICAS LONGITUD 8m ANCHO 3,7m ALTURA 3,4m LONGITUD 12m ANCHO 4m ALTURA 5m LONGITUD 14m ANCHO 4.5m ALTURA 5.5m LONGITUD 12m ANCHO 4m ALTURA 5m LONGITUD 18m ANCHO 8.5m ALTURA 5.5m LONGITUD 19m ANCHO 6m ALTURA 5m LONGITUD 19m ANCHO 6m ALTURA 5m LONGITUD 20m ANCHO 8m ALTURA 6m LONGITUD 20m ANCHO 8.5m ALTURA 6m LONGITUD 20.5m ANCHO 11m ALTURA 10m

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TRANSFORMADOR El dimensionamiento de transformadores se evalua con base en la potencia eléctrica de los equipamientos de la instalación y datos como factor de potencia, factor de demanda y previsión de aumento de carga, es posible al usuario una estimativa de la potencia necesaria del transformador que ira atender su instalación eléctrica. Para dimensionado de transformadores aplica procedimientos recomendados para determinar la potencia requerida en función de la aplicación de diversos factores como pueden ser la altitud, temperatura, aislamiento, número de fases, refrigeración, etc. 81

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Centrales Termoeléctricas

TORRES DE REFRIGERACION Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten constantemente, vapor de agua (que se forma durante el ciclo) no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión

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Análisis esquemático simplificado de una torre de enfriamiento. En el diagrama el aire con una humedad Y 2 y temperatura t 2 entra por el fondo de la torre y la abandona por la parte superior con una humedad Y3 y temperatura t 3. El agua entra por la parte superior a la temperatura T1 y sale por el fondo a la temperatura T4 .

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ESQUEMA DE UNA CENTRAL CARBOELECTRICA

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2.2.2.- Ciclos termodinámicos de las centrales termoeléctricas exotérmicas con caldera o de vapor. 2.2.2.1.- Ciclo simple reversible.

El agua de la caldera se vaporiza a presión constante (más bien ligeramente húmedo) y es recogido en el caldero, de aquí pasa al sobrecalentador, donde prácticamente también a presión constante se calienta hasta la temperatura máxima prevista en la instalación. Se transporta luego por una tubería a la turbina, a donde llega en el mismo estado si se prescinde en principio de las pérdidas de calor y de la caída de presión a causa del rozamiento del flujo. En la turbina se expansiona teóricamente a entropía constante, si prescindimos también de los importantes rozamientos y choques que aquí tienen lugar; en realidad, como la turbina es adiabática, la entropía del vapor tiene que aumentar a su paso por ella. Sale de la turbina ligeramente húmedo (0,8