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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUÍZ GALLO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA MÁQUINAS TÉRMICAS II

INFORME “DISEÑO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES DE UNA CENTRAL TÉRMICA”

CURSO: Máquinas Térmicas II.

CATEDRÁTICO: Ing. Tapia Asenjo Robinson.

ALUMNO: Vásquez Fernández Juan Carlos – 132074B

FECHA DE PRESENTACIÓN: 09 DE NOVIEMBRE DEL 2017

I. OBJETIVO

 Investigar y determinar parámetros de diseño y selección de componentes de una Central Térmica.

II.

INTRODUCCIÓN

Prácticamente todas las centrales eléctricas de carbón, nucleares, geotérmicas, energía solar térmica o de combustión de biomasa, así como algunas centrales de gas natural son centrales termoeléctricas. El calor residual de una turbina de gas puede usarse para producir vapor y a su vez producir electricidad en lo que se conoce como un ciclo combinado lo cual mejora la eficiencia. Las centrales termoeléctricas no nucleares, particularmente las de combustibles fósiles se conocen también como centrales térmicas o centrales termoeléctricas convencionales. En las centrales térmicas convencionales (o termoeléctricas convencionales) se produce electricidad a partir de combustibles fósiles como carbón, fueloil o gas natural, mediante un ciclo termodinámico de agua-vapor. El término ‘convencionales’ sirve para diferenciarlas de otras centrales térmicas, como las nucleares o las de ciclo combinado.

III.

CENTRAL TÉRMICA

1. DEFINICIÓN: Una central térmica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. Este tipo de generación eléctrica es contaminante pues libera dióxido de carbono. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el 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 álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo. El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, 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. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento. 2. FUNCIONAMIENTO: Las centrales generadoras de energía eléctrica que utilizan combustibles se llaman termoeléctricas, ya que a partir del calor generado (energía térmica) al quemar el combustible generan electricidad, la energía química ligada por el combustible fósil (carbón, gas o fuel -óil) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fuel -óil o gas.

Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de combustible empleado. El funcionamiento es muy sencillo, el combustible se prepara para que la combustión sea lo más eficiente posible, se quema, tratando de extraer la mayor cantidad de calor, esto se hace en una caldera en donde se calienta agua hasta convertirla en vapor, el vapor que sale de la caldera va muy caliente y con una presión muy grande, se conduce por tubos hasta una turbina o turbinas, que son de gran tamaño, la cual se mueve con la fuerza mecánica del vapor que sale a presiones muy altas, esta turbina a su vez mueve un generador eléctrico, esta manera tan simple es en la que se transforma la energía de los combustible en energía eléctrica. El vapor utilizado se va enfriando hasta licuarse y esta agua regresa a la caldera para volver a comenzar el ciclo, el agua utilizada en las centrales termoeléctricas normalmente es reciclada, es decir el ciclo descrito arriba el agua lo hace infinidad de veces. El calor latente de condensación del vapor de agua es absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres de enfriamiento. 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 asíncrono acoplado a la turbina. El tamaño de las termoeléctricas es pequeño y se puede construir casi en cualquier parte en la que se tenga agua para los procesos de enfriamiento. En general todas las centrales termoeléctricas funcionan igual, lo único que cambia es el tipo de combustible, el método o procesos de obtener el vapor, el tamaño y tipo de las turbinas y generadores. 3. COMPONENTES: COMPONENTES DE UNA CENTRAL TERMICA

CARACTERÍSTICAS – FUNCION

TURBOGENERADOR

En él tienen lugar las siguientes conversiones de energía: Energía calorífica del vapor a energía cinética en las toberas de la turbina. Energía cinética del vapor a energía mecánica en los álabes, la que se recoge en la flecha de la turbina. Energía mecánica o energía eléctrica, de la flecha al embobinado del generador.

GENERADOR DE VAPOR

El término de generador de vapor o caldera se aplica normalmente a un dispositivo que genera vapor para producir energía, para procesos o dispositivos de calentamiento. 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, etc. CONDENSADOR

La condensación el vapor de escape de la turbina y drenes se efectúa en el condensador, además de la extracción de algunos gases incondensables.

