TEMA 4 PLANTAS DE FUERZA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJO PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL CÁTEDRA: CONVERSION DE ENERGIA TEMA 4 PLANTAS DE FUERZA ING. CARACCIOLO GÓMEZ

2 PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR Definición: Son instalaciones térmicas donde se transforma la energía en forma de calor en trabajo. Características: La principal característica de estas instalaciones, es la producción de energía eléctrica, a partir de la combustión de carbón, fuel-oil, gas natural entre otros; en una caldera diseñada al efecto. Para producir vapor a partir del agua que circula por una red de tubos en la caldera, Este vapor hace girar los alabes cuyo eje rotor gira unido a un generador para producir energía eléctrica. El vapor se enfría en un condensador, convirtiéndose otra vez en agua que vuelve a la caldera, para comenzar un nuevo ciclo.

3 PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR

4 PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR Esquema de las Plantas de Fuerza: Las plantas de fuerza se constituyen de una serie de sistemas esenciales tanto para los procesos, como para los equipos que lo conforman. 1) Sistema de abastecimiento de Agua: Para las plantas de vapor, el principal fluido de trabajo es agua, bien sea para la generación de vapor o para los procesos de enfriamiento. Las principales fuentes de abastecimiento de agua son: Océanos, ríos, estanques, reservorios, aguas tratadas entre otros, La selección del tipo de abastecimiento dependerá de las características geográficas y ambientales, en las cuales trabaja la planta.

5 PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR Fuente de abastecimiento

6 SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA Descripción: El agua como se encuentra en la naturaleza no es apta para su empleo como agua de alimentación para las calderas y sistemas de enfriamiento. Pero se puede usar después de un tratamiento adecuado, es decir evitar los depósitos de lodos e incrustaciones en la superficie interior de la caldera. La forma de expresar la concentración de impurezas es en términos de partes en peso del constituyente por millón de partes del agua (ppm)

7 SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA El tratamiento más apropiado y económicamente justificable depende de las características del suministro de agua. Entre los tipos de tratamientos tenemos: Eliminación de sólidos suspendidos. Tratamiento químico para eliminación de dureza. Eliminación de dureza por intercambio cationico. Desmineralización por eliminación completa de los sólidos disueltos. Evaporación.

8 SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA

9 DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS PARA EL ABASTECIMIENTO DE AGUA Bombas: Son dispositivos mecánicos, que ceden energía al fluido de trabajo para incrementar la presión del mismo. Se utilizan para llevar o impulsar el agua hacia la caldera.

10 DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS PARA EL ABASTECIMIENTO DE AGUA Tanque de Agua: Son contenedores metálicos, que se encargan del almacenaje del agua tratada, que será suministrada hacia la caldera.

11 SISTEMA DE GENERACION DE VAPOR Objetivo: Tiene por objetivo suministrar tanta energía, al fluido de trabajo (agua), para la obtención de vapor. Generadores de vapor: Son unidades que se utilizan para colocar a disponibilidad de un fluido, el calor de un combustible (fuel-oil, carbón, gas) y todos los elementos necesarios para transferir tanto calor como sea comercialmente factible.

12 SISTEMA DE GENERACION DE VAPOR Accesorios de los Generadores de vapor: El generador de vapor, consiste de una caldera o hervidor, un hogar y puede incluir equipos de recuperación de calor como: Sobrecalentadotes, Sistema de Tiro, Economizadores, Precalentadores de Aire, Sistema de refrigeración de agua por aire y agua por agua.

13 Generadores de vapor. Caldera o Hervidor: Área donde se transfiere calor al agua para transformarlo en vapor. Clasificación: Las calderas generalmente son clasificadas en dos (2) grandes grupos, destacando que de hacer un análisis más riguroso este número puede aumentar: Tubos de Humo o Pirotubulares. Tubo de agua o Acuotubulares.

14 Generadores de vapor. Clasificación: Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares: En esta caldera circulan los gases calientes de la combustión a través de los tubos y el líquido del cual se desea obtener vapor circula en la parte exterior de los mismos.

