ANÁLISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE …

MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECÁNICA OPCIÓN ENERGÉTICA

ANÁLISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL

TERMOELÉCTRICA DE CARBÓN

TESIS

PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECÁNICA

PRESENTA

DAVID AGUIRRE ARREDONDO

DIRECTOR DE TESIS DR. PEDRO QUINTO DIEZ

MEXICO. D. F. DICIEMBRE 2008

iii iii

A mi esposa

Elisabet Flores Pérez

y a nuestros hijos

Ana Sofía

Elizabeth

Luis David

iv

Agradezco a Dios por haberme permitido la existencia, a mis

padres por darme la vida y enseñarme el camino de la superación

personal y espiritual, a mi esposa que en todo momento conté con

sus consejos y apoyo, a mis hijos, familiares y amigos que siempre

estuvieron conmigo y que me dieron ánimos en los momentos de

indecisión.

A las autoridades de Comisión Federal de Electricidad por creer en

mí y brindarme el apoyo incondicional e irrestricto para llevar a

cabo esta obra.

Mi agradecimiento a todos los instructores de la E.S.I.M.E. unidad

Zacatenco, del Instituto Politécnico Nacional, por el apoyo y

conocimientos que aportaron a mi formación académica y en la

realización de este proyecto. Al Dr. Pedro Quinto Diez, gracias a

sus enseñanzas y consejos, se ha logrado la consecución de la meta

trazada.

Mi reconocimiento al Instituto Politécnico Nacional por su gran

aportación al sistema educativo de nivel superior, en la formación

de profesionistas con alto nivel académico, que contribuyen al

crecimiento y desarrollo de este gran país, México.

v

Índice Nomenclatura y Simbología Relación de figuras y tablas Resumen Abstract Introducción Objetivo General Objetivo Particular Alcance Capítulos

Capítulo I.- Fundamentos de Análisis Termodinámico

1.1 Primera Ley de la Termodinámica 1.2 Segunda Ley de la Termodinámica 1.3 Balance Exergético 1.4 Eficiencias Energéticas y Exergéticas

Capítulo II.- Descripción de la Turbina de Vapor

2.1 Descripción de la Central Termoeléctrica Carbón II 2.2 Descripción del Ciclo Termodinámico 2.3 Descripción de la Turbina de Vapor

Capítulo III.- Aplicación del Análisis Energético y Exergético

3.1 Balance de Primera Ley 3.2 Balance de Segunda Ley 3.3 Balance Exergético 3.4 Procedimiento de Cálculo

v

vii

ix

xii

xiii

xiv

xvi

xvi

xvii 1 9

24

vi

Capítulo IV.- Análisis de Resultados

4.1 Comportamiento Energético a Condiciones de Operación 4.2 Comportamiento Exergético a Condiciones de Operación 4.3 Comparación del Comportamiento Energético entre Condiciones de Diseño y de Operación 4.4 Comparación del Comportamiento Exergético entre Condiciones de Diseño y de Operación

Conclusiones Recomendaciones Referencias Apéndices

Apéndice A – Balances de Masa y Energía en Calentadores de Agua Apéndice B – Tablas Apéndice C – Cálculo del Flujo de Calor por Convección de la Turbina Apéndice D – Cálculo de la Entalpía del Vapor de Escape TBP Apéndice E – Hoja de cálculo Excel Apéndice F – Datos para el Análisis del Comportamiento Exergético

