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CENTRALES TERMOELECTRICAS DE COMBUSTIBLES FOSILES DESCRIPCION BASICA DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA Una central termoeléctrica de combustibles fósiles es una instalacion industrial en la que se produce energía electrica y que utiliza como materia prima un combustible como carbón, combustóleo o gas natural. En este tipo de central , el material de trabajo es el agua. La siguiente figura ilustra en forma simplificada los elementos básicos de una central termoeléctrica.

En la central, el combustible se quema y el calor se utiliza para producir vapor de alta presión. El vapor así generado, impulsa las aspas de una turbina, lo que hace girar su eje o flecha. El movimiento de la flecha se utiliza para mover un imán o un electroimán dentro de una bobina con lo cual se produce la electricidad o energía eléctrica. En la figura anterior se pueden distinguir tres equipos principales, el generador de vapor, la turbina y el generador eléctrico. A los demás equipos que integran la central se les llama equipos auxiliares. Visto

de esta manera, la central está formada por un grupo de equipos en los que se realiza una serie de transformaciones de energía. • El generador de vapor es el equipo que transforma el agua en vapor. Aquí existe un cambio físico del agua, al pasar de estado líquido a estado gaseoso. • La turbina utiliza la energía interna (fuerza) del vapor generado para producir movimiento, este movimiento es mejor conocido como energía mecánica. • El generador eléctrico convierte la energía mecánica (movimiento de rotación) en energía eléctrica.

Transformaciones de Energía

El diagrama que se presenta en la Figura anterior ilustra la secuencia de transformaciones de energía que ocurren en una central termoeléctrica y que inician con la energía química contenida en los combustibles. Aprovechamiento de la Energía En realidad, las transformaciones de energía realizadas con el equipo mostrado en la figura son poco eficientes que de toda la energía química del combustible que se quema, una gran cantidad se desperdicia.

Para aprovechar mejor la energía, las centrales termoeléctricas han mejorado continuamente su diseño y con esto se ha incrementado la eficiencia de cada uno de sus procesos. Estas actividades han hecho más compleja la instalación y más elaborada la operación de la central. La figura siguiente muestra un arreglo mejorado del generador de vapor.

Con este arreglo se busca aumentar la eficiencia de su operación. Entre las características que muestra este esquema se pueden indicar las siguientes: Mejora en la Combustión - Para aumentar la eficiencia de la combustión y aprovechar el calor de los gases de la chimenea, el aire se calienta con los gases en un precalentador de aire.

- Para incrementar el área efectiva de transmisión de calor, se hace circular el agua a través de miles de tubos de diámetro pequeño. Mejora en la Generación de Vapor - La eficiencia del generador de vapor se aumenta calentando el agua de alimentación, en el economizador, a una temperatura cercana a la de ebullición. Asimismo, se utiliza un sobrecalentador para aumentar la temperatura del vapor generado y con esto la energía del mismo. En ambos calentamientos se aprovecha el calor de los gases de combustión que van a la chimenea. Estos cuatro casos son ejemplos de las mejoras que tienen implantadas las centrales termoeléctricas, con el objeto de mejorar su eficiencia en la operación. SISTEMAS DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA Para organizar las funciones de los diferentes procesos de una central, ésta se subdivide en sistemas. Donde, un sistema es el conjunto de equipos que trabajan en una misma actividad. Por ejemplo, el sistema de agua de alimentación que alimenta continuamente agua al generador de vapor, está formado por tanques, bombas, motores, válvulas, y calentadores. En ocasiones un mismo equipo puede pertenecer a dos sistemas. Los sistemas principales de una central termoeléctrica son: 1)Sistema vapor principal, vapor sobrecalentado y vapor recalentado. 2) Sistema vapor de extracciones y drenes. 3) Sistema drenaje de calentadores. 4) Sistema condensado. 5) Sistema agua de alimentación. 6) Sistema agua de circulación o enfriamiento. 7) Sistema agua en el generador de vapor.

8) Sistema aire y gases en el generador de vapor. 9) Sistema descarga y transporte de combustible. 10) Sistema aceite de combustible al tanque de día. 11) Sistema aceite combustible a los quemadores. 12) Sistema gas combustible a quemadores y pilotos. 13) Sistema manejo de carbón (sólo en carboeléctricas). 14) Sistema aire comprimido. 15) Sistema aceite de lubricación. 16) Sistema agua de servicio. 17) Sistema agua contra incendio. 18) Sistema sellos de vapor. 19) Sistema tratamiento de agua. 20) Sistema dosificación de químicos y tratamiento interno de la caldera. 21) Sistema análisis y muéstreos. 22) Sistema lubricación de equipo auxiliar. En la figura siguiente se muestran central termoeléctrica.

los equipos principales de una

Equipo Auxiliar en Una Central Termoeléctrica Como se mencioné, a los equipos que participan directamente en las transformaciones de energía se les denominan equipos principales o equipos mayores. Al resto de los equipos que auxilian la operación se les denomina equipos auxiliares. Entre ellos, se pueden mencionar el condensador, el deaereador, las bombas, los ventiladores, los calentadores, los enfriadores, los tanques, los compresores, los eyectores, los motores y los transformadores.

