ANÁLISIS Y CÁLCULOS DE ÍNDICES PARA UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA DE CICLO COMBINADO 2X1 (TERMOFLORES)

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1 ANÁLISIS Y CÁLCULOS DE ÍNDICES PARA UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA DE CICLO COMBINADO 2X1 (TERMOFLORES) CARLOS LÓPEZ PAUTT (1), DANIEL CASTILLA PUELLO (2 ) Universidad Tecnológica de Bolívar, Facultad de Ingeniería Mecánica, Cartagena de Indias 2013 INTRODUCCIÓN El control en los parámetros de funcionamiento de una central termoeléctrica es de mucha importancia para tener toda la maquinaria funcionando correctamente y aprovechar al máximo el combustible que se esté usando. Como primera instancia se tiene un ciclo combinado con una configuración 2X1, como bien sabemos en este tipo de centrales termoeléctricas la energía térmica del combustible es transformada por electricidad mediante dos ciclos termodinámicos; Ciclo Brayton y Ciclo Rankin, turbina de gas y turbina de vapor respectivamente. De aquí viene el llamado ciclo combinado 2X1 ya que se configuro para que estuvieran dos ciclos Brayton y un ciclo Rankin. Partiendo de esto se tomaron diferentes parámetros para obtener cálculos estequiometricos del combustible que se utilizó en el ciclo combinado, en ente caso usamos gas natural, seguidamente se inició con el análisis de los ciclos con turbina de gas para llegar después al ciclo de vapor. Todo esto se realizó para el cálculo de índices en nuestra central, en estos índices tenemos como, la eficiencia, el Heat Rate, consumo especifico de combustible, consumo especifico de vapor, etc. 1

2 OBJETIVOS Objetivos Generales Utilizar los conocimientos obtenidos en termodinámica y conversión de energía para el análisis de una central termoeléctrica de ciclo combinado 2X1 Objetivos específicos Realizar cálculos de los diferentes indicadores, heat rate, consumo especifico de combustible y consumo especifico de vapor. Aplicar todos los conocimientos adquirido en clase para la realización del trabajo a continuación. Buscar información que nos ayude a conocer más a fondo las diferentes configuraciones de los ciclos termodinámicos, más exactamente de 2X1. 1. CICLOS DE GENERACIÓN DE POTENCIA 1.1 Ciclo Brayton El ciclo Brayton es un ciclo de combustión interna muy apropiado para la maquinaria rotativa. La transferencia de energía como calor ocurre es una cámara de combustión que esta fuera del dispositivo de expansión (turbina). La ventaja de este ciclo es que evita las complejidades y el uso de pesadas maquinas reciprocantes de pistón. [1] En este ciclo de generación de potencia el aire se comprime al inicio en forma adiabática en un compresor rotatorio axial o en uno centrifugo. Seguidamente el aire entra en una cámara de combustión donde se inyecta y quema a presión esencialmente constante. Luego los productos de la combustión se expanden a través de una turbina hasta alcanzar la presión ambiente de los alrededores. Un ciclo compuesto por estos tres pasos recibe el nombre de ciclo abierto, ya que el ciclo en realidad no se completa. Los ciclos de las turbinas de gas reales son ciclos abiertos ya que se debe introducir aire en forma continua en el compresor. Si se desea evaluar un ciclo cerrado, los productos de la combustión que se han expandido a través de la turbina deben enviarse a través de un intercambiador de calor, donde este elimina el gas hasta que se obtiene la temperatura inicial. 2

3 (a) (b) Figura 1. (a) Ciclo Brayton abierto y (b) ciclo Brayton cerrado La figura 1 muestra los componentes que intervienen en un ciclo Brayton, que puede ser abierto (a) o cerrado (b). En el sistema que se analiza en este trabajo el cual es la planta de termoflores exactamente en los bloques energéticos 2, 3 y 4 los cuales por ser un ciclo 2X1 tenemos dos ciclos de turbina de gas ósea dos ciclos Brayton el cual se muestran en la siguiente imagen: Esquema Flores II (ciclo con turbina de gas I) Esquema Flores III (ciclo con turbina de gas II) 3