15 Generadores de vapor. Clasificación: Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:

16 Generadores de vapor. Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares: Tipos: Tubos Horizontales Tubos Verticales De Barco De Locomotora Compactas Ventajas: Costos Relativamente bajos. Ocupa poco espacio Facilidad de transporte

17 Generadores de vapor. Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares: Desventajas: Lenta circulación Contenido de agua pequeño en relación a la producción de vapor. Debe operarse con precaución para evitar explosiones

18 Generadores de vapor. Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares: En esta caldera el líquido del cual se desea obtener vapor circula a través de una gran cantidad de tubos y rodeando a estos se encuentra los gases calientes de combustión.

19 Generadores de vapor. Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares: Tipos: Tubos Rectos Tubos Doblados Tubos Rectos (Ventajas) Son simples, idénticos y fáciles de quitar Facilidad de mantenimiento por métodos mecánicos Mayor área de trasmisión de calor a una altura dada Puede tener varios tambores

20 Generadores de vapor. Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares: Tubos Doblados (Ventajas) Mayor economía, en cuanto a fabricación, debido a soldaduras, aceros mejorados y nuevas técnicas de fabricación. Mayor accesibilidad, para inspección, limpieza y mantenimiento. Adaptabilidad para operar a mayores tasas de evaporación y producir vapor mas seco.

21 Generadores de vapor. Caldera unitaria de tubos de agua; paso único del gas Caldera de tipo de dos domos diseñada para quemar carbón pulverizado

22 Caldera radiante de circulación natural, alimentación con combustoleo y gas; lb (1900t) de vapor por h; presión de 2600 lb/pulg 2 (183 kgf/cm 2 ); 1005 ºF (540 ºC) de temperatura del vapor; recalentado Generadores de vapor.

23 Generadores de vapor.

24 Generadores de vapor.

25 Generadores de vapor.

26 Generadores de vapor. 1.2 Componentes de un Generador de Vapor: Hogar: Área donde se quema el combustible y se generan los gases calientes de la combustión. Fuente de calor Tubos de Enfriamiento Pared Refractaria Están ubicados frente a una pared refractaria ordinaria, la cual protegen parcialmente y de la cual los tubos reciben calor reflejado y radiante.

27 Generalidades: Generadores de vapor. HOGARES El hogar de una unidad generadora de vapor, tiene como finalidad proporcionar: Un lugar para que funcione los quemadores y para alimentar el aire. Un lugar para que se complete el proceso de combustión. Los medios para utilizar, tan completamente como sea posible, la energía dentro del mismo. Una salida para descargar los productos de la combustión. El medio para eliminar los residuos.

28 Generadores de vapor. HOGARES Las consideraciones principales que influyen en el diseño de un hogar: 1. La clase, condición, preparación y características del combustible. 2. Las propiedades de las cenizas o escorias que puedan formarse. 3. Las cargas normales, mínimas y máximas que se mantendrán y sus respectivas duraciones. 4. El tamaño y la relación del hogar respecto a la caldera. 5. El tipo de parrilla o quemadores a usarse y el método de encendido. 6. El coeficiente de exceso de aire que se desea usar. 7. El arrastre permisible de carbón en las cenizas volantes y los depósitos. 8. Los costos iniciales. 9. Los costos de operación.

29 Generadores de vapor. SOBRECALENTADORES Definición: Consisten de tubos a través de los cuales se hace pasar vapor saturado que sale del tambor para que se calienten con los gases de escapes que pasan sobre su superficie. Objetivo: La función de un sobrecalentador es levantar la temperatura del vapor por encima de su temperatura de saturación con la menor caída de presión posible. TIPS: Por cada 100 ºF de aumento de la temperatura de sobrecalentamiento se logra un 3 % de disminución en el consumo específico de calor de la caldera.