GENERADOR DE VAPOR Descripción del Generador de Vapor Es el conjunto de equipos que realizan los procesos de combustión, generación de vapor y sobrecalentamiento de vapor. La temperatura del vapor aquí generado supera la temperatura de ebullición, para la presión de operación, por esta razón se le conoce como vapor sobrecalentado, este vapor es el que reciben las turbinas. Estas tres etapas de transformación de energía; la combustión, la generación y sobrecalentamiento de vapor, son procesos lentos. Principalmente, por que en ellos se involucran procesos de transferencia de calor. Así, en una central termoeléctrica, la respuesta dinámica del generador de vapor limita la respuesta de toda la central. La respuesta dinámica de los generadores de vapor también depende de su tamaño o capacidad de generación. En otras palabras, unidades de 300 MW o 350 MW, cuyos generadores de vapor pueden producir 1000 ton/h de vapor, tienen una dinámica lenta y generalmente se les destina a mantener la carga base del sistema eléctrico, operando en estado estacionario.

operar adecuadamente un generador de vapor es necesario tomar en cuenta su dinámica y mantener un buen control sobre las variables esenciales como son, el flujo, la presión y la temperatura del vapor generado, a través de manipular el flujo de combustible y el aire de la combustión. Esto es importante sobretodo, en acciones que involucren cambiar el nivel de operación o la carga de la unidad. La figura siguiente muestra el esquema de los equipos principales de un generador de vapor industrial.

Combustión en Un Generador de Vapor Los combustibles usados en centrales termoeléctricas de México, en orden de importancia, son combustóleo (derivado del petróleo), carbón mineral y gas natural. Cuando se utiliza combustóleo, éste se calienta primero para disminuir su viscosidad y mejorar la combustión, y se bombea a presión hacia los quemadores en los cuales, con auxilio de vapor de extracción se atomiza en pequeñas gotas, para facilitar la combustion. Cuando se utiliza carbón mineral, éste se dosifica con un alimentador a un molino, en el cual se pulveriza finamente. El carbón se transporta, por ductos, del molino a los quemadores utilizando una corriente aire caliente, con lo cual se tiene una suspensión de carbón preparada para quemarse. Cuando se utiliza gas natural, el suministro se realiza directamente de un cabezal a los quemadores regulando la presión del suministro. La combustión se realiza en el espacio interior del generador de vapor denominado hogar (fig sig) Al aire requerido para la combustión se le obliga a entrar, por medio de ventiladores, a través de ductos y quemadores al hogar. Como ya se indicó, para mejorar la eficiencia y aprovechar el calor, el aire se precalienta utilizando el calor de los gases de combustión.

En términos de ingeniería, la combustión se considera como la unión química de los elementos combustibles, como carbono e hidrógeno, de un hidrocarburo y el oxígeno del aire. La rapidez de la combustión o tasa de la combustión se controla en función de la cantidad de energía calorífica requerida. En este proceso la energía química del combustible se transforma en energía calorífica y ésta a su vez se transforma en la energía térmica del vapor. Los gases producto de la combustión en el hogar son conducidos por ductos hasta la chimenea. En algunos generadores de vapor los gases se extraen por medio de ventiladores. a) Relación entre Aire y Combustible. Un aspecto importante en la combustión, es la eficiencia, afectada por la relación aire-combustible. Es necesario calcular y establecer un equilibrio entre la cantidad de aire que llega al generador de vapor y la cantidad de combustible suministrado. Esto requiere de un análisis químico que indique la composición del combustible y del cálculo del volumen de aire que estrictamente se necesita en la combustión de todos los elementos químicos del combustible. Poco aire provocará una combustión incompleta con altas concentraciones de monóxido de carbono (CO) y partículas de combustible sin quemar arrojadas al drenaje o la chimenea. Aire en exceso hará una combustión completa pero ineficiente, debido a que no se puede aprovechar todo el calor de los gases de la chimenea. Además, aire en exceso origina temperaturas altas en los tubos de la zona de sobrecalentamiento de vapor y favorece la formación de trióxido de azufre , lo cual finalmente provoca problemas de corrosión en el generador de vapor. Para asegurar que todo el combustible se va a quemar en el hogar al cálculo de volumen de aire se le aplica un factor de corrección, de manera que siempre exista un exceso de aire. El valor exacto depende de cada generador, aunque en promedio el exceso de aire puede ser de un 3 a un 6% .

b) Utilización del calor El calor liberado en el hogar se emplea para: i)

calentar el agua.

ii)

evaporar el agua.

iii)

sobrecalentar el vapor.

iv)

recalentar el vapor.

v)

calentar el aire para la combustión.