4 (a) (b) Figura 2 (a) diagrama p-v, (b) diagrama T-S 1.2 Ciclo Rankin Este es el ciclo más representativo de las centrales térmicas de vapor. Consiste principalmente en elevar la presión del agua por medio de una bomba luego evaporarla por medio de una caldera, este vapor es llevado a una turbina que aprovecha la energía cinética causada por la alta presión para transformarla en energía mecánica y luego ser aprovechada por el generador que la convierte en energía eléctrica. El vapor de baja presión que sale de la turbina es transformado a líquido a través de un condensador a la misma presión de salida de la turbina, luego el proceso de compresión lo efectúa la bomba la cual comprime el líquido hasta llevarlo a la presión de entrada a la caldera para continuar con el ciclo. 4

5 Figura 3) Componentes del ciclo Rankin Las grandes plantas de turbinas a vapor, que constituyeron la principal forma de generación de energía eléctrica a partir de combustibles en la década de los 80 s, han sido sustituidas paulatinamente por Turbinas a Gas en Ciclo combinado (cogeneración), en la cual la turbina de gas es la pieza central de la planta. Se estima que entre hubo un total instalado de 147,7 GW de potencia eléctrica en el mundo, con esta modalidad de ciclo. 1.3 Ciclo Combinado La central térmica de ciclo combinado es aquella donde se genera electricidad mediante la utilización conjunta de dos turbinas: Un turbo grupo de gas Un turbo grupo de vapor Es decir, para la transformación de la energía del combustible en electricidad se superponen dos ciclos 5

6 1.4 Configuración 2x1 Ventajas: Menor coste de inversión que dos monoejes de la misma potencia (aproximadamente un 10%). Mayor flexibilidad de operación, al posibilitar el funcionamiento con una turbina de gas y una turbina de vapor y arrancar de forma rápida la segunda turbina de gas. Mejor rendimiento a cargas parciales, y especialmente al 50% de carga, al poderse reducir la potencia en solo una de las turbinas de gas. Fácil acceso para el mantenimiento de los generadores. Equipos de arranque estáticos de turbina de gas pequeños. No es necesaria caldera auxiliar. Posibilidad de emplear alternadores refrigerados por aire, al ser estos de menor potencia. Inconvenientes: La avería de la turbina de vapor deja fuera de servicio todo el ciclo combinado si no se dispone de by-pass de gases en las turbinas de gas. Descripción de todo el bloque energético 1. Turbina de gas: Una turbina de gas es una turbo máquina destinada a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas o en las de cogeneración. 2. Compresor: El compresor comprime el aire entrante hasta cerca de 5 o 6 veces la presión atmosférica. Generalmente en turbinas grandes, se utilizan compresores axiales, en lugar de los compresores radiales o centrífugos. Se comprime el aire pues la combustión del aire comprimido y del combustible es más eficiente que la combustión del aire sin comprimir y del combustible. 3. Cámara de Combustión: Es el lugar donde el combustible es quemado junto al aire presurizado del compresor. Esquemáticamente la cámara de combustión se representa como un objeto rectangular, cuando de hecho allí están generalmente pequeñas y numerosas cámaras de combustión 6

7 alrededor de la superficie externa cilíndrica del cuerpo del compresor. Las cámaras de combustión a veces se llaman las latas, porque son realmente eso cajas de metal huecas y vacías! El combustible se inyecta en la cámara a alta presión y el combustor esta construido para mezclar de manera óptima el aire presurizado con el combustible para la combustión completa. 4. Turbina a gas: El único propósito de la turbina en el motor de turbina de gas de un turborreactor, es proporcionar la energía mecánica en el eje para rotar el compresor. 5. La caldera: es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase. 6. Turbina de Vapor: es un motor rotativo que convierte en energía mecánica, la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. 7. El condensador: es la fuente fría y refrigerante del ciclo térmico, por lo que representa el intercambiador de calor más importante del mismo. 8. Bombas de condensado: son bombas especiales con las que puede extraerse el agua de condensación en caso de que ésta no pueda salir por el desnivel natural. Por lo general, las bombas están compuestas por el cuerpo de la bomba propiamente dicho y una unidad de sensores o bien integrada en el cuerpo de la bomba o bien suministrada por separado. 7

8 El esquema de la central es el siguiente: Daniel Castilla Puello, Carlos López Pautt, CONVERSIÓN DE ENERGÍA Figura 4) Flores IV, ciclo combinado 2X1 8