TORRE DE ENFRIAMIENTO Las torres de enfriamiento son dispositivos de enfriamiento artificial de agua. Se clasifican como cambiadores de calor entre un volumen en circuito cerrado de agua y aire atmosférico. Básicamente las torres de enfriamiento son cambiadores de calor de mezcla, efectuando la transmisión de calor por cambio de sustancia y convección entre los medios. El agua cede calor al aire sobre todo por evaporación, lo hace también por convección, pero en forma secundaria. BOMBAS

De acuerdo con el mecanismo que mueve el flujo, las bombas se clasifican en: centrífugas rotatorias alternativas

CAMBIADOR 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 estos equipos, son los siguientes: calentadores de agua de alimentación calentadores de combustible generador de vapor / vapor evaporadores enfriadores de agua enfriadores de aceite enfriadores de hidrógeno condensador generador de vapor

TANQUES

Los códigos o normas sobre diseño de recipientes o tanques tienen como objeto principal que la fabricación se haga con la seguridad requerida a una economía razonable. Todos

los tanques estarán provistos con los aditamentos necesarios para cumplir con su funcionamiento y los reglamentos de seguridad; Usos de los tanques Almacenamiento de condensado Servicio diario de aceite combustible Almacenamiento de aceite combustible Almacenamiento de agua desmineralizada o evaporada Almacenamiento de agua cruda Servicio de aceite ligero Tanque para columna de agua de enfriamiento Tanque de mezcla de sustancias químicas Drenes limpios fríos Tanque de purgas (blow off tank) COMPRESORES DE AIRE

El aire comprimido se utiliza en las plantas termoeléctricas para instrumentos, control, servicio, sopladores de la caldera y subestación eléctrica.

TRATAMIENTO Y MONITOREO DE AGUA

La alimentación de agua a la caldera constituye, desde el punto de vista químico, uno de los principales problemas de operación: influencia en la confiabilidad decisiva. En las plantas termoeléctricas, la alimentación a la caldera es principalmente de condensado de la turbina (alrededor de 95 a 99%); las pérdidas por purgas, fugas de vapor y condensado, atomización de combustible, etc., deben compensarse con agua de repuesto cuyo volumen varía de 1 a 5%. El agua de repuesto proviene de fuentes naturales de superficie o pozos profundos; en ninguno de los dos casos se encuentra en estado puro.

TUBERÍAS Y AISLAMIENTO La aplicación de tuberías en plantas termoeléctricas y nucleares, refinerías y plantas químicas, etc., se basa normalmente en idénticas (o muy similares) consideraciones de diseño. En su construcción se usan materiales de las mismas propiedades físicas y mecánicas, composición química y estructura metalúrgica; los procesos de fabricación como doblado, formado, soldado y tratamiento térmico involucran procedimientos idénticos que no dependen de la aplicación, sino de la calidad final deseada.

IV.

CENTRAL TERMOELÉCTRICA CHILCA (FENIX)

La Central Térmica de Fenix está ubicada a la altura del Km 64 al sur de Lima, en el distrito de Chilca. Su ubicación es estratégica cerca al ducto de Camisea y de la Subestación Eléctrica Chilca. En diciembre del 2015, Fenix fue adquirida por un consorcio liderado por Colbún, en el cual también participan Blue Bolt A 2015 Limited (subsidiaria controlada por Abu Dhabi Investment Authority – ADIA) y el Fondo de Inversión en Infraestructura administrado por Sigma del Perú. DESCRIPCIÓN: La planta ubicada en Chilca tiene la capacidad de generar hasta 570.10 MW que equivalen al 10% de la energía que consume el Perú. La inversión total asciende a US$ 857 millones. A partir de las 00:00 horas del 24 de diciembre del 2014, el Comité de Operación Económica del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (COES) aprobó el inicio de la operación comercial del ciclo combinado de la Central Termoeléctrica Fénix que pertenece a la compañía Fénix Power Perú. Según informó el Organismo Supervisor de la Inversión en Energía y Minería (Osinergmin), la Central Termoeléctrica Fénix está localizada en Las Salinas, frente a la playa Yaya, en el distrito de Chilca, provincia de Cañete de la región de Lima. El proyecto comprende la instalación de una planta a gas natural que opera en Ciclo Combinado y en la planta se ha instalado dos Turbinas a Gas (GT11 y GT12), dos Calderas de Recuperación de calor, Una Turbina de Vapor (TV10), Sistema de Enfriamiento de la Turbina de Vapor, planta desalinizadora de agua, Subestación y Línea de Transmisión en 500 kV. Cabe señalar que cada una de las dos turbinas a gas tiene una potencia de generación eléctrica de 157 megavatios (MW), por lo que en conjunto 314 MW. Mientras que la turbina de vapor tiene una capacidad de producir 189 MW. En ese sentido, la Central Termoeléctrica Fenix tendrá una capacidad de generación de 570.10 MW, que equivale al 10% de la energía que consume el Perú, y demandó una inversión total aproximada de US$ 857 millones. COMPONENTES: La Central Térmica de Fenix Power opera en Ciclo Combinado, utilizando gas natural, el combustible fósil más limpio disponible actualmente, y vapor de agua para el proceso de generación de energía. El agua que utiliza la Planta proviene del mar e ingresa por gravedad. El ciclo combinado permite una alta eficiencia, ya que el gas natural ingresa en dos turbinas para producir energía.