30 Tipos de Sobrecalentadores: Generadores de vapor. SOBRECALENTADORES Separados: requieren de una mampostería especial, espacio adicional y atención frecuente. Integrales: se instalan dentro de la mampostería del generador de vapor, no requieren atención especial y son los que generalmente se usan en centrales termoeléctricas. Los sobrecalentadores integrales se dividen en dos grandes grupos: de convección y de radiación. Por Convección Por Radiación Combinado o Compensado

31 Tipos de Sobrecalentadores: Generadores de vapor. SOBRECALENTADORES Por Convección.

32 Tipos de Sobrecalentadores: Generadores de vapor. SOBRECALENTADORES Radiación.

33 Tipos de Sobrecalentadores: Generadores de vapor. SOBRECALENTADORES Combinado.

34 Equipos de Recuperación de Calor La recuperación de calor de los gases que salen de un generador de vapor, puede efectuarse por medio de unos intercambiadores de calor llamados economizadores o precalentadores de aire o ambos en combinación.

35 Equipos de Recuperación de Calor ECONOMIZADOR Definición: Este elemento consiste de tubos que se colocan en la trayectoria de los gases de escape y a través de los cuales se hace pasar el agua de alimentación en camino hacia la caldera. Función: el calor recuperado reduce la cantidad requerida de combustible para convertir el agua de alimentación en vapor, aumentado así la eficiencia de la unidad. PRECALENTADORES Con la introducción del calentamiento regenerativo del agua de alimentación por medio de vapor extraído de varias etapas de la turbina, se redujo la efectividad del economizador, y los gases salían a la chimenea a más alta temperatura. Por eso, a veces se añaden precalentadores de aire con el objeto de recuperar parte del calor que se hubiera perdido de otra manera.

36 Equipos de Recuperación de Calor PRECALENTADORES Función: En tales aparatos el aire que se usa para la combustión se calienta por contacto con las paredes de tubos o laminas. El calor así devuelto al hogar reduce la cantidad de combustible quemado. Ventajas y desventajas de los economizadores y precalentadores de aire: La ganancia térmica con su resultante elevación de la curva de rendimiento y ahorro en combustible. El aplanamiento de la curva de rendimiento en la región de altas capacidades o la posibilidad de las calderas y hogares de trabajar a mayores capacidades manteniendo un alto rendimiento. Proveen una reserva de suministro de agua caliente para hacer frente a fluctuaciones de demanda o fuertes demandas repentinas. Protegen a la caldera de recibir agua fría.

37 Equipos de Recuperación de Calor Desventajas: Impiden el flujo de productos de combustión y disminuyen su temperatura de la cual depende el tiro natural. Esto obliga a la instalación de tiro mecánico con su consecuente costo inicial extra, espacio necesario, costo de potencia absorbida, atención y mantenimiento. Corrosión que puede ocurrir si los gases se enfrían debajo del punto de roció de los vapores de acido sulfúrico con contenido en los mismos. Costo extra del equipo, mantenimiento y reemplazo.

38 Equipos de Recuperación de Calor Tipos de Economizadores: En la práctica moderna de centrales termoeléctricas se usan dos tipos principales de economizadores: El integral y el unitario. Integral:

39 Unitario. Equipos de Recuperación de Calor

40 Equipos de Recuperación de Calor Clasificación de los Precalentadores: Los precalentadores de aire se clasifican en dos grandes grupos: recuperativos y regenerativos. Recuperativos:

41 Equipos de Recuperación de Calor Clasificación de los Precalentadores: Los precalentadores de aire se clasifican en dos grandes grupos: recuperativos y regenerativos. Regenerativos:

42 Sistema de Tiro Tiro (Definición): Tiro es la diferencia en la presión absoluta del gas en cualquier punto dado de un conducto y la de la atmósfera a la misma cota (altura). Función: Esta consiste esencialmente en suministrar la energía necesaria para mantener el flujo requerido de aire y gas a través del sistema. Esta energía puede provenir de los ventiladores o los gases calientes de la chimenea. Aparatos para producir Tiro: Estos se constituyen en gran variedad de formas entre las cuales hay que seleccionar las apropiadas para cada planta particular. Para tiro natural se emplean las chimeneas y para tiro mecánico, los ventiladores de tiro forzado y lo de tiro inducido, según se trate de suministrar aire para la combustión o extraer los gases de escape, respectivamente.