9 2. Ecuaciones utilizadas para los cálculos 2.1 Calculo real del compresor Dónde: 2.2 Calculo adiabático del compresor (( ) ) Dónde: 2.3 Calculo del flujo de combustible 2.4 Calculo de la eficiencia del compresor 9

10 Dónde: 2.5 Calculo de la temperatura de la llama Dónde: 2.6 Calculo del flujo de gas 10

11 2.7 Calculo de la energía entregada a la turbina Dónde: 2.8 Calculo del HEAT RATE Dónde: 2.9 Calculo del consumo de calor 11

12 2.10 Calculo del consumo específico de combustible 3. COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL Las propiedades del gas natural se obtuvieron de la siguiente tabla: Tabla 3.1: Propiedades del gas, tomado de Ecopetrol. 12

13 4. VOLUMEN DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN 4.1 Volumen teórico del aire El volumen teórico de aire se calcula cola siguiente expresión: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Como no tenemos en nuestra composición CO, H 2 y S, estos términos se hacen cero. Aplicando el factor de corrección( ) tenemos: 4.2 Volumen teórico del nitrógeno Es calculado con la siguiente ecuación: 13

14 4.3 Volumen de gases triatómicos Utilizamos la siguiente ecuación para dicho cálculoq. 4.4 Volumen teórico del vapor de agua ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 14

15 * 4.5 Volumen teórico de los gases secos Se calcula por la relación del volumen de gases triatómicos y el volumen teórico de nitrógeno, se representa por la siguiente ecuación: 4.6 Coeficiente de exceso aire Calculamos el coeficiente de aire usando la siguiente ecuación: Nuestro combustor trabaja con un porcentaje de coeficiente de exceso de aire es: de 12%, por lo tanto el 4.7 Volumen real de los gases secos 15

16 4.8 Volumen real de vapor de agua * 4.9 Volumen real de los gases de la combustión 5. FLORES II 5.1 Trabajo adiabático del compresor (( ) ) Con presión intermedia óptima de: (( ) ) 16

17 Daniel Castilla Puello, Carlos López Pautt, CONVERSIÓN DE ENERGÍA Como el flujo de aire con el que va a trabajar el compresor es, entonces se tiene que: El poder calorífico del gas se encontró en la siguiente tabla Propiedades de algunos gases, tomado de: Flujo másico de combustible: Calculamos el flujo másico del combustible de la siguiente manera: ( ) ( ) ( ) (( ) ) 17

18 Flujo volumétrico de combustible se calcula de la siguiente manera: 5.3 Calculo del flujo de aire 5.4 Calculo del flujo de gas 5.9 Cámara de combustión Temperatura de la llama 18

19 5.5 Calculo de la energía entregada a la turbina. El calor específico a la entrada de la turbina lo calculamos usando la siguiente ecuación: El calor específico a la temperatura de entrada a la turbina es: El calor específico a la temperatura de salida de la turbina es: 5.6 Trabajo real del compresor 5.7 Eficiencia del compresor 19

20 5.8 Temperatura de los gases a la salida del compresor ( ) 5.10 Calculo del Heat Rate 5.11 Potencia aportada por el combustible que se esta quemando 5.12 consumo específico de combustible 20

21 Daniel Castilla Puello, Carlos López Pautt, CONVERSIÓN DE ENERGÍA 6. FLORES III 6.1 Trabajo adiabático del compresor (( ) ) Con presión intermedia óptima de: (( ) ) Como el flujo de aire con el que va a trabajar el compresor es, entonces se tiene que: 6.2 Flujo másico de combustible: Calculamos el flujo másico del combustible de la siguiente manera: ( ) ( ) 21

22 ( ) (( ) ) Flujo volumétrico de combustible se calcula de la siguiente manera: 6.3 Calculo del flujo de aire 6.4 Calculo del flujo de gas 6.9 Cámara de combustión Temperatura de la llama 22

23 6.5 Calculo de la energía entregada a la turbina. El calor específico a la entrada de la turbina lo calculamos usando la siguiente ecuación: El calor específico a la temperatura de entrada a la turbina es: El calor específico a la temperatura de salida de la turbina es: 6.6 Trabajo real del compresor 6.7 Eficiencia del compresor 23