53

72

75

77

80

vii

Clave

Descripción

1 vapor principal 2 vapor primer paso 3 vapor recalentado frío 5 vapor de escape de la Turbina de Presión Intermedia 6 vapor de escape de la Turbina de Baja Presión 7 vapor de la extracción # 1 8 vapor de la extracción # 2 9 vapor de la extracción # 3 10 vapor de la extracción # 4 11 vapor de la extracción # 5 12 vapor de la extracción # 6 13 vapor de la extracción # 7 14 succión de la bomba de extracción de condensado 15 descarga de la bomba de extracción de condensado 16 condensado a la salida del banco eyectores 17 condensado a la salida del condensador de vapor de sellos 18 condensado a la salida del enfriador de drenes 19 condensado a la salida del calentador de baja presión # 1 20 condensado a la salida del calentador de baja presión # 2 21 condensado a la salida del calentador de baja presión # 3 22 condensado a la salida del calentador de baja presión # 4 23 Succión de las bombas de agua de alimentación 24 descarga de las bombas de agua de alimentación 25 agua alimentación a la salida del calentador de alta presión # 6 26 agua alimentación a la salida del calentador de alta presión # 7 27 dren del calentador de alta presión # 7 28 dren del calentador de alta presión # 6 29 dren del calentador de baja presión # 4 30 dren del calentador de baja presión # 3 31 dren del calentador de baja presión # 2 32 vapor del tanque de vaporización instantánea a calentador. # 1 33 36

dren del calentador de baja presión #1 dren del condensador vapor sellos

viii

38 dren del banco de eyectores 37 agua de repuesto de condensado 122 atemperación al sobrecalentador 123 atemperación al recalentador T temperatura P presión (bar) G flujo másico (ton/h) W Vc

trabajo (joule) volumen de control

c Velocidad (m/s) g fuerza de gravedad (m/s2) z Altura (m) h entalpía específica (kJ/kg) af exergía específica de flujo (kJ/kg) A exergía (kW) s entropía específica (kJ/kg-°K) P0 σ

presión en el estado muerto (bar) generación de entropía (kW/°K)

T0 Q

temperatura en el estado muerto (°C) calor (kW)

Ad• exergía destruida (kW) η Eficiencia (%) CVS BE

condensador de vapor de sellos banco de eyectores

ED TAP

enfriador de drenes Turbina de Alta Presión

TPI TBP

Turbina de Presión Intermedia Turbina de Baja Presión

TV ISO TVI

Turbina de Vapor Isoentrópico tanque de vaporización instantánea

flujo de vapor a la salida del sobrecalentador (ton/h) Δ delta

IIη eficiencia exergética o de segunda ley (%) S 0-11 fugas de vapor por sellos y válvulas de la turbina (kg/h) WB1 trabajo de bomba condensado (kJ) WB2 trabajo de bomba agua alimentación (kJ) ATAP-TPI área de la Turbina de Alta Presión-Presión Intermedia (m2) CAP calentador de agua de alta presión CBP calentador de agua de baja presión

*1

G

h coeficiente de convección (W/ m2-°K L

Longitud (m) superíndice-flujo

m Masa (kg)

ix

Figura Descripción Página

1.1 Intercambios de masa y energía del volumen de control 2 1.2 Energías de entrada y salida en el volumen de control 3 2.1 Fotografía de la Central Termoeléctrica Carbón II 10 2.2 Diagrama esquemático del ciclo de potencia de la Central

Termoeléctrica Carbón II 11

2.3 Diagrama esquemático del ciclo termodinámico de la Central Termoeléctrica Carbón II

15

2.4 Diagrama temperatura-entropía del ciclo termodinámico 16 3.1 Flujos de vapor en la turbina de alta presión y en el sobrecalentador 26 3.2 Flujos de vapor en el escape de la turbina de alta presión 27 3.3 Flujos de vapor en el recalentador 28 3.4 Flujos de vapor en la turbina de presión intermedia 28 3.5 Flujos de vapor en la turbina de baja presión 29 3.6 Flujos de vapor y entalpías especificas en la turbina de alta presión 30 3.7 Flujos de vapor y entalpías especificas en la turbina de presión

intermedia 31

3.8 Flujos de vapor y entalpías especificas en la turbina de baja presión 32 3.9 Flujos de vapor y entalpías en la turbina de alta presión con expansión