Se utiliza el calor excedente de la combustión en una caldera recuperadora para producir el vapor de agua previamente desmineralizada, lo que genera energía adicional (40% del total de la capacidad de la Planta). Esta tecnología permite alcanzar un consumo específico eficiente de 7,050 Btu/kWh y tiene una capacidad instalada de 540 MW, lo que equivale al 10% de energía que consume el país actualmente. Sus principales equipos de generación de energía son:   

Dos Turbinas de Combustión a Gas Natural. Una Turbina a Vapor. Dos Calderos de Recuperadores de Calor.

La Planta utiliza agua de mar para dos procesos; el enfriamiento del condensador y la refrigeración de equipos auxiliares. En el segundo proceso se trata el agua de mar para desalinizarla y potabilizarla. El tratamiento de agua mar está constituido por la desalinización de 2,500 m3 diarios de los cuales se potabilizan 2,000 m3 diarios, los que se entregan a las autoridades competentes para su distribución en beneficio de la población de Chilca, evitando la construcción de pozos de agua, lo que permitirá hacer un uso eficiente de los recursos naturales. Los 500 m3 de agua desalinizada diarios serán utilizados para el consumo interno de la Planta en el ciclo combinado. Además, la Planta cuenta con un sistema combustible dual que le permite operarla con gas natural en condiciones normales y con diésel en situación de emergencia. a. Etapa de construcción La construcción de la planta nació debido a la creciente demanda de generación de energía eléctrica. La instalación está diseñada para proporcionar una capacidad de generación de 522 MW, los cuales son aportados al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional. La planta está compuesta por los siguientes equipos: Dos turbinas de combustión a gas natural marca General Electric, modelo GE 7FA, con capacidad dual y una turbina a vapor de agua marca General Electric, modelo GE D11. b. Funcionamiento El calor generado por las dos primeras turbinas es capturado por dos recuperadores de calor y usado para proveer vapor de agua en alta presión a la turbina a vapor que mueve el tercer generador eléctrico. El enfriamiento de la planta se logra a través del uso directo de agua de mar desde una estructura de toma que está ubicada aproximadamente a 500 m de la costa del Océano Pacífico, adyacente a su localización, y otra de descarga. Cabe señalar que la toma de agua se produce por gravedad y no por succión, y que el regreso del agua de mar se da

