ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LAS CENTRALES TERMOELÉCTRICAS CON DIFERENTE NÚMERO DE EXTRACCI ONES

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1 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LAS CENTRALES TERMOELÉCTRICAS CON DIFERENTE NÚMERO DE EXTRACCI ONES Martín Salazar 1, Raúl Lugo 2, Miguel Toledo 3, Alejandro Torres 2 1 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, División de Ingeniería Mecatrónica e Industrial Av Tecnológico Esq Av Hank González Col Valle de Anáhuac CP Edo de México, México E-ail salazar@teseedux 2 Universidad Autónoa Metropolitana Unidad Iztapalapa Departaento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica Av San Rafael Atlixco No 186, Col Vicentina, CP 09340, Iztapalapa México DF, México 3 Instituto Politécnico Nacional (IPN), Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI) Unidad Profesional Adolfo López Mateos, Edif 5, 3 er piso SEPI-ESIME, 07738, Col Lindavista, México, DF Área Teática: Energía RESUMEN En este trabajo se realiza un análisis terodináico a los ciclos de vapor con recalentaiento y sobrecalentaiento y regeneración, variando el núero de calentadores, ubicando en el iso orden al calentador abierto Este análisis considera los intervalos de presión y teperatura a las cuales trabajan las centrales generadoras de potencia, cuantificando la eficiencia térica, consuo térico unitario, consuo específico de vapor y consuo específico de cobustible, requeridos para generar una potencia constante Para el ciclo de vapor con siete calentadores para las condiciones analizadas se tiene una eficiencia térica del 4452%, ayor en 013% al que opera con seis calentadores y 3% ayor en coparación al que tiene un arreglo de tres calentadores PALABRAS CLAVE: teroeléctrica, CTU, ciclos Rankine INTRODUCCIÓN En el capo de los sisteas energéticos es iportante establecer o predecir el coportaiento de las centrales generadoras de potencia Sin ebargo, el establecer el coportaiento de estos sisteas es coplicado por todas las variantes que intervienen en el proceso de generación de potencia Por tal otivo, se utilizan herraientas coputacionales que peritan establecer el cálculo de los estados terodináicos con ayor rapidez y precisión, que sirva coo base para el análisis energético de las centrales teroeléctricas, es decir, obtener el trabajo otor y la eficiencia con la que opera el ciclo térico En México, la ayoría de las centrales teroeléctricas operan bajo el funcionaiento de los ciclos Rankine con sobrecalentaiento, recalentaiento y regeneración En gran núero, las plantas trabajan con trenes de calentaiento constituidos por seis o siete calentadores de los cuales uno es abierto En la actualidad en México, aproxiadaente el 40 por ciento de la generación de potencia eléctrica es a través de teroeléctricas En el ciclo de vapor de las centrales teroeléctricas con 6 calentadores en el tren de calentaiento, se tienen 28 estados terodináicos, en cada uno se tienen que calcular presión, teperatura, voluen específico, entalpía y entropía específica, así coo en las estrangulaciones y expansiones de la turbina, la calidad del vapor En este trabajo se analizan 6 arreglos diferentes de ciclos de vapor utilizando coo herraienta coputacional el prograa en Visual Basic que calcula los estados terodináicos del ciclo de vapor con dos hasta Pág 07-87