Elementos que Absorben Calor en Un Generador de Vapor Internamente el generador de vapor está compuesto por una caldera, un sobrecalentador de vapor, un recalentador de vapor, un precalentador de aire y un calentador de agua conocido como economizador. A) Caldera Es aquí donde se calienta el agua y se produce el vapor. Físicamente, la caldera es una estructura metálica, construida con tubos alineados unos contra otros, formando las paredes del hogar. A estos tubos se les llama tubos de generación, los cuales se unen en su parte superior por medio de tubos colectores [4]. Al transferir energía calorífica al agua contenida en los tubos de generación, su temperatura aumenta y se provoca su ebullición. Este proceso genera un flujo con dos estados, donde el estado de vapor con menor densidad tiende a subir por los tubos de generación. Esto, más el peso de la columna del agua de suministro, provoca la circulación natural del fluido en la caldera. Se puede controlar la circulación del agua en la caldera mediante una bomba de recirculación. Esta bomba toma el agua de la parte superior de la caldera y la recircula a la parte inferior. Esto permite utilizar tuberías de generación de menor diámetro y más extensas, aunque obliga al uso de distribuidores cilindricos en la parte baja de la caldera conocidos como domos de suministro.

La separación del vapor y el agua se realiza en un recipiente cilindrico, conocido como domo, ubicado en la parte superior de la caldera, al cual llegan los tubos colectores. Este domo contiene en su interior dispositivos mecánicos que evitan el arrastre del liquido hacia el vapor. El vapor que se produce en la caldera es vapor saturado y seco. Se le llama saturado al vapor que se genera cuando un liquido está en ebullición y ambos tienen la misma temperatura. Este vapor es el que se envía al sobrecalentador. La figura anterior muestra el esquema de una caldera con recirculación forzada. Un punto importante en la operación de la caldera es el nivel de líquido en el domo de vapor. Si el nivel cae por debajo del límite de operación, puede causar un sobrecalentamiento de las tuberías de la caldera y fundirlas. Si el nivel del líquido en el domo se eleva por encima del límite de operación, puede originar arrastre de agua, que en un caso extremo puede llegar hasta la turbina y con esto dañarla. En la operación de la caldera, se debe tomar en cuenta que la capacidad de generación de vapor es mayor que la capacidad de

almacenamiento en el domo de vapor. Esto conduce a que si se cancela totalmente la alimentación de agua, en cosa de un minuto o un poco más, se puede consumir toda el agua del domo. De aquí se concluye que debido a su poca capacidad de almacenamiento, la dinámica propia del domo es rápida, lo que obliga a mantener un supervisión continua y a tener operando en modo automático el control del nivel del domo. b) Sobrecalentador Una vez que se separó el vapor del agua en el domo, se inicia el proceso de sobrecalentamiento. Dado que la temperatura del vapor sobrecalentado es mayor que la de su punto de ebullición, en este proceso se obtiene vapor con mayor energía térmica. Con esto se obtiene mayor trabajo en la turbina y mejor eficiencia en la central, que si se utilizara vapor saturado y seco. Una vez que el vapor está sobrecalentado se transfiere a la turbina de presión alta. El sobrecalentador es un intercambiador de calor formado por una estructura de tubos unidos por un cabezal de entrada y uno de salida, formando una haz. Por el interior de los tubos pasa el vapor y por fuera los gases de combustión. Generalmente, el sobrecalentamiento realiza en dos o más etapas; denominándose sobrecalentamiento primario , secundario, y así sucesivamente. En funcion de la ubicación del sobrecalentador dentro del generador de vapor es la foma en que recibe el calor, dividiéndose en sobrecalentadores radiantes y convectivos. Los radiantes están expuestos directamente a la flama y la transferencia de calor es función de la temperatura de la flama. Los convectivos están localizados en los pasajes de los gases y la transferencia de calor es función de la temperatura y el flujo de los gases. Es común que exista una combinación de ambos tipos de sobrecalentadores, con objeto de obtener un comportamiento mas uniforme de la temperatura en todo el rango de operación. La figura siguiente muestra dos ubicaciones típicas de los sobrecalentadcres en un generador de vapor. En la operación del sobrecalentador es importante que el valor de la temperatura se mantenga dentro de los limites de operación. Estos límites normalmente se fijan en un 1% del valor de diseño.