cumpliendo los estándares internacionales que señalan que la descarga no puede incrementarse en más de 3 grados centígrados dentro de los 100 m desde la zona de descarga. Adicionalmente, para efectos del líquido que se requiere para la producción de energía (vapor de agua) ésta es agua de mar desalinizada y posteriormente desmineralizada. La característica dual de operación mejora la confiabilidad de la planta en el sistema eléctrico, porque ante casos de emergencia por cortes o problemas en el suministro de gas natural se puede producir energía utilizando petróleo diésel, lo cual significa mayor autonomía. De otro lado, la tecnología de ciclo combinado permite que su rendimiento total pueda alcanzar niveles de eficiencia óptimos, en contraste con los rangos que poseen el resto de plantas del parque generador (en su mayoría en ciclo abierto o en proceso de conversión a ciclo combinado). Esto disminuye considerablemente los gastos de producción de electricidad que tendrían un impacto directo en la reducción de los costos del recurso al usuario final. c. Suministros El gas natural requerido para alimentar a la central termoeléctrica provee del Lote 88 operado por el Consorcio Camisea - y será transportado por Transportadora de Gas del Perú S.A. (TGP), cuya conexión y operación de entrega está a cargo de Gas Natural de Lima y Callao S.A. (Cálidda). La instalación viene cumpliendo con la normativa nacional, así como las directivas del Banco Mundial y principios del Ecuador, con respecto al control de las emisiones y efluentes de plantas de generación termoeléctricas, empleando equipos y técnicas de control con tecnología de punta. Transporte de gas natural y transmisión de energía eléctrica Se construyó una tubería la cual opera a Alta Presión para transportar el gas natural desde el punto de intersección de TGP hasta la planta. Esta tubería tiene una longitud aproximada de 3.5 km y una presión de entrega no menor a 34 bares. También se está ejecutando una Línea de Transmisión en 500 kV para llevar la energía producida en la planta hasta la Subestación Chilca, ubicada a unos 8 km, y que forma parte del SEIN (Sistema Eléctrico Interconectado Nacional). Dicha Línea de Transmisión tendrá alrededor de 24 torres para sostener un circuito simple de tres fases y línea de guarda. d. Actividades realizadas La CT Fenix Power, entre otras cosas supuso la realización de las siguientes actividades:  Movimiento de tierras: Tuvo por objeto procurar la nivelación del terreno. Dicha labor siguió los lineamientos de ingeniería en referencia al estado del terreno, respetó los declives naturales e importa el allanamiento de los lugares donde se han establecido los cimientos sobre los que reposan las construcciones y equipos

correspondientes. Nivelación y aplanamiento de la superficie del terreno: La nivelación de la superficie del terreno de 22.53 hectáreas se realizó con la finalidad de demarcar las diferentes áreas de construcción: oficinas temporales y asentamientos finales como cimientos, muros, arreglos de suelo que sirvieron para implementar la ingeniería, calles, entre otros.  Construcción de sub-bases: Ésta tuvo por objeto preparar el terreno hasta donde se ubican los cimientos finales sobre los que reposarán las construcciones y equipos.  Sala de Control: Ésta se ubica en el medio del terreno y desde ella se regulan y controlan todos los sistemas, ya sea principales como auxiliares (aire, agua, protección contra incendios, etc.).  Transformación: Se distinguen dos transformadores situados cerca de las turbinas a gas, y uno a la turbina de vapor. Dichos transformadores están conectados al Patio de Llaves, y toman voltaje de los generadores a 18 KV, y elevan éste a 500 KV.  Turbinas: La Planta cuenta con dos turbinas a gas natural y una turbina a vapor de agua.  Generadores: Cada turbina está conectada a un generador eléctrico que produce electricidad a 18 KV.  Equipamiento mecánico y electromecánico: Los principales equipos mecánicos comprenden las turbinas a gas natural, las calderas de recuperación, la turbina a vapor y la planta de tratamiento de agua con su toma y descarga. Patio de Llaves: Ésta, de acuerdo a la ingeniería básica, tiene una instalación subterránea a partir de los transformadores principales en la parte posterior del terreno.  Calderas de recuperación de calor y chimeneas: El calor emanado por las turbinas a gas natural es recibido por dos calderas de recuperación de calor que producen vapor a alta presión para mover la turbina a vapor. En estas calderas hay cientos de tubos, por los cuales fluye el agua desmineralizada. Se produce vapor debido a las altas temperaturas que provengan de los gases de escape de las turbinas que han sido recuperadas. El calor excedente de las calderas tiene diversos usos, tales como el calentamiento de otros sectores de tuberías. Cuando se haya consumido la mayoría de valor calórico de las calderas, el excedente se reconducirá al ambiente por las chimeneas que tendrán una altura de 60 m.

 Equipamiento eléctrico: Los equipos eléctricos que forman parte de esta central son: • • • • • • • • •

Generadores y sistema de excitación. Transformadores principales y sistema de barras. Barras de los generadores. Cables de medio y alto voltaje. Patio de llaves. Grupo diésel auxiliar. Sistema de control y protección. Sistema de comunicación. Equipos auxiliares.

e. Sistema de Agua  Labores complementarias: Dichos trabajos están relacionados a la realización de obras y al desarrollo de estructuras necesarias para captar y retornar el agua de mar para el sistema de enfriamiento y la caldera a vapor que cierra el ciclo combinado de la central térmica.  Obras de captación: Estas permiten que el agua de mar ingrese por gravedad, a través de 2 tuberías. Luego, el agua pasa al cuarto de filtrado (por rejas y mallas más finas) y bombeo. Posteriormente, el líquido reducirá su velocidad, para permitir, de esta manera, el asentamiento de sólidos antes de ser bombeada al interior de la planta.  Planta desalinizadora: El agua que es bombeada al interior de la planta llegará hasta los tanques de desalinización, en los que, mediante procesos de ósmosis inversa, pierde la mayor parte de la sal disuelta. Más adelante, membranas de ósmosis invertida eliminarán los restos de sal, transformando el agua de mar en agua desalinizada. La planta desalinizadora tiene distintos procesos y componentes (filtros de arena y de cartucho, bombas de alta presión, membranas de ósmosis, depósitos de desecho, entre otros).  Obras de retorno: El agua fluye a través de varios sistemas de enfriamiento de la central - en tuberías - y pasa por una cámara sellada localizada en la planta. Desde la cámara, el agua viaja a través del sistema de descarga de 2 tuberías a 330 m mar adentro, con difusores, donde se mezcla con agua de mar para limitar el incremento de temperatura dentro de los 100 m de la estructura de descarga a 3°C.

¿CÓMO SE GENERA LA ENERGÍA? Fenix utiliza el sistema de generación de energía conocido como ciclo combinado. La planta utiliza gas natural en 2 turbinas de combustión para generar el 60% de energía. Con el calor excedente, se calienta el agua de mar captada por gravedad, y previamente desalinizada y desmineralizada para producir vapor, el cual, se utiliza en la turbina a vapor para generar el 40% de energía adicional. Los principales equipos de generación de energía de la planta son:  2 turbinas de combustión a gas natural  1 turbina a vapor  2 calderos recuperadores de calor La Central utiliza agua de mar que es captada por gravedad a través de dos tuberías submarinas para su proceso de generación de energía. El agua de mar se utiliza para alimentar el condensador que baja la temperatura del vapor para convertirlo en vapor condensado. Luego, el agua pasa a un segundo proceso llamado desalinización, el cual realiza a través de ósmosis inversa. El 80% de agua desalinizada es procesada en la central para producir 2,500m3 de agua potable diariamente, de los cuales, 500m3 son para uso interno de la central y 2,000m3 están en capacidad de ser entregadas a la Municipalidad Distrital de Chilca, quienes se encargan de su distribución en beneficio de la población de la zona. El 20% restante del agua desalinizada, es desmineralizada para la generación de vapor, el cual es utilizado por la turbina a vapor para generar energía. BENEFICIOS  Mayor estabilidad en el sistema eléctrico y hacer del Perú un lugar más atractivo para los inversionistas  El ciclo combinado y el uso del agua de mar permiten reducir los costos de generación eléctrica a los usuarios  La generación sobre la base de gas natural contribuye a un mejor ambiente y a una mejor calidad de vida  Uso eficiente del agua  No se afecta la capa freática, ya que no se construyen pozos de agua  El complejo cuenta con una planta potabilizadora de agua que permitirá entregar unos 2.000 m3 de agua potable diaria para uso de la población de Chilca, lo que beneficiará a más de 8.000 pobladores.

V.

CONCLUSIONES

Se logró alcanzar el objetivo propuesto desde un principio, investigar y determinar los parámetros de diseño y selección de componentes de una central térmica, tomando como ejemplo aplicativo una central térmica que está en operación en el Perú (COES). Hemos podido apreciar en este documento que una central térmica puede funcionar tanto en ciclo simple como también en ciclo combinado; el segundo es más eficiente que el primero porque hay un mejor aprovechamiento del combustible. Hoy en día las centrales térmicas están ocupando un gran lugar en la generación de la electricidad equiparando con las centrales hidroeléctricas, todo esto es gracias al desarrollo del gas natural en nuestro país.