Centrales Termoeléctricas a Vapor

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DEPARTAMENTO DE CONVERSIÓN Y TRANSPORTE DE ENERGÍA
SISTEMAS ENERGÉTICOS CT-3413
Tema II. Parte Tema II. Parte IIII
Luis R. Rojas Solórzano, Ph.D.Luis R. Rojas Solórzano, Ph.D.
Profesor Titular 
Ing. Elver Pérez
Ayudante docenteAyudante docente
Sept-Dic 2010
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
•Centrales Termoeléctricas.
•Centrales Nucleares.
•Centrales de Turbina a Gas y ciclos combinados.
•Centrales de Motores Diesel.
•Centrales Hidroeléctricas y de Acumulación por Bombeo•Centrales Hidroeléctricas y de Acumulación por Bombeo
•Centrales de Cogeneración de Electricidad y Calor.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
•Requerimiento de gran inversión de capital.
•Elevados costos de operación (Combustible).
•Diseño: tarea importante y retadora debido a los costos que ésta implica.
•Construcción: complicada (entre 8 y 12 años).
•Requiere de planificación a largo plazo, la predicción de la demanda de 
carga es de mucha importancia.
•Programación del financiamiento a largo plazo (10 – 20 años).Programación del financiamiento a largo plazo (10 20 años).
•Fuerte impacto ambiental (Calor rechazado y requerimiento de aguas de 
enfriamiento).
•Contaminación Ambiental (expulsiones de SO2 y NO3).
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
1 Unidades Generadoras a CARGAS PICO1. Unidades Generadoras a CARGAS PICO
Horas de Operación: 2500 horas/año.
Bajo Costo de Capital.
Alto Costo de Combustible. 
2. Unidades Generadoras a CARGAS MEDIAS
Horas de Operación: 2000 a 5000 horas/año.
Características económicas y de operación comprendida entre la 
carga pico y la carga base.
3. Unidades Generadoras a CARGAS BASE
Horas de Operación: Mayores a 5000 horas/año.Horas de Operación: Mayores a 5000 horas/año.
Alto costo de capital.
Bajo costo de combustible.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Central de Generación de potencia con 
desechos municipales
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Central Nuclear de propulsiónCentral Nuclear de propulsión
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
•• Tarea NTarea N°°22
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tarea NTarea N 22
TTD 10°F
DCA 16°F
•• Tarea NTarea N°°22
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tarea NTarea N 22
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
 Circuito aire -
Circuitos de funcionamiento
 Circuito aire -
combustible
 Circuito Agua - Vapor
 Circuito EnfriamientoCircuito Enfriamiento
 Circuito Energía eléc-
trica.
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Instalaciones industriales que-Instalaciones industriales que,
aplicando el calor de un combustible
sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el
agua para aplicaciones en la
industria.
Fuente: http://www.cogeneration.net/Combined_Cycle_Power_Plants.htm
- Producción de vapor: consecuencia del funcionamiento integrado de un
conjunto de elementos como lo son: la caldera, el horno, el
sobrecalentador, el calentador de aire, el economizador, el equipo de
combustión y el sistema de extracción de ceniza y escoria entre otroscombustión y el sistema de extracción de ceniza y escoria entre otros.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
- Equipo cuya función es la generación de vapor saturado a partir de la
energía transferida por el proceso de combustión de un combustible o la
fisión de un elemento nuclear.
Fuente: Annaratone, D. “Steam Generators. Description and Design” Springer, 2008
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
- FLUIDO DE TRABAJO
El Agua
 Limpia, no contaminante y “disponible”
 Curva de saturación fuertemente ascendente
El Agua
 Gran aporte de calor en la vaporización
 Viscosidad baja
¿El problema?
EnormeC 20@
¿El problema?
El cambio de Volumen en función de la P y T
40
3m
La variación de volumen en la turbina
Además, para la presión de condensación a
2000
02.0
40
3 
kg
m
kg
ent
sal