Las variaciones de la temperatura del sobrecalentador fuera de sus límites, producen choques térmicos en el material de la turbina y con esto se disminuye su vida útil. Estas variaciones producen también esfuerzos térmicos en las tuberías del sobrecalentador, lo que finalmente provoca su ruptura. En general, las fallas en estas tuberías son un factor importante en la indisponibilidad de las centrales. Además, existe otros problemas derivados de una operación fuera de estos límites. Cuando la temperatura promedio en el sobrecalentador es mayor que el límite superior, se requiere atemperar continuamente con agua, lo que causa un aumento en las incrustaciones de sales en las tuberías. También, se favorece la corrosión de las tubería por altas temperatura. En consecuencia, las incrustaciones y la corrosión producen una disminución de la eficiencia de la central. c) Recalentador El vapor que ya trabajó en una turbina de presión alta, liberó su

energía para producir movimiento y escapa de esta turbina con menor energía térmica; menor presión y temperatura. La energía de este vapor se puede aún utilizar para producir trabajo mecánico en otra turbina de menor presión. Pero es necesario aumentar su temperatura en un recalentador para que tenga la requerida por diseño en la turbina. El recalentador es un intercambiador de calor similar al sobrecalentador, con la diferencia que trabaja a una presión menor. El recalentador presenta problemas de operación similares al sobrecalentador. La figura siguiente muestra una ubicación típica del recalentador.

d) Economizador Es el calentador del agua de alimentación a la caldera. Su función es aumentar la temperatura del agua de alimentación hasta cerca de su punto de ebullición. Este equipo mejora la eficiencia de la central, pues aprovecha el calor de los gases que de otra formase descargarían a la atmósfera sin aprovecharse. Con el uso del economizador se requiere menos calor y por lo tanto menos combustible para evaporar el agua en la caldera. e) Precalentadores de aire El uso de aire caliente en la combustión mejora las condiciones de ésta y aumenta la eficiencia del generador de vapor. Estos precalentadores reciben el aire frío del exterior y lo calientan para enviarse al hogar. Emplean los gases calientes, que ya se utilizaron en el economizador, para calentar el aire. Existen dos tipos de precalentadores. Los recuperativos, que son intercambiadores de calor de coraza y tubos donde los gases circulan por el interior de los tubos y el aire por el exterior. Los regenerativos que utilizan un elemento intermedio para transferir el calor. Físicamente, los regenerativos son un tambor rotatorio, construido internamente con paquetes de láminas delgadas, llamadas canastas, que sirven como almacén de calor. Transversalmente, cada canasta tiene la forma de un sector circular. La corriente de gases pasa en un grupo de canastas y las calienta, como el tambor está girando continuamente, al llegar estas canastas a la corriente de aire frío, ceden el calor a éste. A estos precalentadores se les denomina regenerativos, debido a que el calor se transfiere a través de placas metálicas que almacenan calor en forma temporal. Existe un límite en cuanto a la cantidad de calor que se puede aprovechar de los gases. Este límite lo fija la cantidad de azufre contenido en los gases. Se deben evitar que al extraer calor a los gases, se llegue a temperaturas tan bajas que provoquen su condensación, pues si esto ocurre el azufre se mezcla con la humedad y forma ácido sulfúrico que produce corrosión. Es decir, que uno de los límites de la eficiencia en generadores de vapor lo Fija la cantidad de azufre en el combustible. Para evitar el problema de corrosión, antes

de que el aire llegue al precalentador se le puede calentar utilizado vapor en un calentador aire - vapor, como se indica en la figura 5. En la operación de los precalentadores es importante mantener la transferencia de calor de los gases al aire. Este proceso se altera debido al ensuciamiento por hollín de las láminas de la canasta. Por lo que es importante mantener un programa de limpieza de las canastas con vapor a presión. Tiro y Ventiladores En un generador de vapor se requiere una circulación efectiva del aire hacia el hogar y una evacuación de los gases producto de la combustión. Para crear esta circulación se requiere establecer una diferencia de presiones, comúnmente llamada tiro. En los generadores de vapor de centrales termoeléctricas, este tiro se establece mecánicamente mediante ventiladores y pueden existir dos opciones. a) Tiro forzado Para producir este tipo se utiliza un ventilador que fuerza al aire a entrar por ductos hasta el hogar y obliga a los gases de combustión a salir del hogar por la chimenea. A este ventilador se le conoce como ventilador de tiro forzado. En este caso el hogar se encuentra a una presión mayor a la atmosférica. En este tiro se utiliza un par de ventiladores. Uno para forzar la entrada del aire al hogar y otro para inducir la salida de los gases de combustión del hogar. El segundo ventilador está colocado en la parte inferior del ducto de la chimenea y se le conoce como ventilador de tiro inducido. En este caso, el hogar se encuentra a una presión menor que la atmosférica. La presión del hogar se mantiene constante regulando la posición de las compuertas del ventilador de tiro inducido. La Figura siguiente muestra la ubicación de los ventiladores en el generador de vapor.