2 siete calentadores Este análisis considera los intervalos de presión y teperatura a las cuales trabajan las centrales generadoras de potencia y se varían las presiones de condensación a la entrada de la turbina de vapor anteniendo constantes las deás condiciones de operación Ibrahi Dincer y Husain Al- Musli [1] y [2], realizan un estudio energético de una central teroeléctrica con dos calentadores considerando los paráetros de operación, sin ebargo, no considera los paráetros de diseño, ya que presión de recalentaiento que propone, la calidad del vapor al final de la expansión resultan inferiores a 088 Si en una planta térica se trabaja bajo estas condiciones se terinaría erosionando a la turbina de vapor Adeás, Eskin [3] realiza estudios terodináicos sobre el análisis de funcionaiento de las turbinas de vapor con la aplicación en el capo de la cogeneración de energía considerando las condiciones de la energía residual coo principal variable Para este análisis se consideran los paráetros de operación reportadas en el prontuario de las centrales teroeléctricas de Altaira, en el estado de Taaulipas [4], que opera con siete calentadores y de Cuidad Lerdo en el estado de Durango [5], que opera con seis calentadores, abas generan 160 MW de potencia al 100% de carga Las Figs 1 y 2 uestran el diagraa esqueático y teperatura entropía para el ciclo de vapor de la Central teroeléctrica de Ciudad Lerdo, Durango, México 18 2 G V AP PI BP BP COND B C1 C2 C3 C4 C5 C6 Fig 1 Esquea del ciclo de vapor 9 28 B1 Teperatura ( C) p1=12485bar T 1=538 C pcond 19 = 01107bar Entropía (kj/kg K) Fig 2 Teperatura entropía para seis extracciones Así iso, se realiza el iso análisis a centrales que operan con enos núero de calentadores, variando la presión de condensación y la presión a la entrada de la turbina de vapor anteniendo constantes las deás condiciones de operación En la Tabla 1 se presentan las condiciones de operación a las cuales se realiza el análisis energético Tabla 1 Condiciones de operación Condiciones de diseño Condiciones de operación η SIT 09 T 1 (ºC) 538ºC η B 08 P 1 (bar) bar p 3 /p p cond (bar) 011 bar DTT AP (ºC) 0 Potencia (MW) 160 MW DTT BP (ºC) -277 PCI gas kj/kg c CICLOS DE VAPOR Los ciclos de vapor analizados son ciclos Rankine con sobrecalentaiento, recalentaiento y regeneración con arreglos en el tren de calentaiento de 2, 3, 4, 5, 6 y 7 calentadores, evaluados a las isas condiciones de operación y utilizando la relación de presiones óptia p3/p1 coo condición de diseño se asegura que la últia etapa de expansión en la turbina, el vapor tenga una calidad superior de 088 Pág 07-88

3 Las Figs 2, 3, 4, 5, 6 y 7 uestran los diagraas teperatura entropía de las centrales de ciclo de vapor con regeneración para diferentes arreglos del tren de calentaiento de la línea principal del agua de alientación al generador de vapor En estas figuras se uestran los procesos de calentaiento, sobrecalentaiento, recalentaiento, regeneración, bobeo y expansión del vapor, a las condiciones de operación de la Tabla 1 Fig 3 Teperatura entropía para siete extracciones Fig 4 Teperatura entropía para cinco extracciones Fig 5 Teperatura entropía para cuatro extracciones Fig 6 Teperatura entropía para tres extracciones Fig 7 Teperatura entropía para dos extracciones Pág 07-89

