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Principios Fundamentales
Ciclos a Vapor
65.17 - Centrales Eléctricas
FI – UBA - 2009
Temario
• Ciclo de Rankine
• Mejoras al Ciclo Rankine
• Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento (Ciclo de Hirn)
• Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio
• Ciclo Rankine con precalentamiento regenerativo del agua de
alimentacion
•
Esquema de proceso
• Curvas de Vapor
Ciclo Rankine Elemental
Esquema simplificado del Ciclo Rankine Elemental
Ciclo Rankine contrapresion - condensación
CONTRAPRESIÓN
CONDENSACIÓN
Ciclo Rankine Elemental
Ciclo Termodinámico
• E-A Compresión isentrópica bomba alim. (Wp= hA – hE)
• A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= hC – hA)
• C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= hC – hD)
• D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= hE – hD)
TRABAJO NETO
Dwneto = (hC – hD) – (hA – hE)
EFICIENCIA TERMODINÁMICA h =
Dwneto
Qa
= (hC – hD) – (hA – hE) = 1 - (hD – hE)
(hC – hA)
(hC – hA)
Optimización
• Aumento del trabajo neto
• Aumento de la eficiencia
• Disminución del costo unitario de la instalación
Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento
Esquema del Ciclo Rankine con sobrecalentamiento
Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento
Ciclo Termodinámico
• E-A Compresión isentrópica bomba alim.(Wp= hA – hF)
• A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= hD – hA)
• C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= hD – hE)
• D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= hE – hF)
TRABAJO NETO
Dwneto = (hD – hE) – (hA – hF)
EFICIENCIA TERMODINÁMICA h =
Dwneto
Qa
= (hD – hE) – (hA – hF)
(hD – hA)
Estrategias para optimización
•Aumento de la presión de saturación
•Aumento de la temperatura de sobrecalentado
•Descenso de la temperatura de la fuente fría
• Precalentamiento de agua de alimentación (ciclo regenerativo)
• Recalentamiento de vapor
• Precalentamiento de agua de alimentación
• Precalentamiento del aire de combustión
Modificación del ciclo con el aumento de las condiciones p y t
Aumento de presión de vapor
• Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente)
• Aumenta el costo de conducciones y aumentan las pérdidas por bombeo
• Empeoran las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación
natural (vapor y agua tienden a igualar densidad y menor efecto termosifón) .
• Empeora título de vapor en el escape de turbina.
• Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor por aumento de las secciones
de paos en generador de vapor y turbina
Aumento de eficiencia con aumento de la presión
Aumento de temperatura de vapor
•Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente)
•Metalurgia aceros aleados cromo molibdeno e inoxidables austeníticos para
sobrecalentadores.
• Límite máximo práctico en sobrecalentadores: 545 °C a 565°C (costos, condiciones
de laminabilidad y soldabilidad)
• Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones.
• Mejora las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación
natural
•Mejora título de vapor en el escape de turbina.
• Requerido a medida que aumenta caudal de vapor para acompañar aumento de
presión
Aumento de eficiencia con aumento de la temperatura
Efecto de la disminución de la temperatura de condensado
Disminución de la temperatura de condensación
•El límite teórico es la temperatura del sumidero (fuente fría): temperatura de bulbo
húmedo del aire (ciclo cerrados con torre de enfriamiento), temperatura del agua de
refrigeración (ciclos abiertos), temperatura del aire (aerocondensadores)
•El límite económico está dado por una temperatura de “approach” óptima más allá
de la cual la mejora de eficiencia no está justificada por el aumento desmedido del
costo de la instalacíon de refrigeración.
•También aumenta en forma desmedida el costo de la turbina de baja presión por el
aumento de la sección de escape por el aumento del volumen específico del vapor
Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio
Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio
Ciclo Termodinámico
EFICIENCIA TERMODINÁMICA
Precisiones sobre el recalentamiento
•Instalación más compleja
• Oliga a turbina de dos o más secciones.
• Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones.
• Mejora título de vapor en el escape de turbina.