Recirculación de Gases La recirculación de gases se utiliza para el control de la temperatura del vapor recalentado en unidades de generación. Para esto se usan ventiladores que toman los gases de combustión a la salida del economizador y los introducen en la parte inferior del hogar. La recirculación de los gases de combustión tiene como efecto un incremento de la temperatura del vapor recalentado. El sistema de recirculación de gases consta además de los ventiladores, de una compuerta de succión para control y corte, una compuerta de cierre en la descarga del ventilador, la que abre cuando el ventilador alcanza su velocidad nominal y un (tornaflecha que actúa como protección al rotor del ventilador cuando está fuera de servicio. DESCRIPCION DE LA TURBINA DE VAPOR Continuando con las transformaciones de energía, una turbina de vapor es el dispositivo que convierte la energía térmica del vapor a energía cinética y finalmente en trabajo mecánico. Sus partes principales son:

a) El rotor Es la parte móvil de la turbina, sobre la cual van montadas las paletas y toberas. A las paletas combadas y perfiladas se les denominan alabes, mientras que las toberas son conductos perfilados en los que el fluido que circula por ellos aumenta su velocidad mediante la pérdida de presión.

b) Las toberas fijas son dispositivos que expanden el vapor, con lo cual aumentan su velocidad con una pérdida en la presión del mismo. c) La carcaza Que es la cubierta o envolvente en donde van montadas las toberas fijas. Principio de Operación de una Turbina El vapor que viene del sobrecalentador entra a una tobera fija donde se expande, obteniéndose un chorro de vapor con gran velocidad. Esta energía cinética del vapor se utiliza para impulsar los alabes de las turbina. Cuando las toberas están montadas en la carcaza y al chorro de vapor se le dirige contra la paleta del rotor, se le denomina turbina de acción.

Si la tobera está montada en el rotor y tiene movimiento libre, se le denomina turbina de reacción. A las turbinas que aplican ambos principios se les denomina de acción-reacción. En centrales termoeléctricas convencionales es común que las turbinas tengan varias etapas o pasos, y que el primer paso de la turbina de presión alta sea de acción y los pasos restantes de reacción. Para regular el flujo de vapor a la turbina y con esto la energía térmica suministrada se utiliza una válvula reguladora, conocida como válvula gobernadora y al sistema que maneja esta válvula se le denomina gobernador de la turbina. Turbinas en Tándem Con el fin de aprovechar al máximo la energía del vapor y tener la mejor eficiencia en la central se utiliza lo que se conoce como ciclo con recalentamiento. El cual consiste en tomar el vapor que ya trabajó

en la turbina de presión alta y recalentarlo. Con este proceso se logra tener la misma temperatura del vapor sobrecalentado pero a una presión más baja y un volumen específico mayor. Este vapor se utiliza en una segunda turbina que trabaja a menor presión. El vapor que sale de esta segunda turbina tiene aún suficiente energía térmica para trabajar en una tercera turbina, diseñada para operar a presiones y temperaturas menores que las anteriores. La ubicación en serie de estas turbinas sobre un mismo eje o flecha se le denomina turbinas en tándem.

El Condensador El condensador es un intercambiador de calor localizado en el escape de vapor de la turbina. Está formado por una cámara en cuyo interior se encuentran miles de tubos transversales al flujo de vapor, por los

que circula agua de enfriamiento. El vapor al hacer contacto con los tubos frios se condensa y se precipita a la parte inferior de la cámara conocida como pozo caliente. El agua se extrae del pozo caliente con las bombas de condensado. El agua que se utiliza para el enfriamiento, también conocida como agua de circulación, no tiene ningún contacto con el vapor que se condensa. Esta agua de circulación puede ser agua extraída de pozos

y enfriada en una torre de enfriamiento, agua de una laguna, agua de mar ó aguas negras previamente tratadas. El flujo de agua lo proporcionan las bombas de circulación. La condensación es el proceso inverso de la ebullición. La condensación del vapor de escape de la turbina provoca que el volumen del fluido disminuya, produciendo una presión negativa o de vacfo en el condensador. Esto contribuye favorablemente a incrementar la diferencia de presiones entre la entrada y la salida de la turbina. Si consideramos que la encienda de la turbina es función de esta diferencia de presiones, podemos concluir que la eficiencia de la central se ve mejorada entre mayor sea este diferencial de presión [5].

El Deaereador El agua que se extrae del pozo caliente se envía al deaereador a través de calentadores, conocidos como calentadores de baja presión. Estos calentadores tienen como función incrementar paulatinamente la temperatura del agua con vapor de extracción de las turbinas, antes de que se alimente nuevamente al generador de vapor. Esta agua contiene pequeñas cantidades de gases disueltos, principalmente oxígeno (02) y bióxido de carbono (CO2) que de no eliminarse pueden producir corrosión en las tuberías del agua de alimentación y del generador de vapor. El deaereador cumple la función de eliminar los gases disueltos del agua. El agua que llega al deaereador se atomiza en pequeñas gotas por medio de dispersores y charolas. A contracorriente se le hace pasar un flujo de vapor extraído de la turbina, de manera que al impactarse el vapor contra las gotas de agua se produce un choque físico y térmico que separa los gases del agua. Esto adicionalmente sirve como calentamiento del agua. El agua deaereada se almacena en un tanque que se conoce como tanque de oscilación, del cual se extrae con las bombas de agua de alimentación.

