Centrales Termoeléctricas

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2. Centrales Termoeléctricas
2.1. Introducción
Central Termoeléctrica es un complejo de instalaciones y equipos
que operan en forma armónica empleando energía en forma de
calor para convertirla en energía mecánica en una turbina o motor.
Esta energía es luego convertida en energía eléctrica en el genera-
dor, de acuerdo a la demanda de centros urbanos, industriales y otros
Equipos involucrados:
Turbinas, generadores, bombas, compresores, condensadores, 
combustores, calderas, instrumentación, entre otros
Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Dunkirk,_New_York
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Consideraciones básicas para instalación: aspectos clave
Preguntas a contestar:
• ¿Cuántas unidades se instalarán?
• ¿De qué potencia nominal?
• ¿Qué tipo de equipos se deben adquirir?
Insumos para decisión:
• Tipo de usuario: urbano, industrial, salud, seguridad, etc.
• Demanda de potencia vs. a) horas del día; b) meses del año
• Ubicación geográfica
• Disponibilidad económica del proyecto (+/- tecnología)
• Acoplamiento a la red: interconectado o aislado
• Impacto ambiental
• Rentabilidad del proyecto
(Material del curso Centrales Termoeléctricas-II)
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Centrales Term oeléctricas , de acuerdo al servicio :
• Base: Son de gran potencia y suministran energía en forma continua, 
generalmente basadas en Turbinas a Vapor (Acompañan a las 
grandes centrales hidroeléctricas)
• Pico o Punta: Son aquellas destinadas a cubrir la demanda de energía 
en las horas pico. Solo trabajan en esas horas y lo hacen en paralelo 
con las centrales base
• Reserva: Son centrales de gran capacidad, capaces de cubrir a las 
centrales base en casos de emergencia, pero que por su costo de 
operación se mantienen en stand-by
• Emergencia o Móviles: Son centrales de pequeña potencia y 
generalmente son accionadas por motores de combustión interna ó 
por turbinas a gas. Se emplean por su gran movilidad y capacidad de 
energizar rápidamente pequeños centros (urbanos, industriales, etc.) 
ante el colapso del sistema eléctrico regular o ante alguna otra 
contingencia
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Centrales Termoeléctricas, características de operación:
• Potencia o Carga Instalada : suma de todas las cargas nominales
• Potencia Media:
• Demanda Máxima de Punta ´Dmax´: demanda máx. [kW] en 24 horas
• Factor de Carga ´m´: generalmente 0,15 ≤ m ≤ 0,80
• Factor de Demanda ´a´: generalmente 0,2 ≤ a ≤ 0,5
• Factor de Instalación ´b´: generalmente 0,2 ≤ b ≤ 0,5
• Utilización Anual ´h´: gen. 1800 ≤ h ≤ 5000
• Factor de Utilización ´c´: generalmente 0,2 ≤ c ≤ 0,5
• Factor de Reserva ´d´: generalmente 1.3 ≤ d ≤ 2
(Material del Curso Centrales Termoeléctricas-II)

generación
generada
media
h
hkW
W


maxD
W
m media


instW
instW
D
a

max
instcentral
inst
central WW
W
W
b 


 ; 

central
añogenerado
W
hkW
h

_


año
anualnutilizació
h
h
c
_

a
b
D
W
d central 
max

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Centrales Termoeléctricas, de acuerdo a tecnología
• Turbina a Vapor: Ciclo Rankine y variantes de éste
• Turbina a Gas: Ciclo Brayton/Joule y variantes de éste
• Cogeneración: T_Gas-T_Vapor  Ciclo Combinado
• Motor de Combustión Interna: Ciclos Otto y Diesel
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Curva de Desempeño por Etapa
Sub-índices y notación relevante: 
. Isen: isentrópica
. in: entrada a la etapa
. out: salida de la etapa
Fuente: http://www.egr.msu.edu/classes/me416/SteamTurbine.pdf
. Típica forma de representar
eficiencia vs. flujo vol.
por cada etapa de turbinado
para cada radio de exp.
. Luego, se puede calcular:η
is
e
n
 