4 Al disinuir el núero de calentadores cerrados, el requeriiento de vapor extraído de la TV se increenta para antener fija la teperatura de la línea de alientación a la salida del últio calentador, así iso, la presión del calentador abierto disinuye increentando el trabajo de bobeo en la sección de presión interedia a las condiciones del generador de vapor Para los ciclos con regeneración de 7 a 3 calentadores, el tercer calentador en el orden que uestra la Fig 1, es del tipo abierto Una de las principales ventajas de utilizar la regeneración es los ciclos Rankine es obtener una ayor eficiencia térica, debido a que se suinistra un flujo enor de cobustible para generar una potencia constante En el ciclo Rankine con Regeneración, el vapor a alta presión y teperatura producido en el generador de vapor es suinistrado a la turbina, donde entrega su energía al expandir su voluen en cada una de sus etapas, después parte de este vapor es extraído para aprovechar su alta teperatura para precalentar la línea de alientación del generador de vapor Considerando las condiciones de operación de la Tabla 1 y que todos son ciclos Rankine con sobrecalentaiento, recalentaiento y regeneración, se realiza el análisis paraétrico variando las presiones de condensación y de entrada a al turbina de vapor, obteniendo coo resultado la eficiencia térica, el consuo térico unitario, el flujo de cobustible, el consuo específico de cobustible y vapor, que se definen por las siguientes ecuaciones Tabla 2 Ecuaciones para evaluar los principales paráetros de los ciclos Rankine Paráetro 1) Eficiencia térica Ecuación w η th = q a 2) CTU 3600 CTU = Considerando η = ηe =1 η η η th e 3) CEC 3600 CEC = c P 4) CEV 3600 CEV = v P 5) Flujo de cobustible 6) Flujo de vapor c v PCI = q a v P = w Para evaluar las ecuaciones anteriores priero se encontraron las propiedades terodináicas por unidad de asa en cada uno de los estados de los ciclos de vapor, teperatura, presión, entalpía, entropía y voluen Posteriorente se plantean los balances de ateria y energía en cada uno de los equipos y procesos que interviene en los ciclos regenerativos, obteniendo así los flujos de cobustible y vapor [6] y [7] RESULTADOS Para las condiciones de operación de la Tabla 1, variando las presiones de condensación y de vapor a la entrada de la TV, anteniendo las deás condiciones de operación constantes, se obtienen los siguientes resultados La Fig 8 uestra el flujo de vapor de agua requerido para generar una potencia de 160MW Para los ciclos de vapor con regeneración se tiene una disinución en el CEV significativa cuando se opera con siete calentadores Pág 07-90

5 que con 2, 3, 4 y 5 ya que se tiene una disinución aproxiadaente del 83 %, 37%, 22% y 12% respectivaente Sin ebargo, al coparar la regeneración con siete y seis calentadores se tiene una disinución del CEV del 04%, lo que significa que la regeneración disinuye el consuo de vapor para generar una potencia dada, ya que se increenta el trabajo útil y se disinuye el flujo de vapor coo se podría verificar en la ec (5) CEV (kg/kw-h) C 29 4C C 5C Fig 8 CEV a diferentes presiones de condensación para ciclos de vapor con regeneración La Fig 9 uestra el iso coportaiento con el CEC, aunque la variación de los porcentajes es enor Al utilizar ciclos de vapor con siete calentadores en relación a los que tienen arreglos con 2, 3, 4, 5, 6, se uestra un consuo inferior de cobustible en 62%, 25%, 15%, 09% y 03% respectivaente Esta variación resulta ás iportante que la anterior debida a que el agua es un recurso enos costoso, que el quear cobustible Por lo tanto, al increentar el núero de calentadores a ocho daría un increento enor a 03%, de acuerdo con la tendencia de las Fig 8 y 9 CEC (kg/kw-h) C 4C 5C 6C 018 η SIT=09 Fig 9 CEC a diferentes presiones de condensación para ciclos de vapor con regeneración La Fig 10 uestra la eficiencia térica a diferentes presiones de condensación para los ciclos de vapor con regeneración, se observa que para todos los ciclos de vapor se alcanza la ayor eficiencia cuando la presión de condensación es de 004 bar, así iso, se uestra que para las condiciones de operación, la ayor eficiencia de los ciclos se obtiene cuando se trabaja con siete calentadores (4452%), aunque el increento que se tiene con respecto al ciclo que tiene seis calentadores, (4439%) es de 013% Pág 07-91