El Agua de Alimentación La función del sistema de agua de alimentación es suministrar agua al generador de vapor para reponer la que se está evaporando y conservar constante el nivel del domo. El agua de alimentación a la caldera se extrae del tanque de oscilación mediante las bombas de agua de alimentación, las cuales la conducen a través de calentadores de presión alta hasta el economizador y el domo. A estos calentadores se les llama así por que operan con vapor de alta presión extraído de las turbinas y con agua de alimentación a presiones elevadas. La presión del agua después de las bombas de alimentación debe ser superior a la existente en el generador de vapor para que pueda existir un flujo continuo. Si consideramos que la encienda del ciclo agua-vapor de una central

termoeléctrica se define como la relación entre el trabajo neto generado y la cantidad de calor suministrada por el generador de vapor, se concluye que entre mayor temperatura tenga el agua de alimentación, menor será la cantidad de calor suministrado por el generador de vapor y mayor la eficiencia. De manera que este calentamiento gradual del agua con el vapor generado, de acuerdo con la definición anterior, incrementa la eficiencia del ciclo de vapor. Cierre del Ciclo Agua-vapor De esta forma se llega a que el sistema de agua de alimentación cierra el ciclo agua-vapor, iniciado en la caldera del generador de vapor, descrita en la segunda parte de esta sección.

SISTEMAS DE CONTROL EN CENTRALES TERMOELECTRICAS Conceptos Básicos de Control en Centrales Para mantener operando las centrales termoeléctricas en las condiciones requeridas por el diseño e impuestas por la demanda de energía eléctrica, es necesario mantener algunas variables de proceso, como temperaturas, presiones, niveles, en un valor fijo ó imponerles un comportamiento predeterminado. A estas variables se les conoce como variables a controlar o variables controladas.

Asi, para una central termoeléctrica las variables controladas son, por mencionar algunas: el nivel del domo y del deaereador, las temperaturas de sobrecalentado y recalentado, la frecuencia, voltaje y potencia de la energía eléctrica generada. Para mantener a estas variables controladas en un valor deseado o de referencia, se utilizan variables de proceso cuyos valores se pueden ajustar con un mecanismo de control. A éstas variables se les denomina variables manipuladas. En una central termoeléctrica las variables manipuladas son, por mencionar algunas: El flujo de agua de alimentación y de condensado, el flujo de agua de atemperación, el flujo de vapor principal a la turbina. En resumen, un sistema de control recibe como entradas el valor de las variables a controlar y el valor de referencia, y como salida entrega el valor de las variables manipuladas. La figura 2.2.2.10 ejemplifica estos conceptos, en un sistema para controlar el nivel del domo de vapor modificando la velocidad de las bombas de agua de alimentación.

En las siguientes secciones se describen los principales sistemas de control de una central termoeléctrica referidos a la operación de los equipos mayores; generador de vapor, turbinas y generador eléctrico y a la contribución de la unidad al sistema eléctrico nacional. Sistemas de Control en Generadores de Vapor Los principales sistemas de control de un generador de vapor son: a) Control de la combustión b) Control del flujo de agua de alimentación c) Control de la temperatura del vapor a) Control de la combustión Tomando como base la definición de combustión establecida anteriormente, el control de la combustión se encarga de regular el suministro de energía calorífica en función de la demanda de vapor. Para lograr su objetivo, el control de combustión debe manipular el suministro de aire y combustible y mantener una relación equilibrada entre ambos. Generalmente, la demanda de vapor está representada por la presión del vapor principal. El flujo de combustible se regula, normalmente, variando la presión del combustible alimentado a los atomizadores, en función de la presión de estrangulamiento del vapor de atomización o mediante válvulas que regulan el flujo del mismo. Los objetivos de regulación del flujo de aire para la combustión son dos: primero, asegurar una operación con el exceso de aire mínimo permitido durante condiciones fijas de carga y, segundo, asegurar que durante condiciones transitorias las variaciones del flujo de aire sean lo más cercanas a las del flujo de combustible.En forma simultánea, la presión del vapor actúa como señal de control para modificar la velocidad de los ventiladores de tiro forzado y asi introducir la cantidad adecuada de aire en exceso.