isoentrópica 33

3.10 Flujos de vapor y entalpías en la turbina de presión intermedia con expansión isoentrópica

34

3.11 Flujos de vapor y entalpías en la turbina de baja presión con expansión isoentrópica

35

3.12 Flujos de vapor y entropías en la turbina de alta presión 37 3.13 Flujos de vapor y entropías en la turbina de presión intermedia 38 3,14 Flujos de vapor y entropías en la turbina de baja presión 38 3.15 Flujos de vapor y exergías en la turbina de alta presión 40 3.16 Flujos de vapor y exergías en la turbina de presión intermedia 41 3.17 Flujos de vapor y exergías en la turbina de baja presión 42 4.1 Comparación del flujo de vapor principal en la turbina entre las

condiciones de diseño y de operación 57

4.2 Comparación de la potencia producida por la turbina de vapor en sus diferentes etapas a las condiciones de diseño y de operación

59

4.3 Comparación de la eficiencia isoentrópica de la turbina de vapor entre las condiciones de diseño y de operación

60

x

4.4 Diagrama T-s de expansión del vapor en la turbina de vapor a las condiciones de diseño y de operación

61

4.5 Diagrama h-s de expansión del vapor en la turbina de vapor a las condiciones de diseño y de operación

63

4.6 Comparación del consumo específico de vapor en la turbina entre las condiciones de diseño y de operación

65

4.7 Comparación de las eficiencias exergéticas en las diferentes etapas de la turbina de vapor en las condiciones de diseño y de operación

67

4.8 Comparación de las exergías suministradas en la turbina de vapor en las condiciones de diseño y de operación

68

4.9 Comparación de las exergías destruidas en la turbina de vapor en las condiciones de diseño y de operación

69

4.10 Comportamiento de la etapa de alta presión en condiciones de diseño y de operación

70

4.11 Comportamiento de la etapa de presión intermedia en condiciones de diseño y de operación

70

4.12 Comportamiento de la etapa de baja presión en condiciones de diseño y de operación

71

Tabla Descripción Página

1 Características de los tipos de carbón utilizados en la Central Carbón II 12 2 Características técnicas del Generador de Vapor de las unidades 3 y 4 13 3 Consumo térmico unitario del ciclo 14 4 Consumo específico de combustible 14 5 Régimen térmico 14 6 Eficiencias de diseño de los equipos principales a diferentes cargas 14 7 Valores de diseño de las propiedades termodinámicas para cada punto

del ciclo 16

8 Valores de operación de las propiedades termodinámicas para cada punto del ciclo

18

9 Características de la turbina de vapor de la Central Termoeléctrica Carbón II

22

10 Variables de seguridad para protección de la turbina de vapor 23 11 Flujos de vapor calculados a potencia máxima de operación 54 12 Potencia de operación de la turbina, a potencia máxima 55 13 Eficiencia isoentrópica de la turbina de vapor a condiciones de operación 55 14 Exergía suministrada en la turbina de vapor a condiciones de operación 55 15 Exergía destruida en la turbina de vapor a condiciones de operación 56 16 Eficiencia exergética de la turbina de vapor a condiciones de operación 56 17 Comparación del flujo de vapor principal entre condiciones de diseño y

de operación 57

18 Comparación entre la potencia producida por la turbina de vapor entre condiciones de diseño y de operación

58

19 Comparación de la eficiencia isoentrópica de la turbina de vapor entre condiciones de diseño y de operación

59

xi

20 Propiedades del vapor de operación y de diseño, expansión en la turbina T-s

61

21 Diferencia de temperaturas y entropías entre condiciones de diseño y de operación

62

22 Propiedades del vapor de operación y de diseño, expansión en la turbina h-s

63

23 Valores de entalpías y entropías a condiciones de diseño y de operación 64 24 Consumo específico de vapor en la turbina a las condiciones de diseño y

de operación 65

25 Comparación de las eficiencias exergéticas de la turbina de vapor a las condiciones de diseño y de operación

66

26 Comparación de las exergías suministradas a la turbina de vapor a las condiciones de diseño y de operación

67

27 Comparación de la exergías destruida la turbina de vapor a las condiciones de diseño y de operación

69

28 Flujos de vapor por las fugas de vástagos y sistema de vapor de sellos de la turbina de vapor

87

29 Coeficientes de transferencia de calor por convección del aire y agua 87

xii

Se desarrolló una metodología para realizar los cálculos termodinámicos necesarios para

evaluar las eficiencias Energética y Exergética de las etapas de la Turbina de Vapor, de la

unidad 4, con la aplicación de esta metodología, se determinó la causa que está

originando el incremento en el consumo específico de vapor de la misma, realizando el

cálculo y el análisis del comportamiento de la expansión del vapor, la eficiencia