6 Eficiencia Térica (%) C 4C 5C 6C Fig 10 Eficiencia térica a diferentes presiones de condensación para los ciclos de vapor con regeneración La Fig 11 uestra el coportaiento del CTU a diferentes presiones de condensación La diferencia entre operar con siete o seis calentadores radica en suinistrar aproxiadaente 24 kj/kw-h, por lo tanto, resulta eficiente trabajar con estos ciclos, ya que con los ciclos de 2, 3, 4, 5 se antiene una diferencia ás significativa al copararlo con el de siete calentadores, 532, 208, 123, 70 kj/kw-h respectivaente CTU (kj/kw-h) C C C 7600 Fig 11 CTU a diferentes presiones de condensación para ciclos de vapor con regeneración Considerando las variaciones del CTU, CEV, y de la eficiencia térica, se presenta las sabanas terodináicas del ciclo de vapor con siete calentadores, ya que con base a estos resultados se puede obtener el coportaiento de los deás ciclos con regeneración La Fig 12 uestra el CTU y el CEV a diferentes presiones de condensación y de entrada a la turbina para el ciclo de vapor con siete extracciones Para las condiciones del punto (a), el CTU es de kj/kw-h y CEV= 2825 kg/kw-h Si se antiene la presión de entrada a la turbina constante y disinuye la presión de condensación hasta 0077 bar, punto (b), se obtiene un decreento del CTU y CEV aproxiadaente del 22% Esta isa disinución de estos paráetros se obtiene al dejar constante la presión de condensación e increentar la presión de vapor vivo de a 160 bar, pero se tiene que suinistrar una ayor cantidad de flujo de vapor, ya que el CEV se increenta, para generar la isa potencia de 160MW 3C Pág 07-92

7 CTU (kj/kw-h) b CEV (kg/kw-h) a Fig 12 CTU y CEV en función de la p cond y p 1 para la TV con siete calentadores c Eficiencia térica (%) c T 1= 585 ºC η B= a Trabajo útil (kj/kg) Fig 13 Eficiencia Térica y el trabajo útil en función de la p cond y p 1 para la TV con siete calentadores b La Fig 13 uestra el coportaiento de la eficiencia térica y del trabajo útil a diferentes presiones para el ciclo de vapor con siete extracciones, el coportaiento es siilar a la Fig12, sin ebargo, a las condiciones de operación de eficiencia térica áxia no se tiene tabién el trabajo útil áxio, considerando los isos puntos de coparación de la Fig 12 Para antener la isa generación de potencia constante de 160 MW en los puntos (a) y (c), se debe de generar ayor cantidad de flujo de vapor, en coparación al punto (b) Al increentar la presión a la entrada de la turbina de vapor se tiene una disinución en el flujo de cobustible, debido a que confore auenta la presión, el calor suinistrado disinuye, aunque esta disinución no es ayor a la que se obtiene al disinuir la presión de condensación, por ejeplo, para las condiciones de operación del punto (a) y (c) al increentar la presión de a 160 bar, anteniendo la presión de 011 bar, se tiene una disinución de 018 kg/s CONCLUSIONES El análisis energético uestra que los ciclos de vapor con regeneración tienden a ejorar la eficiencia térica, sin ebargo, con la ipleentación de siete y seis calentadores se tiene una diferencia enor al 05%, en los valores del CEV, CEC y CTU Por consiguiente, confore se adicionan calentadores al tren de calentaiento, la diferencia en el increento de la eficiencia térica se reduce, lo que lleva a plantear que la anexión de octavo calentador no sería conveniente ya que el increento que se tendría en sus paráetros resultaría enor al 05% REFERENCIAS 1 Dincer, Ibrahi, Al- Musli, Husain Therodynaic analysis of reheat cycle stea power plant International Journal of Energy Research, vol 25, pp , Mehet Kanoglu, Ibrahi Dincer Perforance assessent of cogeneration plants Energy Conversion and Manageent, vol 50, pp 76 81, Nurdil Eskin, Afsin Gungor, Koray Özdeir Effects of operational paraeters of FBCC stea power plant Fuel, vol 88, pp 54 66, Coisión Federal de Electricidad México Prontuario de la Central Teroeléctrica de Ciudad Altaira, Coisión Federal de Electricidad MéxicoProntuario de la Central Teroeléctrica de Ciudad Lerdo, Martín Salazar Pereyra, Raúl Lugo Leyte, Alejandro Torres Aldaco, Rogelio González Análisis energético y exergético del proceso de cobustión en un generador de vapor XI Congreso Internacional Anual de la SOMIM y IV Congreso Bolivariano de Ingeniería Mecánica Ciudad de Morelia, Michoacán, del 21 al 23 de septiebre de 2005 Pág 07-93