La velocidad de los ventiladores de tiro inducido (cuando existen) se regula para mantener la presión en la cámara de combustión en su valor de referencia (ligeramente abajo de la atmosférica). b) Control del flujo de agua de alimentación El objetivo del control de agua de alimentación es regular el suministro agua al generador de vapor en función de la tasa de evaporación del generador de vapor. La demanda de agua de alimentación está representada por un indicador básico, el nivel de agua en el domo. A fin de obtener un control satisfactorio bajo condiciones cambiantes de carga, además de medir el nivel del domo, se toman otros dos indicadores; el flujo de vapor generado y el flujo total de agua de alimentación. A este control se le conoce como control de tres elementos. Este esquema se utiliza sólo cuando la central opera en cargas altas, mayores al 20%, donde es posible obtener mediciones precisas de flujos de vapor y agua de alimentación. Abajo de ese valor, la regulación se realiza con el control de un elemento, siendo

éste, el nivel del agua en el domo. c) Control de la temperatura del vapor El control de la temperatura del vapor es, en realidad, el control del balance entre la absorción del calor en los tubos de generación y la absorción del calor en el sobrecalentador y recalentador. Este control se realiza mediante uno o más de los siguientes métodos: Atemperación: Este método consiste en añadir agua a presión finamente dispersa al flujo de vapor a la salida del sobrecalentador primario. La temperatura del vapor, a la salida del sobrecalentador secundario se utiliza como señal de control para manipular el flujo de agua del atemperador. En generadores de vapor con recalentamiento se efectúa una segunda atemperación y es la temperatura del vapor a la salida del recalentador la señal de control para el flujo de atemperación. Inclinación de quemadores: Es un medio de control que altera la absorción de calor entre los tubos de generación, sobrecalentamiento y recalentamiento al modificar la zona de combustión en el hogar. El cambio en los niveles de absorción se utiliza para lograr el balance requerido. Distribución de los flujos de gases: Es un medio de regulación que se aplica por lo común sólo al recalentador; este método consiste en variar la posición de las mamparas situadas atrás del economizador para modificar el flujo de gas a través del recalentador y regular así la absorción del calor en el mismo. La temperatura del vapor a la salida del recalentador se utiliza para manipular la posición de las mamparas. Recirculación de gases: Es un método suplementario de control que se utiliza cuando los métodos ya descritos no son suficientes para regular la temperatura del vapor. Consiste en extraer un flujo de gas a la salida del economizador para recircularlo a la base del hogar. Sistemas de Control en Turbinas de Vapor En esta sección se describe el sistema de control para un tándem de turbinas de vapor de presión alta, intermedia y baja, acopladas en el mismo eje del generador eléctrico. Las funciones que realiza este control son: regulación de velocidad y control de carga.

a) Regulación de velocidad. Este control compara la señal de velocidad de la turbina con la señal de referencia para producir una señal de corrección que modifique los flujos de admisión de vapor a las válvulas de control e interceptores respectivamente. Este es un controlador proporcional con características típicas de entre 2.5 y 7% de regulación. Cuando la velocidad o la aceleración de la turbina rebasa los límites preestablecidos, asume el control de velocidad un control auxiliar por el tiempo que persista la sobrevelocidad o la sobreaceleración. b) Control de carga Cuando la unidad de generación se interconecta con el sistema de potencia se sincroniza con éste, es decir, la frecuencia de la señal generada es la misma del sistema y ambos están en fase. Es entonces cuando la unidad puede controlar su generación para participar del control de frecuencia. El controlador principal recibe una señal de demanda de carga que se compara con el valor de punto de ajuste y así produce una señal de error que junto con el error de velocidad, actúa modificando la apertura de las válvulas de control para satisfacer la demanda con una generación correspondiente. Cuando la cantidad de carga demandada sobrepasa el valor máximo que la unidad pueda satisfacer entra en acción un dispositivo llamado limitador de carga que asume el control de la unidad para generar a máxima capacidad. Durante el tiempo que permanezca activo el limitador, la unidad dejará de participar en la regulación de la frecuencia del sistema. Asimismo, el limitador de carga puede ajustarse para actuar a un valor inferior al de máxima capacidad con objeto de limitar la generación a cierto valor y aumentar con ello la reserva de generación al transferirse el control de la unidad al controlador principal. Sistemas de Control en Generadores Eléctricos Los sistemas de control en generadores eléctricos son dos, control de voltaje en terminales y control de temperatura del generador.