Energética y la eficiencia Exergética, en las diferentes etapas de la Turbina, una vez

determinadas qué etapas de la turbina y qué causas originan el alto consumo específico

de vapor, se está en condiciones de planear y programar los alcances del mantenimiento

programado y de realizar los ajustes necesarios de los parámetros operativos de la

Turbina, para reducir el consumo específico del vapor (ton. vapor / MW).

xiii

This paper contains a methodology step by step to make a thermodynamic calculus,

necessary to evaluate the Energetic and Exergetic efficiency of the steam turbine steps,

number four, with the application of this methodology we can determinate the origin cause

of the high steam specific consumption, the application and analysis off the expansion

curve, Energetic and Exergetic efficiency in the different steps of the turbine, also

determinates the basic causes of the high steam consumption and we can make a good

planning of programs for spare parts and turbine maintenance, and make adjusts to

operative parameters in necessary case, to reduce the steam specific consumption.

xiv

En los procesos de generación de energía eléctrica se emplean Turbinas de Vapor cuya

función principal es transformar la energía térmica del vapor en potencia mecánica, la cual

es transferida al generador eléctrico para producir la energía eléctrica, estas Turbinas

reciben el vapor de alta calidad, el cual va cediendo su energía en las diferentes etapas de

la misma.

Actualmente la Turbina de Vapor de la unidad 4 de la Central Termoeléctrica Carbón II

tiene un incremento en el consumo específico de vapor de 4.87 % con respecto a su valor

de diseño, ésto representa un incremento directo en el consumo de combustible del

generador de vapor para producir la cantidad adicional de vapor requerida por la turbina,

por lo que es necesario desarrollar un procedimiento de cálculo para:

Conocer las condiciones actuales de operación de la Turbina de Vapor unidad 4

Determinar y evaluar el comportamiento Energético y Exergético de la Turbina de

Vapor.

Determinar cuantitativamente las pérdidas de eficiencia Energética y Exergética

de la Turbina de Vapor

Comparar los parámetros de operación de la Turbina de Vapor contra los de

diseño

Debido al incremento en el consumo específico de vapor en la turbina de la unidad 4, es

necesario realizar este análisis con la finalidad de reducir este consumo y aprovechar al

máximo la energía térmica disponible en el vapor, para esto se requiere calcular el

comportamiento Energético y Exergético para determinar las áreas de oportunidad para el

mantenimiento, y cuales son las mejores condiciones operativas de la turbina, realizar los

ajustes requeridos en los parámetros de operación, reduciendo el consumo específico del

xv

vapor (ton. vapor/MW) y obtener un ahorro en el consumo de combustible, con lo cual

además se reducirá la emisión de contaminantes al medio ambiente y lograr un beneficio

económico.

Con esta herramienta es posible detectar oportunamente las desviaciones en el proceso

de expansión del vapor y contar con el seguimiento mensual de su comportamiento, lo

cual nos permitirá optimizar esta etapa y obtener un mejor aprovechamiento de los

energéticos, actualmente en las turbinas de vapor de la central se realizan pruebas de

eficiencia Energética, por lo que es muy importante evaluar las mismas mediante un

análisis desde el punto de vista Exergético.

xvi

OBJETIVO GENERAL: Desarrollar un procedimiento de cálculo para determinar y evaluar el comportamiento

Energético y Exergético de una Turbina de Vapor.

OBJETIVO PARTICULAR: Conocer las condiciones actuales de operación de la Turbina de Vapor unidad 4.

Desarrollar la metodología para el cálculo de la eficiencia Energética y Exergética de

turbina.

Determinar cuantitativamente las pérdidas de eficiencia Energética y Exergética de la

Turbina de Vapor.

Validar los datos obtenidos con la aplicación de esta metodología.

Comparar los parámetros de operación de la Turbina de Vapor contra los de diseño.

xvii

ALCANCE: Desarrollar una hoja de cálculo para evaluar el comportamiento Energético y Exergético de la Turbina de Vapor, de la unidad 4, de la Central Termoeléctrica Carbón II en las condiciones al 100% y 75% de carga,

xviii

ANÁLISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA DE CARBÓN CAPÍTULO I

1


CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE ANÁLISIS TERMODINÁMICO

En este capítulo se exponen los fundamentos del análisis termodinámico de los volúmenes

de control, basado en la primera y segunda ley de la termodinámica, para realizar el

balance energético y exergético. Estos análisis se aplican a volúmenes de control

operando en estado permanente, para posteriormente aplicarse a la Turbina de Vapor de

la unidad 4 de la Central Termoeléctrica Carbón II.

1.1 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA En la figura 1.1 se muestra esquemáticamente un volumen de control que cuenta con

varias entradas y salidas de materia, así como intercambios de energía en forma de calor

y trabajo.

Figura 1.1.- Intercambios de masa y energía del volumen de control

Para el caso anterior, el balance de conservación de la masa [1] queda como:

0 ee s

G= − sG∑ ∑ (1)

Flujos de Entrada, e Flujos de Salida, s

que se expresa como:

Cambio de la masa flujo másico total flujo másico total contenida en el volumen de que entra al - que sale delcontrol durante el proceso volumen de control volumen de control

=⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

Sistema,

T, P, m

T0 , P0

Te Pe Ge Ts Ps Gs

Qext. Wvc

Volumen de Control, Vc

Flujos de Entrada, e Flujos de Salida, s

Sistema,

T, P, m

T0 , P0

Te Pe Ge Ts Ps Gs

Qext. Wvc


2


En la ecuación (1) Ge y Gs significan respectivamente flujos de masa que entran por e y

que sale por s.

Para el análisis de la conservación de la energía, además del intercambio de calor y

trabajo, existe un mecanismo adicional de intercambio de energía, que se asocia con los

flujos de masa que entran y salen del volumen de control durante el proceso, como se

muestra en la figura 1.2.

Energía de Entrada, eEnergía de Salida, s

Evc

Qvc Wvc


zezs

2

2e

e ecu gz+ + 2

2s

s scu gz+ +

Ge

Gs

Energía de Entrada, eEnergía de Salida, s

Evc

Qvc Wvc


zezs

2

2e

e ecu gz+ + 2

2s

s scu gz+ +

Ge

Gs

Figura 1.2.- Energías de entrada y salida en el volumen de control

Para este caso, la ecuación de conservación de la energía [1] se expresa como:

2 2

02

C Ce sQ W G h gz G h gzvc e e e s s svce s

• • ⎛ ⎞ ⎛⎜ ⎟ ⎜∑ ∑= − + + + − + +⎜ ⎟ ⎜⎝ ⎠ ⎝ 2

⎞⎟⎟⎠

(2)

En la ecuación (2), h = u + pv, y se puede arreglar para escribirla como:

2 2

2C Ce

2sG h gz G h gzvc e e e s s svc

e s

• • ⎛ ⎞ ⎛ ⎞∑ ∑= + + + − + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠W Q (3)

3


La ecuación de la conservación de la energía establece que la velocidad con que se

transfiere energía hacia el volumen de control es igual a la velocidad con la que ésta se

transfiere desde el volumen de control hacia el medio que lo rodea.

1.2 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA La segunda ley de la termodinámica contribuye al análisis termodinámico porque:

a) Predice la dirección de los procesos térmicos, b) Establece las condiciones de equilibrio

de los procesos, c) Determina el máximo trabajo teórico que se puede obtener en un

proceso y d) Determina las causas que impiden obtener el máximo trabajo durante ese

proceso. Así que la aplicación de la segunda ley de la termodinámica complementa la

información proporcionada por la primera ley, para completar el análisis termodinámico.

Los enunciados más comunes de la segunda ley de la termodinámica son:

1. Enunciado de Kelvin-Plank [1].- Es imposible construir un sistema que, operando

según un ciclo termodinámico, ceda una cantidad neta de trabajo a su entorno

mientras recibe energía por transferencia de calor procedente de un único

reservorio térmico.

2. Enunciado de Clausius [1].- Es imposible la existencia de un sistema que pueda

funcionar de modo que su único efecto sea una transferencia de energía mediante

calor de un cuerpo frío a otro mas caliente.

La segunda ley de la termodinámica se puede expresar a través del balance de entropía

[1], que para el caso de procesos en estado permanente queda como:

0 + - + c

Q j G s G s ve sT e sj e sjσ

••

∑ ∑ ∑= (4)

La ecuación (4) se interpreta como:

Cantidad de entropía Transferencia de Flujo de generación de contenida en el entropía por tranferencia entropía por irreversibilida

volumen de control de calor y por flujo de masa

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥= +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

desen el volumen de control

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

4


En la ecuación (4) se observa que aparecen dos grupos de términos: uno relacionado con

la transferencia de entropía debido a la transferencia de calor y al intercambio de flujos de

masa y otro relacionado con la generación de entropía por irreversibilidades en el interior

del volumen de control.

1.3 BALANCE EXERGÉTICO Las investigaciones de dos termodinamicistas (Gouy, 1889 y Stodola, 1910), reconocieron

la relación que hay entre la entropía generada por las irreversibilidades y el trabajo que

pierde el sistema por esas irreversibilidades. Así propusieron el teorema que se conoce

como de Gouy-Stodola, que dice: “El trabajo disponible perdido es directamente

proporcional a la generación de entropía, en donde el factor de proporcionalidad es la

temperatura ambiente.”

A partir de este teorema, se comenzó a desarrollar el concepto de exergía, como una

manera de conocer la cantidad de trabajo máximo disponible.

Aunque la exergía ha sido estudiada desde hace más 100 años, no se le había dado la

importancia que actualmente tiene, fue hasta la década de los 70, en la que se iniciaron

extensas investigaciones, debido a que se comprendió la importancia que tiene para

evaluar el uso de la energía. Los investigadores que más han destacado en esta área de

investigación son: T.J. Kotas, F. Bosnjakovic, J. Keenan, Z. Rana, J. Szargut, R. Gaggioli,

A. Bejan, M. Moran y G. Tsatsaronis [1].

Estos autores han definido a la exergía conforme a sus conceptos, y a continuación se

exponen algunas de estas definiciones:

T.J. Kotas, quien es uno de los investigadores más reconocidos en el tema define la

exergía de la siguiente manera: “La exergía es el trabajo máximo que puede ser obtenido

a partir de una forma de energía dada, usando los parámetros ambientales como estado

de referencia.”

5


J.E. Ahern, define de una manera más simple el concepto de exergía: “La exergía es el

trabajo que está disponible en un gas, en un fluido o en una masa, como resultado de una

condición de no-equilibrio con respecto a un estado de referencia.”

A. Bejan, G. Tsatsaronis y M. Moran definen la exergía como se describe a continuación:

“Exergía es el trabajo útil máximo teórico (trabajo de eje o trabajo eléctrico) que se puede

obtener cuando el sistema actúa hasta equilibrar la transferencia de calor que ocurre sólo

con el ambiente.”

La mayoría de las definiciones hablan sobre una exergía por efecto de un desequilibrio

térmico con respecto al medio ambiente, la cual es conocida como exergía térmica.

Tomando como referencia las definiciones anteriores de la exergía, en el presente trabajo

se propone la siguiente definición para este mismo parámetro: “Exergía es el trabajo

máximo que un sistema cerrado o abierto (volumen de control) puede desarrollar cuando

el sistema se encuentra en desequilibrio térmico, cinético, potencial o químico con

respecto a las condiciones de un estado de referencia”

Las formas de la exergía [2] son:

• Térmica

• Química

• Cinética

• Potencial

Cuando circula un flujo másico a través de la frontera de un volumen de control, hay una

transferencia de exergía que acompaña a dicho flujo de masa [1], que se expresa en

cantidades específicas como:

( )00 0

2

2c

a h h T s s gf = − − − + + z (5)

6


En la ecuación (5), las propiedades señaladas con el subíndice 0, corresponden a las

propiedades del fluido a las condiciones del medio ambiente, que se conoce como el

estado muerto.

El balance de exergía aplicable a volúmenes de control en estado permanente [1] queda

expresado como:

0 1 - - - vcj s

To Q W G a G a Adf fT ee sj e sj

• • •⎛ ⎞⎜ ⎟∑ ∑ ∑= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

(6)

La ecuación (6) se explica como:

Cambio de Transferencia de exergía por Flexergía en el flujos de calor, trabajo y de masa,

volumen de intercambiados por el volumen

control de control y sus alrededores

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥= −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

ujo de exergía destruida en

el volumen de control

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

Los balances de energía, entropía y exergía expresados por las ecuaciones (3), (4) y (6)

se complementan con los cálculos de eficiencias tanto energéticas como exergéticas,

como se indica a continuación:

1.4 EFICIENCIAS ENERGÉTICAS Y EXERGÉTICAS

1.4.1 Eficiencia Energética.- La eficiencia energética de un volumen de control

relaciona la energía recuperada con la energía suministrada. En las máquinas

térmicas, la energía recuperada es la potencia obtenida y la energía suministrada

puede ser un flujo de calor o la variación de la energía contenida en una o más

corrientes de masa que circulan por el volumen de control. En esta forma general, esta

eficiencia se expresa como:

η Energía Recuperada=Energía Suministradat (7)

7


1.4.2 Eficiencia Exergética.- La eficiencia exergética se define como la relación entre

exergía recuperada (en el caso de la Turbina, la potencia o el trabajo real obtenido) y la

exergía suministrada por medio del fluido que circula por el volumen de control. Esta

eficiencia también se conoce como eficiencia de segunda ley, por estar basada en la

segunda de la termodinámica. La expresión general de la eficiencia exergética es:

Exergía Recuperada=Exergía Suministradatη (8)

Las ecuaciones de balances de energía, entropía, exergía y las eficiencias energéticas

y exergéticas forman el modelo matemático del análisis termodinámico para cualquier

equipo de una planta de generación eléctrica. En este trabajo este modelo se aplica al

estudio de una Turbina de Vapor de la Central Termoeléctrica Carbón II.

8

ANÁLISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA DE CARBÓN CAPÍTULO II

9


CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DE LA TURBINA DE VAPOR

En este capítulo se describen las características termodinámicas de la Turbina de Vapor

de la unidad 4 de la Central Termoeléctrica Carbón II.

El capítulo se divide en tres partes: En la primera se hace una descripción de la planta de

carbón II, para tener una referencia sobre la ubicación de la turbina; en la segunda parte

se describe el ciclo termodinámico de la planta y en la tercera, se describe la Turbina de

Vapor, objeto de este estudio.

2.1 DESCRIPCIÓN DE LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA CARBÓN II

La Central Termoeléctrica Carbón II es la segunda Central de Generación Eléctrica en

México que utiliza el carbón mineral no coquizable como fuente primaria de energía.

Esta central que pertenece a la Gerencia Regional de Producción Norte de la CFE,

cuenta con cuatro (4) unidades de generación de 350 MW cada una, de capacidad

nominal. Anualmente, tiene una capacidad potencial para generar 10’300,000 MW-h de

energía (considerando un factor de planta total de 0.84). El consumo de carbón de las

cuatro unidades es aproximadamente 16,000 tons. diarias. En la figura 2.1 se muestra

una fotografía de la Central Termoeléctrica Carbón II.