• No necesariamente aumenta el rendimiento
• Elección de la presión de recalentado en relación a la presión inicial (20 a 25 %
aproximadamente)
• Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor y la presión de sobrecalentado
• Regla general: 1 etapa de recalentamiento por encima de 50 MW. Experiencias no
exitosas con 2 etapas
Aumento de eficiencia con n° de recalentadores
Efecto de la elección presión de recalentamiento
VARIACIÓN DEL RENDIMIENTO
TEMPERATURA DE RECALENTADO FRÍO
TÍTULO DE VAPOR EN EL ESCAPE DE TURBINA
Relación presión recalentamiento / presion inicial
Efecto de la relación de presión inicial / presión de recalentado en rendimiento,
temperatura de vapor recalentado frío y título de vapor en el escape de la turbina
Ciclo de 180 ata y 540°C en entrada de turbina
Ciclo Rankine regenerativo
Ciclo Termodinámico
Esquema Simplificado
Ciclos regenerativos
• Disminuye la irreversibilidad interna (calentamiento gradual del agua de
alimentación)
• Aumenta el rendimiento termodinámico
• Disuminuye el trabajo específico (trabajo / kg de vapor)
• Instalación más compleja
• Oliga a turbina con extracciones de vapor .
• Calentadores de superficie exigidos
• Riesgo de inundación de calentadores y retorno de agua a turbina.
• Cantidad de calentadores en función de la potencia de grupo
Ciclos regenerativos con calentadores de mezcla
DIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE MEZCLA
Ciclos regenerativos con calentadores de superficie en cascada
DIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE
SUPERFICIE EN CASCADA
Ciclo Supercrítico con doble recalentamiento
DIAGRAMA TS CICLO RANKINE SUPERCRÍTICO CON DOS RECALENTAMIENTOS
Disminución del CTU con calentamiento del agua (con recal.)
Aumento de eficiencia con n° de calentadores
Parámetros de vapor usuales (1)
Parámetros de vapor usuales (2)
Eficiencias termodinámica de los distintos ciclos de vapor
Concepto de Irreversibilidades
• Externas: originadas los procesos de intercambio de
calor entre el sistema y el
exterior
• Internas: originadas en los procesos de producción y
consumo de trabajo dentro del sistema
Irreversibilidades externas
IRREVERSIBILIDAD EN LOS INTERCAMBIOS DE CALOR SURGIDO POR DIFERENCIAS DE
TEMPERATURAS ENTRE SISTEMA Y FUENTES EXTERNAS TANTO EN GENERADOR DE VAPOR
COMO EN CONDENSADOR
Irreversibilidades internas
IRREVERSIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE TRABAJO MECÁNICO NO ADIABÁTICO POR
PÉRDIDAS POR FRICCIÓN TANTO EN TURBINA COMO EN BOMBA DE ALIMENTACIÓN
Flujo de energía en un ciclo de vapor (Diagrama de Sankey)
Consumo de auxiliares
Esquema de proceso
Ciclo Térmico de un grupo supercrítico 512 MW
h
ENTALPÍA (Btu/lb)
P
PRESIÓN (psia)
#
flujo (lb/h)
BFP TURBOBOMBA DE ALIMENTACIÓN
RHTR RECALENTADOR
SSR REGULADOR DE VAPOR DE SELLOS
SPE CONDENSADOR DE VAPOR DE SELLOS
H.P. SECCIÓN DE TURBINA DE ALTA PRESIÓN
I.P. SECCIÓN DE TURBINA DE MEDIA PRESIÓN
L.P. SECCIÓN DE TURBINA DE BAJA PRESIÓN
DC DIFERENCIA TERMINAL DE TEMPERATURA DE CONDENSADO (°F)
TTD DIFERENCIA TERMINAL TEMPERATURAS (°F)
Ciclo térmico de cogeneración “topping”
CICLO DE COGENERACIÓN A CONDENSACIÓN CON EXTRACCIÓN DE VAPOR PARA PROCESO
Tipos de cogeneración
Topping: se produce vapor de alta entalpía para la producción de electricidad y se utiliza vapor
de baja entalpía para proceso tomado de:
• Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación
• Escape de una turbina a vapor de contrapresión
La presión de vapor oscila entre 0.5 a 40 bar. Ejemplos: refinación y petroquímica donde se
genera electricidad y se aprovecha vapor de baja temperatura para calefacción de reactores /
torres de destilación. Alta eficiencia
Bottoming: se produce vapor de alta entalpía para proceso y el vapor efluente de baja entalpía
se utiliza para producción de electricidad. Ejemplos: hornos de cemento o metalurgia a con
gases de escape aun muy calientes que se aprovechan para generación. Baja eficiencia
Distintas disposiciones de cogeneración “topping”
• Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de
condensación
• Escape de una turbina a vapor a contrapresión
• Turbogenerador a gas asociado a un HRGS para producir vapor a proceso
• Turbogenerador a gas asociado a un HRSG / turbogenerador a vapor
Concepto de Cogeneración