/ 
e
ta
p
a
Caudal Volumétrico a la entrada de la etapa [106 pie3/hr]
pin/pout
 outiseninisenidealisenreal hhmWW _...   
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Central a Vapor/Ciclo Rankine. Datos Central RZ_AES
Fuente: EdC_AES
Conjunto Generador Ricardo Zuloaga (CGRZ)
• Componentes: 3 Plantas de Generación Termoeléctrica a Vapor: Arrecifes,
Tacoa y Ampliación Tacoa
• Capacidad Instalada del Conjunto: 1845 MW
• Central Ampliación Tacoa: 1380 MW: 3 x 460 MW
• Combustible: Gas Natural – Fuel Oil
• Costo Instalación: 480-570$/kW (Gas Natural)
540-580$/kW (Fuel Oil)
• Entrada turbina: T = 540 ° C; p  168-176 kgf/cm2  16,7 Mpa
• Caudal de vapor por turbina  1380 T/h
• Agua Enfriamiento: 45000 m3/h, T 3-5 °C
• Presión Condensador: 1,2 psia
• Consumo de servicios auxiliares: 1-4% del total generado
• Sistemas adicionales: Aireadores, regeneradores, recalentadores
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Ciclo Rankine. Modelaje
Aspectos resaltantes:
.- Ideal. Asume bombeo y expansión adiabática-reversible. Opera con Agua
.- Temp. Máx. vapor sobrecalentado salida de Caldera: 650 ˚C
.- Presiones máximas salida de Caldera entre 20 y 24 Mpa
.- Caldera isobárica. Condensador isobárico e isotérmico-no isotérmico
Ciclo Rankine Standard Ideal T vs. S Ciclo Rankine Standard Ideal
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Ciclo Rankine. Modelaje
Aspectos resaltantes:
.- Calidad a la salida de la turbina  100% (> 95%) para proteger contra la
corrosión y erosión a los álabes de las últimas etapas
.- Potencia de bomba en orden del 1% de la potencia generada y por lo tanto,
generalmente se le desprecia en los cálculos de la eficiencia térmica
.- La eficiencia típica ciclo Rankine standard  35%. Versión recalentadas o
regenerada, eficiencia puede subir entre 2 y 5% adicionales
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Taller de Ejercicios:
Problema 2.1
Un ciclo Rankine ideal opera con agua entre 10 kPa y 2 MPa. En la caldera se genera
vapor sobrecalentado a 500 °C. Determinar la eficiencia térmica.
R.-
500 3467,6 7,4325 vsc
7,4325 0,9042354,9
0,34 ó 34%
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Ciclo Rankine Ideal Standard. Mejoramiento
¿Cómo mejorar la Eficiencia Térmica
del Ciclo Rankine Standard?
• Bajar la temperatura TL en el
condensador implica bajar p1 y
reducir la calidad x4… no es
conveniente
• Sobrecalentar el vapor en la
caldera implica subir la
temperatura media TH y mejora la
eficiencia, además tiende a
aumentar la calidad x4
• Subir la presión de caldera
mejora TH pero tiende a bajar x4.
Se resuelve con recalentamiento
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Ciclo Rankine Recalentado. Modelaje
Aspectos resaltantes:
.- Expansión en turbina se realiza en dos etapas, recalentando el vapor entre
ellas
.- Aumenta la temperatura media a la cual se recibe calor
.- Aumenta la calidad a la salida de la turbina
Condensador
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Taller de Ejercicios:
Problema 2.2
Ejemplo: Ciclo Rankine ideal opera con agua tal que el vapor sale de la caldera a 4
MPa, 400 ºC y se expande en la turbina de alta hasta 400 kPa. Luego se recalienta a
400 ºC y se expande en la turbina de baja hasta la presión del condensador, 10 kPa.
Determinar la eficiencia térmica.
R.-
Nota: x4 >0,97
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Ciclo Rankine Regenerado. Modelaje
Aspectos resaltantes:
.- Requiere más unidades de bombeo
.- División de flujo en la turbina: f = m6/m5
.- En OFH ideal f se ajusta para que tienda a ser líquido saturado en 3
.- OFH: open feedwater heater es un intercambiador abierto ideal (cámara
de mezcla) se mezclan los flujos que deben estar a igual presión
(dentro del Tambor de la caldera)
 
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Taller de Ejercicios:
Problema 2.3
Ciclo Rankine regenerativo opera con agua; el vapor sale de la caldera a 4 MPa y
400 ºC, derivándose de la turbina a 400 kPa para precalentar la alimentación de la
caldera en un OFH ideal. El resto del vapor se expande en la turbina hasta la
presión del condensador, 10 kPa. Determinar la eficiencia térmica.
R.-
Bombas isentrópicas:
 
2144,3
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Taller de Ejercicios:
Problema 2.3 (Cont...)
R.-
Trabajo generado en la
turbina:
En el intercambiador se fija la
fracción de flujo drenado f:
Por lo tanto:
Por otro lado:
Finalmente, la eficiencia térmica:
Nota: Aún cuando la eficienciaes superior al valor obtenido en el ciclo standard, la calidad a la 
salida de la turbina es ¡baja! y ésto representa una desventaja. Para corregir problema, se 
emplea el recalentamiento-regeneración en mayoría de plantas reales (Ej., EdC_Arrecifes-Tacoa)
 
2144,3
kgkJwwwwkgkJw bbtt /5,975y /8,979 11 
37,4% ó 374,0
H
T
q
w