24 6.8 Temperatura de los gases a la salida del compresor ( ) 6.10 Calculo del Heat Rate 6.11 Potencia aportada por el combustible 24

25 6.12 Consumo específico de combustible Daniel Castilla Puello, Carlos López Pautt, CONVERSIÓN DE ENERGÍA 7. FLORES IV Diagrama de Mollier para el agua. 7.1 Trabajo de la turbina de vapor de Alta presión (HP). 25

26 Daniel Castilla Puello, Carlos López Pautt, CONVERSIÓN DE ENERGÍA 7.2 Trabajo de la turbina de vapor de presión intermedia (IP). 7.3 Trabajo de la turbina de vapor de presión intermedia (LP). 26

27 Daniel Castilla Puello, Carlos López Pautt, CONVERSIÓN DE ENERGÍA Usamos el siguiente balance de energía para calcular la entalpia de entrada a la turbina de baja presión. 7.4 Calculo de la eficiencia de la caldera Caldera de recuperación de calor F-II ( ) ( ) ( ) Caldera de recuperación de calor F-III ( ) ( ) ( ) 27

28 7.5 Consumo de vapor en el turbogrupo (( ) ( ) ( )) (( ) ( ) ( )) 7.6 Consumo especifico de vapor 7.8 Eficiencia térmica global 8. CONCLUSIONES Analizando todo el proceso empleado para el análisis y desarrollo de todo el ciclo térmico 2X1, se siguió una secuencia lógica para la realización este mismo, se tomaron primero la composición del gas, características físicas de cada sistema que se tenía y además teniendo muy en cuenta las propiedades físicas ambientales como lo son la temperatura, presión y densidades del combustible y aire. En este caso se analizó inicialmente flores II el cual es un ciclo Brayton, se calcularon todos los índices pedidos para este sistema, igualmente se pasó a 28

29 flores III donde se realizó el mismo procedimiento de cálculo ya que también cómo se mencionó varias veces en el trabajo también en un ciclo de turbina de gas. 9. REFERENCIAS 1. Conversión de energía, ciclos de conversión de energía, V. Radambi y Manohar Prasad volumen 2, instituto Hindú de tecnología, Kanpur. 2. A.V.SCHEGLIAIEV. (1978). Turbinas de vapor- parte 1. En A.V.SCHEGLIAIEV, Turbinas de vapor- parte 1. Moscu: Mir Moscu. 3. BALLESTA, S. (2012). TRIGENERACIÓN INDUSTRIAL-CALCULOS TERMODINÁMICOS Y ECONÓMICOS CASO ABOCOL CARTAGENA. En S. BALLESTA, TRIGENERACIÓN INDUSTRIAL-CALCULOS TERMODINÁMICOS Y ECONÓMICOS CASO ABOCOL CARTAGENA. Cartagena. 4. BERRIO, T. C.-J. (2012). INDICADORES ENERGÉTICOS Y ECONÓMICOS EN BLOQUES DE TRIGENERACIÓN INDUSTRIAL AL UTILIZAR DIFERENTES 4. TECNOLOGÍAS PARA EL ENFRIAMIENTO DEL AIRE EN CASO ABOCOL. En T. C.-J. BERRIO, INDICADORES ENERGÉTICOS Y ECONÓMICOS EN BLOQUES DE TRIGENERACIÓN INDUSTRIAL AL UTILIZAR DIFERENTES TECNOLOGÍAS PARA EL ENFRIAMIENTO DEL AIRE EN CASO ABOCOL. Cartagena. 5. Prasad, V. K.-M. (1984). Conversion de energia- ciclos de conversion de energia. En V. K.-M. Prasad, Conversion de energia- ciclos de conversion de energia. Kanpur: Limusa. 6. Rizhkin, V. (s.f.). Centrales Termoelectricas. En V. Rizhkin, Centrales Termoelectricas. Moscu: Mir Moscu. 7. VALENCIA, L. F. (2010). METODO PARA EL CONTROL OPERACIONAL EN LINEA DE LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN TURBOGAS: CASO BIOFILM S.A. PLANTA CARTAGENA. En L. F. VALENCIA, METODO PARA EL CONTROL OPERACIONAL EN LINEA DE LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN TURBOGAS: CASO BIOFILM S.A. PLANTA CARTAGENA. Cartagena. 29

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