43 Sistema de Tiro Tipos Naturales

44 Sistema de Tiro Tipos Tiro Forzado (Ventiladores): Cualquier aparato que produce una corriente de aire, se podría llamar ventilador. Un ventilador consiste en una rueda o impulsor giratorio rodeado de una envolvente estática o carcasa. En los ventiladores se comunica energía al gas trasegado mediante el impulsor o rodete, con lo cual se crea una diferencia de presión y se produce una corriente de gas.

45 Sistema de Tiro Ventiladores Clasificación: Una de las características para clasificar un ventilador es la naturaleza del flujo por los conductos de las paletas del impulsor. De tipo axial (de hélice, tubo-axial, deflector axial), De flujo radial o centrífugos, De flujo mixto y de flujo transversal.

46 Sistema de Tiro Ventiladores Clasificación: De tipo axial (de hélice, tubo-axial, deflector axial)

47 Sistema de Tiro Ventiladores Clasificación: De flujo radial o centrífugos.

48 Turbomaquinas Tipos Definición: El papel de la turbina de vapor consiste en transformar en energía mecánica la energía contenida en el vapor de agua bajo la forma de energía térmica y de energía de presión la suma de estas dos formas de energía, expresada en kilocalorías por kilogramo de fluido, se caracteriza por la entalpía del vapor, función de la presión y de la temperatura. El principio de funcionamiento de las turbomáquinas se basa en la interacción entre un rotor o impulsor que está constituido por álabes (fijos y/o móviles), y un fluido específico (compresible o incompresible). Turbomáquinas Hidráulicas Turbinas Térmicas

49 Turbomaquinas TURBINA HIDRAULICA

50 Turbomaquinas TURBINAS KAPLAN

51 Turbomaquinas TURBINA PELTON

52 Turbomaquinas Turbina Pelton

53 Turbomaquinas Turbina de Vapor

54 Turbinas de Gas Turbomaquinas

55 Turbinas de Gas Turbomaquinas

56 Turbomaquinas

57 Definición: SISTEMA DE COMBUSTIBLE Su función es suministrar combustible al quemador (Fuel oil, carbón, gas natural), para producir vapor, que es el medio utilizado para generar calor y transformar el agua de la caldera en vapor. Quemador: S función es mezclar y dirigir el flujo de combustible y aire al sistema, de manera de asegurar el encendido rápido y la combustión completa.

58 Función: SISTEMA DE ENFRIAMIENTO Se utiliza con la finalidad de disminuir la temperatura del fluido de trabajo y refrigeración de los equipos. Condensador: Es un intercambiador de calor, que utiliza agua fría (de una corriente natural o enfriada por una torre de enfriamiento) para enfriar y condensar el vapor de escape de la turbina. Tipos: Superficie Mezcla

59 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO Condensador Eyector

60 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO Tipos de Condensadores: Superficie: El agua fría circula por tubos y el vapor por el exterior de los tubos (mayor área de transmisión de calor). El diseño busca minimizar las pérdidas de carga debidas al paso del vapor y aprovechar el intercambio entre el liquido ya condensado y el vapor. Parte del vapor puede utilizarse para volver a calentar el condensado a la salida, creando así un poco de regeneración ( el agua que retorna a la caldera esta menos fría que lo estaba al condensar). Mezcla: Cuando, aparte de la turbina, hay otros usos del vapor que hacen necesario reponer una cantidad sustancial de agua, pueden utilizarse condensadores de mezcla, en los que el vapor condensa por contacto con el agua fría.

61 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CONDENSADORES

62 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO Torre de Enfriamiento: Tiene como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el siguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frió que circula por el mismo aparato. Pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido.