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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE MISANTLA

MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS 1 Ing. Jorge Roa Díaz. PRACTICA DE CAMPO UNIDAD No. 3 TURBINAS DE VAPOR

PERIODO: Enero – Junio 2019. OPCIÓN: Primera Oportunidad

CARRERA: INGENIERIA ELECTROMECANICA SEMESTRE: 6to.

GRUPO: 604

PRESENTA: 162T0608 PEDRERO COLORADO VANGELIS

Fecha de entrega: 09/04/19

Rúbrica para la evaluación de la práctica de campo. GUÍA DE OBSERVACIÓN PARA EVALUAR PRÁCTICA DE CAMPO. Asignatura: MÁQUINAS Y EQUIPOS TÉRMICOS 1

Total de SI.

Nota.

Profesor: ING. JORGE ROA DÍAZ

5

30%

Competencia No.:

6

36%

ANÁLISIS DE LA TURBINA DE

7

42%

VANGELIS PEDRERO COLORADO

8

48%

9

54%

10

60%

3

Nombre de la práctica de campo: VAPOR SIEMENS SST-800 Nombre del (los) estudiante (s):

Carrera: INGENIERIA ELECTROMECÁNICA Semestre: 6to. Grupo: 604

: Periodo: ENERO – JUNIO 2019 Opción: Primera oportunidad (X). Fecha:

Segunda oportunidad ( ).

09/04/19

No.

Indicador.

SI

1

Entrega en tiempo y forma de acuerdo a lo establecido.

2

Expone el marco conceptual que se utilizará y se vincula con el tema o estudio central. Presenta el origen y las causas del estudio. Además de una evaluación de alternativas, es decir, expone la propuesta y análisis para poder resolver el caso práctico.

3

4

Presenta estructura y organización de la información.

5

Redacta una propuesta de soluciones.

6

Redacta las valoraciones.

7

Presenta conclusiones donde puntualiza, el origen, trascendencia, evolución y soluciones posibles, así como niveles de riesgos y ajustes tentativos.

8

Presenta información fotografías, planos, etc.

9

Usa diversas fuentes de información que cumplen criterios de calidad para enriquecer su aprendizaje.

10

El documento presenta buena gramática, ortografía y puntuación. Así como limpieza y orden.

recomendaciones

extra

TOTAL:

NO

Observaciones.

y

como

NOTA:

Análisis la Turbina de Vapor SIEMENS SST-800 Vangelis Pedrero Colorado [email protected] Instituto Tecnológico Superior de Misantla, Km 1.8 Carretera Lomas del Cojolite, Misantla, Veracruz Resumen-Las pérdidas de energéticos debido a la ineficiencia de los equipos de generación de energía, tienen un desperdicio que no solo está impactando en el aspecto monetario a la industria generadora, sino que también afecta de manera sensible a la Tierra. En el presente trabajo se analizará un modelo especifico de Turbina de Vapor el cual es conocido por su alta eficiencia energética, en la cual se estudiará específicamente el número de escalonamientos de este. Abstract-The energetic losses due to inefficiency of the energy generators devices, has a waste that is not only impacting the monetary aspect of the generating industry, but that also affects Earth noticeably. In the present assignment it will be analyzed a specific model of Steam Turbine which is well known due to its high energetic efficiency, in which it will be specifically studied the number of steps of it.

Fig. 1 Turbina de Vapor SIEMENS SST-800.

I. INTRODUCCIÓN Actualmente se requiere de energía eléctrica para desarrollar la mayor parte de los procesos industriales, económicos y comerciales. Existen diferentes formas de generarla, pero varias de estas formas ocasionan problemas energéticos en el mundo, y hoy en día van en aumento, debido en gran medida a la sobreexplotación de los recursos, en especial de los combustibles fósiles, los que han llevado también a grandes índices de contaminación y el deterioro del ambiente. Se ha hecho un esfuerzo en busca de fuentes energéticas alternativas, sin embargo, es una realidad que la mayor parte de la energía eléctrica se produce en Centrales Termoeléctricas, en las cuales, una perdida de eficiencia involucra no solo un costo mayor de producción, sino que también conlleva a un mayor impacto ambiental. Es necesario tener un buen funcionamiento de los equipos que conformen la Central Termoeléctrica, sin embargo, el más importante es sin duda la Turbina de Vapor, por lo que un adecuado análisis de esta llevara a un mejor proceso de producción. Es por eso por lo que en el presente trabajo se analizará una de las turbinas más eficientes de la popular marca de fabricación industrial “SIEMENS” la cual es la “SST-800”, en la que, conociendo ciertos datos expresados en el desarrollo del presente trabajo, se encontrara el numero teórico de escalonamientos de velocidad requerida, así como el numero teórico de escalonamientos a presión. Estos datos para encontrar, no es posible encontrarlos abiertamente, es por eso que se tiene el objetivo de conocer que tanto numero de escalonamientos son los más eficientes para las condiciones dadas y así conocer porqué es tan excepcional este modelo de turbina.

II. DESARROLLO La Turbina de Vapor SIEMENS SST-800 tiene una velocidad de giro de 3600 rpm [1]; su rodete tiene un diámetro medio de 1400mm [1] y en el proceso que se va a utilizar va a suministrar vapor seco a razón de 5700kg/h [1] a una presión absoluta de 14 bar [1]. Para el estudio a realizar de los escalonamientos se va a despreciar el efecto de rozamiento. Primeramente, para empezar con el estudio se tiene que conocer la velocidad en la periferia del rodete, pero para realizar este análisis primero supondremos que se realiza una expansión isoentrópica, con este supuesto se readaptará la ecuación (ecuación obtenida de [2]) 𝑛𝑛 =

𝑉2 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑉2 𝑖𝑠𝑜𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑎

(1)

como 𝑁𝑣 =

𝑉 2𝑉𝑝𝑒𝑟𝑖𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎

(2)

Por lo que para satisfacer la ecuación (2) se deberá calcular la velocidad periférica, esto de la siguiente manera ya conociendo la velocidad de giro del rodete 𝑉𝑝𝑒𝑟𝑖𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 =

𝜋𝑑𝑛 60

donde d = diámetro del rodete (m) n = velocidad nominal de giro (rpm)

(3)

sustituyendo los valores de (14) y (5) en (2) como se realiza a continuación: Realizando la debida sustitución, se realiza la operación para obtener la velocidad periférica: 1400𝑚𝑚 )(3600𝑟𝑝𝑚) 1000𝑚

𝜋(

𝑉𝑝𝑒𝑟𝑖𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 =

60

𝑉𝑝𝑒𝑟𝑖𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 = 263.89 𝑚/𝑠

𝑘𝑔 ℎ

𝑥

1ℎ 3600 𝑠

= 1.583

𝑘𝑔

(5)

Ya habiendo conocido el numero teórico de escalonamientos para velocidad lo siguiente es conocer el mismo dato, pero para la presión que en este caso son 14 bar. Para continuar, es necesario conocer la entalpía de entrada del sistema ya que habrá que satisfacer una ecuación que requiere esa información para así poder conocer la entalpía de salida; por lo tanto, se recurrirá a [3] para encontrar la entalpía de entrada en la condición de presión actual.

(16)

(6)

𝑠

ṁ𝑉𝑝𝑒𝑟𝑖𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎2 2𝑔

Debido a que la presión está dada en bar y el dato de presión en [3] se encuentra expresada en kg/cm2 se deberá de realizar la debida conversión para buscar la entalpía de entrada en [3]. 14 𝑏𝑎𝑟 𝑥

(7)

1.01972

𝑘𝑔 𝑐𝑚2

= 14.27608 ≈ 14.27

1 𝑏𝑎𝑟

𝑘𝑔 𝑐𝑚2

(17)

Como el valor de 14.27 kg/cm2 no se encuentra explícitamente en [3] se realizará una interpolación entre los valores 14.06 kg/cm2 y 17.57 kg/cm2.

donde g = gravedad (m/s2) ṁ = flujo másico (kg/s)

ℎ1 𝑝𝑎𝑟𝑎 14.27

Sustituyendo los valores de (6) y (5) en la ecuación (7) y calculando: 𝐸𝐶 =

(15)

𝑁𝑣 = 12.97 ≈ 13 𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠

Habiendo obtenido el flujo másico ya es posible satisfacer la siguiente ecuación de la energía cinética [2]; 𝐸𝐶 =

6847.75 𝑚/𝑠 2(263.89 𝑚/𝑠)

(4)

Conociendo la velocidad periférica solo resta conocer la velocidad a la cual circula vapor seco para poder satisfacer la ecuación (2); para esto, es necesario llevar el flujo másico en kg/h a kg/s y con ello calcular la energía cinética. 5700

𝑁𝑣 =

1.583

𝑘𝑔 (263.89 𝑚/𝑠)2 𝑠 𝑚 2(9.81 2 ) 𝑠

(8)

𝐸𝐶 = 5618.59 𝐽

426 𝐶𝑎𝑙

5618.59 𝐽 𝑥

1𝐽

= 2.39 𝑀𝐶𝑎𝑙

(10)

Con el conocimiento de la energía cinética contenida en el vapor seco, se continua el estudio haciendo un despeje de la formula general de la energía cinética en la cual se considerará un flujo másico igual a 1kg/s. 𝐸𝐶 =

𝑚𝑣 2

(11)

2𝑔

𝑣 = √2𝑔𝐸𝐶𝑚

𝑉𝑝𝑒𝑟𝑖𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 = 91.4 √ℎ1 − ℎ2 ℎ2 = − ( ℎ2 = − (

𝑠

𝑠

𝑣 = √2 (9.81 2 ) (2.39𝑀𝐶𝑎𝑙) ( 𝑣 = 6847.75 𝑚/𝑠

)

𝑉𝑝𝑒𝑟𝑖𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 2 91.4

) + ℎ1

(20)

) + 671.18 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔

91.4

ℎ2 = 662.84 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔

(21) (22)

La ecuación para calcular el número de escalonamientos a presión [2] es la siguiente 𝑁𝑝 =

ℎ2

(23)

𝐸𝐶𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

Como se puede observara aun falta conocer un valor, el cual es ECideal que deberá estar dado en Joules (J), este valor es obtenido haciendo uso de la velocidad periférica y suponiendo que la masa es de 1kg por lo que la ecuación se expresa y se resuelve a como sigue: 𝐸𝐶𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =

1𝑘𝑔

(18)

(19)

263.89 𝑚/𝑠 2

(12)

𝑚

= 671.18 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔

Obtenido el valor de h1 es posible obtener la entalpía de salida (h2) despejando a esta misma de la siguiente ecuación (y resolviendo):

(9)

Para poder continuar con el estudio es necesario trabajar en Calorías (Cal) por lo que se procederá a hacer la conversión del resultado de (9).

𝑘𝑔 𝑐𝑚 2

(13) 𝐸𝐶𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =

𝑚(2𝑉𝑝𝑒𝑟𝑖𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎)2

(24)

2𝑔 1𝑘𝑔[(2)(263.89 𝑚/𝑠)]2

(25)

𝑚 𝑠

2(9.81 2 )

(14)

Con el resultado de (14) ya es posible conocer el numero teórico de escalonamientos de velocidad de la Turbina de Vapor

𝐸𝐶𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 7098.66 𝐶𝑎𝑙 (

1𝐽 426 𝐶𝑎𝑙

𝐸𝐶𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 16.66 𝐽

)

(26) (27)

Ya conocido este ultimo dato, es posible satisfacer la ecuación (23) por lo que se procede a sustituir los valores de (22) y (27) en (23) y así conocer el número teórico de escalonamientos a presión. 𝑁𝑝 =

662.84 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 16.66 𝐽

𝑁𝑝 = 41.4275 ≈ 42 𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠

(28) (29)

III. CONCLUSION Con base al análisis anterior, se puede concluir que para las condiciones en las cuales debe trabajar la Turbina de Vapor SIEMENS SST-800 un numero de escalonamientos de velocidad igual 13 y un numero de escalonamientos de presión igual a 42, son los más adecuados para obtener la mayor eficiencia del sistema que de acuerdo con [4] indica tener un 57.23% de eficacia; y un factor muy importante para que esta eficiencia pueda ser posible es tener el numero preciso de escalonamientos en la turbina ya que en todo este cuerpo se lleva a cabo el proceso más importante que es el de transmitir la energía mecánica al generador. El objetivo de los escalonamientos en la Turbina de Vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes próximos al valor optimo con relación a la velocidad del chorro de vapor, con lo que se consigue aumentar la eficiencia. Como ingeniero se debe ser capaz de analizar debidamente la composición de las máquinas industriales para así poder detectar fallas o hasta mejorar el diseño; el análisis que se realizo en el presente trabajo es prueba de que se es capaz de obtener información técnica sobre una máquina industrial, conociendo debidamente la metodología de estudio que es necesaria para llevar a cabo el análisis. Y con esto, poder conocer de que manera se puede implementar este eficiente diseño o parámetros para mejorar una turbina ya que una eficiencia del 57.23% es muy buena; actualmente la Turbina de Vapor más eficiente del mundo (avalado por Guiness World Records [5]) la fabricó General Electric y se encuentra instalada en Nishi-Nagoya, Japón; Turbina la cual tiene una eficiencia del 63.08% de acuerdo con [5] esto es 5.85% más que la de SIEMENS, este dato para darse una idea de lo eficiente que es la turbina analizada y que su diseño puede ser la solución para el ineficiente energético de una Turbina o bien para hacer un estudio más a fondo y que trascienda o evolucione.

Fig. 2 Vista de Escalonamientos de la Turbina de Vapor SIEMENS SST800.

Fig.3 Turbina de Vapor General Electric 7HA, la más eficiente del mundo.

REFERENCIAS [1] http://www.energiza.org/anteriores/energizadiciembre2011.pdf [2] Antología Máquinas y Equipos Térmicos 1. Unidad 2 Generadores de Vapor. Ing. Jorge Roa Diaz [3] Anexos Máquinas y Equipos Térmicos 1. Ing. Jorge Roa Diaz [4] https://new.siemens.com/global/en/products/energy/powergeneration/steam-turbines/industrial-steam-turbines.html [5] https://www.ge.com/power/about/insights/articles/2018/03/nishinagoya-efficiency-record