 barCp OsatH 023.020@
2

, p p
bajas temperaturas, requiere vacío
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
- FLUIDO DE TRABAJO
El Agua
 Limpia, no contaminante y “disponible”
 Curva de saturación fuertemente ascendente
El Agua
 Gran aporte de calor en la vaporización
 Viscosidad baja
¿El problema?¿El problema?
- Corrosión: forma montículos o tubérculos.
- Incrustación: por sales presentes.p p
- Ensuciamiento por contaminación.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación
-Por su configuración:
- Vertical
- HorizontalHorizontal
-Por el mecanismo de transmisión de calor dominante:
- Convección- Convección
- Radiación
- Convección y Radiación
-Por el tiro:
- De tiro natural
- De hogar presurizado
- De hogar equilibrado
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA CALDERA
N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de pasantía. Marzo 2008
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Clasificación
-Por el combustible empleado:
- Combustibles sólidos 
Combustibles líquidos- Combustibles líquidos
- Combustibles gaseosos 
- Combustibles especiales (Licor negro, bagazo, etc.) 
- De recuperación de calor de gases 
-Mixtas 
- Nucleares
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación
-Por el modo de gobernar la operación:
- De operación manual
- SemiautomáticasSemiautomáticas
- Automáticas
-Por la presión de operaciónp p
- Subcríticas
Baja presión: 0-2 MPa.
di ióMediana presión: 2,1-6,2 MPa.
Alta presión: 6,2-22 MPa.
- Supercríticas
Caldera de alta potencia de doble 
tambor
Fuente: Annaratone, D. “Steam Generators. Description and
Design” Springer, 2008
>22,1 MPa. (No requiere separación líquido-vapor)
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación
-Por su aplicación:
- Calderas industriales: Generalmente producen vapor saturado con
flujos > 6,3 kg/seg y presiones <2 MPa.flujos > 6,3 kg/seg y presiones <2 MPa.
- Calderas marinas: Usualmente producen vapor sobrecalentado con
presiones alrededores de 6,2 MPa y temperaturas de 540 ºC.
- Calderas para generación de potencia de eléctrica:- Calderas para generación de potencia de eléctrica:
Generación de vapor por encima de las 1000 ton/hr. Presiones pueden ser subcríticas o
supercríticas, y con temperatura de vapor normalmente de 540 ºC.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación
-Por la disposición de los fluidos:
- Pirotubulares:
Los gases de combustión circulan por el interiorLos gases de combustión circulan por el interior
de los tubos, instalados normalmente en la parte
inferior de un tambor sencillo o de un casco.
M j i d ió d P i
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA
CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de
Manejan presiones de operación de 0-300 Psi. pasantía. Marzo 2008
Ventajas
- Menor costo inicial debido a la 
Inconvenientes:
Mayor tiempo para subir presión y- Menor costo inicial debido a la 
simplicidad de su diseño. 
- Mayor flexibilidad de operación. 
- Mayor tiempo para subir presión y
entrar en funcionamiento.
- No son empleables para altas presiones.
-Menores exigencias de pureza en el agua 
de alimentación. 
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Pirotubular (tubos de humo)
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación
-Por la disposición de los fluidos:
- Acuotubulares:
El agua circula por el interior de lostubos,El agua circula por el interior de los tubos,
mientras que el fuego o gases producto de la
combustión es aplicado en la superficie exterior de
l i M j i d ió dlos mismos. Manejan presiones de operación de 0-
2200 Psi.
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA
CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de
í M 2008pasantía. Marzo 2008Ventajas
- Pueden ser puestas en marcha
rápidamente y trabajan a 300 o
Inconvenientes:
-Mayor tamaño y peso, mayor costo.
mas psi. -Debe ser alimentada con agua de gran 
pureza. 
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Acuotubular (tubos de agua)
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Pirotubulares Acuotubulares
Los gases calientes van por los tubos
El agua y el vapor van por los tubos
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Pirotubulares Acuotubulares
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Pirotubulares Acuotubulares
 Tsalida de gases bajas ~ 
220-250 °C
 Mejor rendimiento
 Tsalida de gases altas ~ 300 °C. 
Se evita condensación del 
azufre 
 R di i t á b j
j
 Potencias limitadas. 
Cantidad de agua a 
presión
 Rendimiento más bajo
 Potencias mas grandes
 Trabajan con vapor 
sobrecalentado a p
 Suministran vapor 
saturado a bajas 
presiones < 15 bar
sobrecalentado a 
presiones medias altas 20 
< p < 55 bar
 Aplicaciones Industriales p
 Hoteles, Lavanderías, 
Hospitales
p
“Grandes”
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación Caldera con circulación
natural
-Por el arreglo:
- Circulación natural
La circulación del agua ocurre debido a los cambios en su propia densidad. El
Fuente: Annaratone, D. “Steam Generators.
Description and Design” Springer, 2008
La circulación del agua ocurre debido a los cambios en su propia densidad. El
agua proveniente del tambor, desciende a través de una serie de tuberías hacia el horno
“Hogar”, posteriormente el flujo regresa al tambor a través de los tubos evaporativos.
D l fl id i l d id dDurante este regreso ya el fluido contiene una mezcla agua-vapor, y posee una densidad
más baja. El fluido es impulsado por esa diferencia de densidad venciendo la fricción de
los tubos verticales. Es simple, eficiente y frecuentemente empleada en los diseños.
Capacidad: 1360 - 3175 Ton/hr. de vapor
Presiones: 12,4 – 17,34 MPa.
Temperatura alrededor de 540 ºC.Temperatura alrededor de 540 C.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación
Caldera con circulación
forzada
-Por el arreglo:
- Circulación forzada
El impulso natural del agua motivado por los cambios de densidad no alcanza para
forzada
Fuente: Annaratone, D. “Steam Generators.
Description and Design” Springer, 2008
El impulso natural del agua motivado por los cambios de densidad no alcanza para
vencer la resistencia de los tubos. Una alternativa es el empleo de una bomba de agua
para impulsar el fluido. La bomba de circulación toma el agua del tambor y suple hacia los
b l l d b j d l h Mi l i l h i ib ib lcabezales a la parte de abajo del horno. Mientras el agua circula hacia arriba, recibe el
calor producto de la combustión.
- Calderas de una sola vía
No existen tambores de separación: el agua fluye a través de la sección de
evaporación sin recirculación Este arreglo es utilizado cuando la presión es supercríticaevaporación sin recirculación. Este arreglo es utilizado cuando la presión es supercrítica.
La capacidad de generación excede los 4500 Ton/Hr.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
660 MW coal fired boilers, electrostatic precipitators associated with SO3
conditioning and a flue gas desulphurization plant
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Gases de Escape
Vapor
Q Quemadores
R Tambores
S Sobrecalentadores
R
Q
R
Q
Caldera acuotubular
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Caldera de lecho fluidizado
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Caldera Supercrítica
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
- Se suministra la energía requerida para transformar el agua en vapor.
- Precalentamiento del aire
- Mezcla del aire y combustible
Combustión- Combustión
- Transferencia de calor generativa
- Escape
- Componentes principales:
- Hogar de la calderaHogar de la caldera
- Alimentador de combustible
(Ej. carbón, gas, fuel oil, etc)
E hi- Escape o chimenea
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de pasantía. Marzo 2008
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Hogar de la caldera
Vapor sobrecalentado
Hogar 
principal
combustible
p
a turbina de baja presión
Líquido comprimido 
desde la bomba
Aire primario desde el 
pre-calentador
desde la bomba
Quema de 
combustible
- Temperatura de gases de combustión 
alcanza cerca de 2500 °C
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
alcanza cerca de 2500 C
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
bó
Alimentador de combustible
Carbón:
Una vez pulverizado es
separado del aire yseparado del aire y
almacenado. Luego Se
alimenta en corriente de
i h i daire hacia quemadores
M /F l OilAlimentador del 
Pulverizador de Carbón
Metano/Fuel Oil:
Se alimentan directo a
quemadores
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Pulverizador de Carbón
quemadores
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Chimenea
El efecto densidad ayuda a la expulsión de los gases calientes. Asimismo, el diseñoy p g ,
de la chimenea y los ventiladores ayudan a expulsar y disipar los gases a altas
velocidades en la atmósfera
Torres de enfriamiento Chimenea
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Emisiones
• Dependen del tipo de combustible aplicación e incluyen:• Dependen del tipo de combustible-aplicación e incluyen:
• Oxido Nitroso (NOx). Niveles son afectado principalmente por:
• Temperatura de llama
• Cantidad de nitrógeno en el combustible
• Exceso de aire en la combustión (pobreza de mezcla)
• Temperatura del aire en la combustión
• Responsable de lluvia ácida
• Oxido Sulfúrico (SOx). Mayormente en fuel-oil y carbón. Responsable lluvia ácida
• Partículas sólidas (PM)
• Mayor en combustibles menos destilados
• Compuestas por nitratos, sulfatos, carbonos, óxidos y otros 
M ó id d C b (CO)• Monóxido de Carbono (CO)
• Resulta de combustión incompleta del carbón
• Diseños mejorados de quemadores reducen drásticamente el CO
• Dióxido de Carbono (CO2)
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/steam_turbines.pdf
( )
• Responsable de efecto invernadero
• Nivel de emisión depende de combustible y eficiencia del sistema
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Control de Emisiones
• NOx (foco principal de mejoras en calderas)
• Control de emisiones en el proceso de combustión
• Flue Gas Recirculation (FGR). Mecanismo más efectivo mediante 
recirculación de gases para enfriar la llama
• Low Excess Air Firing (LAE)
• Combustibles de bajo contenido de Nitrógeno
d f d• Modificaciones en quemadores
• Inyección de vapor/agua en la llama
• Control de emisiones post-combustión
S l i N C l i R d i (SNCR)• Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR)
• Selective Catalytic Reduction (SCR)
SO d d i h t 9 % F l G D lf i ti (FGD)
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/steam_turbines.pdf
• SOx se pueden reducir hasta en 95% por Fuel Gas Desulfurization (FGD)
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
- El agua es sometida a un proceso para la obtención de vapor,
requerido para la generación de potencia o procesos industriales.
Vaporización del agua- Vaporizacióndel agua
- Sobrecalentamiento
- Expansión
- Condensación
- Realimentación
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Componentes principales
.- Turbina: convierte energía
i t d linterna del vapor
sobrecalentado en energía
cinética en toberas, para
luego convertirla en torqueg q
en rotor y electricidad en
generador
.- Bomba: centrífuga deg
alimentación a Caldera
.- Caldera: intercambiador
de calor que convierte
líquido comprimido en vapor
sobrecalentado
.- Condensador: int. de calor
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
que retira exceso de calor a
la salida de la turbina
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de pasantía. Marzo 2008
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Turbina a vapor
Unidad Turbo Generadora Turbina a VaporUnidad Turbo-Generadora Turbina a Vapor
Aspectos resaltantes 
• Rotor axial con rotación de muy bajas vibraciones, lo que minimiza necesidad 
d l b i ió
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
de lubricación
• pconvencional  16 MPa (pmax  22 Mpa) ; Tmax  370-650 °C (entrada)
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Turbina a vapor
Flujo de Vapor Turbina a Vapor en corte meridionalFlujo de Vapor p
Aspectos resaltantes:
• Recalentamiento ocurre entre etapas de alta y media presión. Busca evitar
calidad x < 1
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.aspFuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
calidad x < 1
• Pequeña porción de vapor se toma del recalentamiento hacia la
regeneración (ver más adelante)
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Turbina a vapor
Flujo en turbina de impulso
Rotor de Alta-Media Presión Rotor de Baja Presión
j
Aspectos resaltantes: 
• Turbina de impulso es la más común. Vapor impacta álabe y transmite 
energía para hacer girar el eje
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
energía para hacer girar el eje.
• Rotor de Baja Presión es menos robusto que rotor de Alta Presión.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Bomba de alimentación
Bomba de Alimentación 
Aspectos resaltantes:
B b íf l i l d i
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
• Bombas centrífugas multi-etapas y colocadas en serie para mayor
presurización (pconvencional  16 MPa (pmax > 22 Mpa) )
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Caldera
V b l t d Entrada agua 
Salida de vapor
Vapor sobrecalentado
a turbina de baja presión
Líquido comprimido 
desde la bomba
líquido-vapor saturado
Tambor
g
alimentación
desde la bomba
Calor 
entrante
Tubos 
ascendentes
Tubos 
Quema de 
combustible
descendentes
Aspectos resaltantes: 
• Las tuberías de la caldera circulan el agua desde y hacia el tambor
Operación de la Caldera Flujo en tuberías 
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
pasando por el Hogar y se dividen en ascendentes y descendentes (estas
últimas generalmente no se calientan). Liq.comp  Vap.Sobrec.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Caldera
M t i l d t b íMateriales de tuberías:
• Aceros al carbono
Tmax = 370 °C
TAMBOR
max 37
• Aceros ferríticos
Tmax = 540 °C (típico)
• Aceros inoxidables 
austeníticos
Tmax = 650 °C
Operación de la Caldera
Fuente: http://www.affordable-energy.org/kids/power-plant-tour/plant-tour9.asp
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Caldera
Tambor de la Caldera
Aspectos resaltantes: 
• El tambor opera como punto de encuentro entre vapor saturado y el agua
Componentes internos
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
(líquido saturado) de alimentación. Además, funciona como separador de
vapor y líquido saturados.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Condensador
Turbinas de Baja Presión
Generador
Proceso isotérmico-
Condensador
isobárico de cambio de
fase. Presiones de
operación de vacío 
(< 1atm)
Torre de Enfriamiento
(< 1atm)
Aspectos resaltantes:
• Generalmente, el condensador convierte vapor saturado seco o con calidad X
Diagrama de Circuito de Condensación
> 95% en líquido saturado, retirando solo calor latente de condensación.
Funciona como intercambiador cerrado empleando agua externa como
refrigerante
Fuente: http://www.affordable-energy.org/kids/power-plant-tour/plant-tour9.asp
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Aspectos resaltantes: 
• Bombas centrífugas o axiales Flotador controla nivel del tanque y 
Bombas de Agua desde Torre de Enfriamiento Flotador/control Tanque de Almacenamiento
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
• Bombas centrífugas o axiales. Flotador controla nivel del tanque y 
reemplazo de agua perdida en proceso de evaporación.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Esquema Eléctrico
Aspectos resaltantes:Aspectos resaltantes:
• Acople directo eje-turbina a eje-generador/ Giro a 3600 RPM y generación
de aprox. 22000 V/ Condicionador del Generador la convierte en 345000 V.
• Luego, a Subestación y red de Alta Tensión para ser transmitida a centros de
Fuente: http://www.affordable-energy.org/kids/power-plant-tour/plant-tour12.asp
consumo previa reducción de voltaje
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
-Cámara donde se efectúa la combustión.
Confina los productos de la combustión- Confina los productos de la combustión.
- Resiste las altas temperaturas y las presiones utilizadas.
- Dimensiones y geometría se adaptan a la velocidad de liberación del calor, al
tipo de combustible y al método de combustión (combustión completa y
eliminación de la ceniza)
-Difieren en tamaño y forma, en la localización y espaciamiento de los
quemadores, en la disposición de la superficie absorbente de calor y en la
distribución de los arcos y tolvasdistribución de los arcos y tolvas.
- La forma de la llama y su longitud afectan la geometría de la radiación, y la
velocidad y distribución de la absorción de calor por las superficies.
-
- Temperatura gases a la salida del hogar 800 °C~ 900°C
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación
-Pared Refractaria
- Adecuadas y económicas para
temperaturas moderadastemperaturas moderadas.
-Pared enfriada por agua
- Los tubos que rodean el espacio que
encierra los hornos contienen agua. Al absorber
directamente el calor radiante, tan pronto como
éste se transfiere, estos tubos evitan el efecto
destructor de las altas temperaturas en el fogón. Tipos de construcción de paredes del hogar enfriadas con agua. destructor de las altas temperaturas en el fogón.
a) Pared de tubos tangentes; b) Pared de tubos con membrana 
soldada; c) Tachones planos soldados a los lados de los tubos; d) 
Pared de tubos por completo tachonados y cubiertos de refractario; 
e) Pared de tubos y losas; f) Tubos separados de la pared refractaria.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
- Sobrecalentamiento: producción de vapor a
temperaturas mayores que la de saturación Eltemperaturas mayores que la de saturación. El
vapor sobrecalentado es menos abrasivo y
corrosivo que el vapor saturado húmedo debido a
que no tiene arrastre de humedad.
- El uso de vapor sobrecalentado en turbinas
primarias permite el desarrollo del trabajo dentro
de la gama del sobrecalentamiento antes de quede la gama del sobrecalentamiento, antes de que
se inicie la condensación, de esta manera se
aumenta la eficiencia de la utilización del vapor.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
- Sistema de tubos que se interponen al paso de
los gases a través delcual se hace circular el vaporlos gases, a través del cual se hace circular el vapor
saturado generado por la caldera, de modo que
reciba una cantidad adicional de calor, que
procede de los gases de combustión.
Fuente: Pérez Elver A “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LAFuente: Pérez, Elver A. INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA
CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de pasantía.
Marzo 2008Clasificación
-Sobrecalentador de convección
- Se instalan en el trayecto de los gases de combustión.
- No están expuestos a la radiación directa del fuego del hogar.
P i ió d t i d t t id l l- Posición determinada por temperatura requerida por el vapor, las
características y el espacio disponible del generador de vapor.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación
Sobrecalentador para calor radiante-Sobrecalentador para calor radiante
- Se disponen para exposición directa de
los gases del hogar siendo, en algunos diseños, parteg g g p
de la cubierta de éste reemplazando una parte de las
paredes de agua en el primer retorno.
- Mantiene temperaturas de salida del
horno más bajas. Contribuye a la eliminación de
depósitos sobre las superficies de convección de losdepósitos sobre las superficies de convección de los
tubos.
- Sobrecalentadores combinados para calor
radiante y de convección
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA
EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6 DE CENTRAL EL
PALMAR S.A.” Informe de pasantía. Marzo 2008
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
- Intercambiador de calor que extrae calor de los gases de
combustión El calor recuperado se recicla al hogar juntocombustión. El calor recuperado se recicla al hogar junto
con el aire de combustión y, cuando se agrega a la energía
térmica liberada por el combustible, se convierte en energía
disponible para la absorción en la unidad generadora de
vapor, con una ganancia en la eficiencia térmica global.
- El uso de aire precalentado:
Mejora la eficiencia de la combustiónMejora la eficiencia de la combustión
Ayuda a la estabilización de la ignición del combustible
Acelera la combustión
Dos diseños de calentadores de aire 
regenerativos rotativos.
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR
Permite una temperatura más elevada en el horno
Fuente: Pérez, Elver A. INCREMENTAR
LA EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6
DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe
de pasantía. Marzo 2008
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Clasificación
De acuerdo con su principio de operaciónDe acuerdo con su principio de operación:
- Recuperativos
Las partes metálicas estacionarias forman una frontera de separación entre losp p
fluidos, el que se calienta y el que se enfría, y el calor pasa por conducción a
través de la pared metálica.
- Regenerativos
Los elementos de transferencia de calor se mueven alternadamente a través deLos elementos de transferencia de calor se mueven alternadamente a través de
las corrientes de gas y aire, que pasan por ciclos sucesivos de calentamiento y
enfriamiento y reciben la transferencia de calor por la capacidad de
almacenamiento térmico de los elementos.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
- Intercambiador de calor diseñado para la recuperación
de la energía de desperdicio de los gases de escape parade la energía de desperdicio de los gases de escape, para
retornarla, en forma de calor útil, al agua de
alimentación, antes de que ésta se mezcle con el agua que
circula en el generador de vapor.
- La transferencia de calor es por convección. Con paso
único y flujo forzado constan, por lo general, de tubos
especiales de acero a los cuales se les suministra el agua
Economizador
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR
LA EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6
DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe
de pasantía Marzo 2008especiales de acero a los cuales se les suministra el agua
de alimentación a una presión superior que la que existe
en la sección de generación de vapor y con una velocidad
de pasantía. Marzo 2008
correspondiente a la salida de vapor de la caldera.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
4 Pass, SINGLE Cross DRUM Water Tube FBC STEAM BOILER
Fuel: Coal, Lignite, Saw dust, wood chips, Agro Waste, Rice Husk, GN Shell, DOCFuel: Coal, Lignite, Saw dust, wood chips, Agro Waste, Rice Husk, GN Shell, DOC
Steam Generation Capacity: 1 TPH up to 15 TPH
Working Pressure: Upto 21 Kg/cm² (g)
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
location: Germany
combustible: massive wood, chipboards, medium density fibreboard, parquet flooring waste, wood chips
calorific value: 1,7 - 4,7 kWh/kg
6120 - 16920 kJ/kg
installed firing power:
Grate:
granulate
injection:
15,0 MW
20,0 MW
main steam mass flow: 30 t/h
main steam pressure: 66 bar (abs)
main steam temperature: 455 °C
feed water temperature: 120 °C
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Babcock & Wilcox Vølund A/S
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Importante: El aire (en masa) contiene 23 14% de O en condicionesImportante: El aire (en masa) contiene 23,14% de O2 en condiciones
normales (15 C y 1 atm de presión).
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
= lb/lb
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Consumo de combustible en la caldera y eficiencia
Energía es liberada dentro del horno de la caldera por la reacción química del
oxígeno con los elementos de combustión del combustible. Para cualquier combustible
hay una cantidad mínima de oxígeno para completar la combustión. La cantidad de airey g p p
que contiene esta cantidad mínima de oxígeno es llamado aire teórico. El aire teórico
puede ser calculado por la siguiente fórmula:
(1))(32,4)
8
(57,34)(53,11 S
O
HCWat 
lb_aire/lb_comb
lb_aire/lb_C lb_C/lb_comb
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Como resulta imposible realizar una combustión completa con el aire teórico,
adicionales cantidades de aire deben ser suministradas. Para un generador de vapor del tipo
carbón-encendido el exceso de aire varía en el rango de 12 a 25%. La definición de porcentaje
d d ide exceso de aire es:
(2)100% 


at
ata
aire W
WW
E
Wa es el aire total (lb/lb de combustible). El aire total para la combustión es la suma
del aire teórico y el exceso de aire (lb/lb de combustible).
Los productos de combustión son importantes en el diseño de la caldera: CO2, CO,Los productos de combustión son importantes en el diseño de la caldera: CO2, CO,
O2, y SO2. Un analizador de gas determina la composición de gases en una base seca. Las
lecturas incluyen CO2, CO, O2 y N2 en un porcentaje de volumen. La masa total del gas es
la suma del aire total y el combustible menos el contenido de cenizas. La ecuación para la
masa del gas lb/lb de combustible quemado es:masa del gas lb/lb de combustible quemado es:
(3)
D d l í b l A l f ió d d l i t l b tibl
 1g aW W A  
Donde el símbolo A es la fracción de peso de las cenizas presentes en el combustible.
El aire total Wa y la masa del gas Wg son necesarios para determinar la capacidad del
ventilador de la caldera.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
La ecuación para la determinación del consumo de combustible se presenta a 
continuación:
(4)     2 1 4 3 1
1
f s r b s
b
W m h h m h h m h h
HHV 
       
Donde:
Wf = flujo de combustible (lb/hr)
ms = flujo de vapor (lb/hr)
mr flujo de vapor recalentado (lb/hr)mr = flujo de vapor recalentado (lb/hr)
mb = purgas de la caldera (lb/hr)
b = eficiencia de la caldera
HHV = alto valor calorífico (Btu/lb de combustible)
h1 = entalpía del agua de alimentación a la entrada de la caldera (Btu/lb)
h2 = entalpía del vapor sobrecalentado a la salida de la caldera (Btu/lb)
h3 = entalpía del vapor a laentrada del recalentador (Btu/lb)
h4= entalpía del vapor a la salida del recalentador (Btu/lb)h4= entalpía del vapor a la salida del recalentador (Btu/lb)
hs = entalpía del agua saturada a la presión de la caldera (Btu/lb) 
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
El valor calorífico del combustible es la cantidad de calor desarrollado por una unidad
de combustible cuando es completamente quemado y los productos de combustión son
enfriados a la temperatura original del combustible. Cuando el agua de la combustióne ados a a te pe atu a o g a de co bust b e. Cua do e agua de a co bust ó
es en forma de vapor, entonces es llamado valor calorífico bajo (LHV). Si hay una
condensación completa del agua en los productos de combustión, el valor calorífico así
obtenido es el valor calorífico alto (HHV). Para carbón, el valor calorífico alto es
frecuentemente estimado por la ecuación de Dulong’s:p g
Btu/lb (5)
Donde C H O y S son las fracciones de peso de los elementos provenientes de un
14600 62000 4050
8
OHHV C H S     
 
Donde C, H, O y S son las fracciones de peso de los elementos provenientes de un
análisis del combustible. La ecuación dada es razonablemente buena para carbones
bituminosos y antracita (Carbón fósil seco o poco bituminoso que arde con dificultad y
sin conglutinarse.). Para otros combustibles, deben utilizarse otras aproximaciones. El
bajo valor calorífico puede ser obtenido sustrayendo del alto valor calorífico el calorbajo valor calorífico puede ser obtenido sustrayendo del alto valor calorífico, el calor
necesario para vaporizar la humedad del carbón y la humedad formada en la
combustión. Esto es:
Bt /lb (6) 1040 9LHV HHV W H Btu/lb (6)
Donde W es la humedad y H el hidrogeno presentes.
 1040 9LHV HHV W H  
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Método indirecto:
La eficiencia de la caldera esta basada en el alto valor calorífico del
combustible.
La eficiencia de la caldera puede ser expresada también en términos de
las pérdidas de calor de la caldera. Donde estas pérdidas son en Btu por libra de
combustible quemado:
(7)
 100b
HHV perdidas totales
HHV
 
  7HHV
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Existen seis pérdidas mayores en la caldera. Para determinar estas
pérdidas se debe realizar un análisis del combustible y los gases del combustible.
Las ecuaciones para contabilizar estas pérdidas se muestran a continuación.
En conjunción con los siguientes símbolos:
Ta = temperatura del aire a la entrada de la caldera (°F)
Tg = temperatura de los gases del combustible dejando la caldera (°F)
Cp g (gases) = calor específico 0 24 BTU/lb°FCp,g (gases) = calor específico 0,24 BTU/lb F
Cp,w (vapor) = entre 0,47 y 0,48 BTU/lb°F
Tf = temperatura del combustible entrando a la caldera (°F)
hs = entalpía del vapor sobrecalentado de agua a Tg (BTU/lb)hs entalpía del vapor sobrecalentado de agua a Tg (BTU/lb)
hw = entalpía del agua a la temperatura del combustible Tf (BTU/lb)
Wr = residuos sólidos (lb / lb de combustible)
UF = combustible no quemado (lb / lb de combustible)q ( / )
Cr = combustible en residuos sólidos (definido como UF / Wr)
Wdg =flujo de gas seco (lb / lb de combustible)
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Pérdidas de gases secos en la chimenea (DGL) 
(8) d TTCpWDGL  (8)
El gas seco de combustible (Wdg) es diferente al gas total (Wg) calculado por la 
ecuación (3). Puede ser obtenido sustrayendo del gas total, el combustible no 
d (UF) l h d d (W H) l 
 aggdg TTCpWDGL
quemado (UF) y la humedad (W + 9H) en los gases. 
(9) 1,0 9dg aW W A UF W H      (9)
La combinación de (A + UF) se refiere frecuentemente a los residuos sólidos (Wr), 
en unidades de libra por libra de combustible quemado. El gas seco del 
b tibl d té i d l d t d l d l b tibl 
g
combustible es expresado en términos de los datos de los gases del combustible :
peso de gases secos lb de carbon quemada
lb d b d lb d b tibldgW  
lb de combustible quemado
lb d b ibl
lb de gases secos
(10)
[1] [2]
lb de carbon no quemada lb de combustibleg
lb de combustible quemado lb de combustible
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
El primer término del lado derecho de la ecuación es igual a:El primer término del lado derecho de la ecuación es igual a:
(11)
  2 2 2
2
44 32 28 281
12 12
CO O CO N
CO CO
  


El segundo término del lado derecho de la ecuación es igual a: 
o (12) 2 C C UF    Cf C W A   ( )
Sustituyendo estas ecuaciones en la ecuación (10), queda:
 2 fC C UF   rCf C W A
(13)2 2 2
2
44 32 28 28
12 12dg f
CO O CO NW C
CO CO
  
 

Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Pérdidas de humedad por productos de combustión (ML)
(14)
El termino ( W+9H ) representa la cantidad de humedad formada durante la
  9 s wML W H h h  
( 9 ) p
combustión. Es debida a la humedad mecánica y a la combustión del hidrógeno
del combustible. El término ( hs-hw ) representa el cambio de entalpía de la
humedad y es aproximadamente:
(15)


  fgg TTFT
hh
5,01066575
)(
(16)

 

fgg
fgg
ws TTFT
hh
46,01089575
)(
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Pérdida de humedad en el aire de combustión (MCAL)
(17) TTCpWMCAL  (17)
Donde w es el radio de humedad del aire entrando al sistema de la caldera y tiene
unidades de libra de vapor de agua por libra de aire seco. El radio de humedad es
 agwa TTCpWMCAL  
p g p
definido como función de las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo y puede
ser determinado fácilmente usando una carta psicrométrica.
El aire actual (Wa) en la ecuación (17) no esta siempre disponible Como alternativaEl aire actual (Wa) en la ecuación (17) no esta siempre disponible. Como alternativa,
se usa la ecuación (18) para obtener un estimado.
(18)
8 OW W H C S N   
Donde Cf es definido por la ecuación (12). Los valores de H, O, S y N son obtenidos
del análisis del combustible y deben tener unidades de libras por libras de
8
8a dg fW W H C S N      
 
del análisis del combustible y deben tener unidades de libras por libras de
combustible.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Pérdidas por combustión incompleta (ICL)
( )
28 4380COICL W (19)
Pérdidas por combustible no quemado (UCL)
2 2 2
4380
44 28 28 32dgICL W
CO CO N O
  
  
p q ( )
(20)
Pérdidas por radiación (RUL)
HHVUFUCL 
Pérdidas por radiación (RUL)
Debidas principalmente a la radiación y la combustión incompleta resultante en
hidrógeno e hidrocarburos en los gases del combustible. También incluyen
aquellos factores que previamente no se tomaron en cuenta Como la (RUL) esaquellos factores que previamente no se tomaron en cuenta. Como la (RUL) es
relativamente pequeña, resulta difícil determinarla exactamente. En la práctica,
los rangos de esta perdida se estiman entre un 3 y un 5%.
Tema II. Parte II. Centrales Termoeléctricas a vapor
Basado en el principio de conservación de la energía, el calor liberado por el
quemador es.
libQ Calor liberado (Btu/hr)
         fafalib WHUFTTWRULHHVQ  910401460024.0%1
libQ
aW
UF
Calor liberado (Btu/hr)
Aire real (lb/lb de combustible)
C b tibl d (lb/lb d b tibl )UF
fW
HHV
Combustible no quemado (lb/lb de combustible)
Consumo de combustible (lb/hr)
Alt l l ífi d l b tiblHHV
fT
T
Alto valor calorífico del combustible
temperatura del combustible entrando a la caldera (°F)
t t d l i l t d d l ld (°F)aT temperatura del aire a la entrada de la caldera (°F)
RUL% % pérdidas por radiación