La función del sistema de control de voltaje es regular el voltaje del generador dentro de límites muy estrechos. La señal de error entre el voltaje generado y el valor de punto de ajuste la utiliza el excitador para modificar la corriente del devanado de campo del generador. Una caída de voltaje en las terminales del generador causa un aumento en la corriente de campo, lo que produce, a su vez, un incremento en la potencia reactiva generada y un correspondiente aumento en el voltaje de las terminales. El control de temperatura del generador eléctrico es importante debido a que la capacidad de generación depende de la temperatura y la presión del refrigerante. El control de la primera se encarga de extraer el calor producido por pérdidas en la generación. Un control típico es aquel que mantiene una circulación cerrada de hidrógeno en estado gaseoso, como refrigerante, a través de estrías practicadas en el rotor del generador. El hidrógeno se pasa por un intercambiador de calor enfriado por agua. El control de temperatura compara una señal de temperatura de la carcaza con el valor de afuste y genera una señal que modifica la rapidez del (lujo de agua de

FORMAS DE OPERACION Y MODOS DE CONTROL

Para cubrir la demanda del sistema eléctrico, las unidades de una central pueden operar en diferentes forma. Formas de Operación a) Generación Base Las maquinas trabajan generando a un nivel constante durante períodos prolongados. En este caso, es comun encontrar unidades de gran tamaño (de 300 MW o mayores), debido a que la dinámica lenta de sus generadores de vapor, limita la velocidad de respuesta de la unidad.

b) Generación controlada

Las unidades pueden ajustar su generación a una demanda cambiante siempre que las variaciones de carga no sean drásticas. Por lo común, se trata de unidades de tamaño mediano y pequeño, esta forma de operación se le conoce como “seguimiento de carga”. Las unidades que operan en esta forma participan en el control de frecuencia del sistema. c) Generación para "horas pico". En las horas de mayor demanda entran en operacion unidades de gas, ciclo combinado o hidraulicas y participan en el control de frecuencia del sistema. Estas centrales tienen la virtud de arrancar, parar y controlar su generación con gran rapidez. d) Reserva de generación. Por lo general, estas unidades que participan en el control de frecuencia y se tienen operando por debajo de su capacidad máxima para mantener una reserva de generación que se pueda utilizar en casos de grandes demandas. A fin de satisfacer la demanda, las unidades de generación pueden disponerse para operación en alguno de los tres modos de control que a continuación se describen.

Modos de Control a) Caldera en seguimiento de turbina La señal de demanda o rechazo de carga, proveniente del sistema interconectado, obliga al gobernador de la turbina a modificar la apertura de la válvula gobernadora; es decir, la turbina asume el control de la potencia generada, en tanto los controles del generador de vapor se encargan de mantener las condiciones de flujo, presión y temperatura del vapor mediante la modificación del suministro de agua de alimentación y la tasa de combustión . Véase la figura siguiente

La variación en el nivel de carga modifica la cantidad de energía térmica almacenada en el generador de vapor, por lo que pueden presentarse desviaciones de presión y temperatura alrededor de sus puntos de ajuste. Para compensarlo es conveniente que los controles del generador de vapor operen en exceso (usualmente con sobrepaso), a fin de reponer la energía perdida en el generador de vapor y satisfacer la demanda del nuevo nivel de carga. Debido a ello, la potencia generada puede oscilar alrededor del valor deseado. La ventaja de este modo estriba en su habilidad para suministrar rápidamente la energía demandada, utilizando la energía térmica almacenada en el generador de vapor. Su desventaja principal es la naturaleza oscilatoria de su respuesta. b) Turbina en seguimiento de caldera En este modo de control, la señal de variación de carga afecta directamente al generador de vapor. Esta señal se utiliza para

modificar el flujo de agua de alimentación y la tasa de la combustión. Al modificar estas variables, se altera la presión del vapor que va a las turbinas. Esto ocasiona que el control de la turbina modifique la

apertura de la válvula gobernadora a fin de restablecer el valor de la presión. La apertura de la válvula gobernadora, modifica directamente el flujo de vapor y este a su vez el valor de la potencia generada. La principal ventaja de este modo de control, es su gran estabilidad en la respuesta. Sin embargo, su desventaja es la lentitud de la respuesta de la unidad, debido a que la turbina espera, literalmente, a que responda el generador de vapor, antes de iniciar cualquier acción. Otra desventaja es que no se aprovecha plenamente la energía almacenada y disponible en el generador de vapor. La figura anterior, muestra en bloques esta estrategia de control. c) Modo coordinado o integrado En este modo de operación, los controles del generador de vapor y la turbina reciben la señal de variación de carga. La caldera opera en modo seguimiento de turbina y produce una rápida respuesta inicial, en tanto que la turbina opera en modo seguimiento de caldera y logra estabilidad en la respuesta. Véase la figura siguiente.

La selección de los modos de control depende del tamaño de la unidad y de su forma de operación. Las unidades de tamaño pequeño y mediano se usan por lo común para seguimiento de carga y, dado que en esta forma de operación deben de responder rapidamente a la demanda, se operan en modo caldera en seguimiento de turbina o en modo coordinado. Para unidades de generación base o aquellas de capacidad de respuesta limitada se utiliza el modo turbina en seguimiento de caldera.