Figura 2.1 Central Termoeléctrica Carbón II

10


La Central Termoeléctrica Carbón II se encuentra localizada a la altura del km. 31.5 de la

carretera federal 57, Piedras Negras-México, en el municipio de Nava Coahuila. La altitud

sobre el nivel del mar de esta central es de 305 metros y las temperaturas registradas

varían desde 44 °C en verano hasta -13 °C en invierno, con una precipitación pluvial

media anual de 520 mm.

El ciclo de potencia de esta central corresponde al ciclo Rankine Regenerativo con

Recalentamiento, el cual se muestra en el diagrama esquemático de la figura 2.2

M

CAP

7

EXTRACCION No. 7

EXTRACCION No. 1

M

M

R.H.S.H.

CALENTADORES DE ALTA PRESION

TURBINA ALTA PRESION, PRESION INTERMEDIA Y BAJA PRESION

M M M M

MMM

M

CBP

2

CBP

3

CBP

4

CAP

6

EXTRACCION No. 2

EXTRACCION No. 3

EXTRACCION No. 4

EXTRACCION No. 5

EXTRACCION No. 6

C B P 1

CO

ND

ENSA

DO

RPR

INC

IPA

L

M

TANQUE DE OSCILACION

S.H.

GENERADOR DE VAPOR

CALENTADORES DE BAJA PRESION

T A PT P IT B P

Figura 2.2 Diagrama esquemático del ciclo de potencia de la Central Termoeléctrica Carbón II

El combustible que consume la Central es carbón mineral, recibido de tres fuentes de

suministro: 1) carbón de diseño, el cual es extraído de la cuenca de Río Escondido, 2)

carbón de la Región de Sabinas y 3) carbón importado de Estados Unidos. Las

características principales de cada uno de estos tipos de combustibles se indican en la

tabla 1.

11


Tabla 1. Características de los tipos de carbón utilizados en la Central Carbón II

Análisis Primario (base seca) Unidades Diseño Sabinas Importado

Humedad Total % peso 8.12 5.99 9.80Materia Volátil % peso 26.17 19.11 35.72Carbón Fijo % peso 30.60 41.42 44.28Ceniza % peso 43.23 33.47 10.20Poder Calorífico Superior kcal/kg 4362 5000 6164Azufre % peso 1.17 1.28 0.50Índice de expansión libre. 1.00 5.42 0.45

Análisis Elemental (base seca) Unidades Diseño Sabinas Importado

Nitrógeno % peso 0.53 0.59 1.59Carbón % peso 43.38 50.91 63.26Hidrógeno % peso 3.53 3.37 4.41Ceniza % peso 43.23 33.47 10.10Azufre % peso 1.17 1.28 0.50Oxigeno % peso 8.15 4.39 10.34

Análisis Mineralógico de la Ceniza Unidades Diseño Sabinas Importado

SiO2 % peso 63.38 59.30 59.43

Al2O3 % peso 25.21 22.05 26.70

TiO2 % peso 0.99 1.02 0.80

Fe2O3 % peso 4.27 5.17 3.77CaO % peso 2.50 2.97 4.22MgO % peso 0.68 0.80 1.20K2O % peso 1.24 1.16 1.37

Na2O % peso 0.38 0.25 0.89INDETERMINADO % peso 1.36 1.30 1.62TOTAL % peso 100.00 100.00 100.00

Cada una de las unidades de la Central está compuesta de un Generador de Vapor, de

una Turbina, un Condensador, Bombas hidráulicas y Generador Eléctrico. Las principales

características técnicas de estos equipos se presentan en las siguientes tablas: Tabla 2.-

Características del Generador de Vapor. Tabla 3.- Consumo Térmico Unitario del Ciclo.

Tabla 4.- Consumo Específico de Combustible. Tabla 5.- Régimen Térmico y Tabla 6.-

Eficiencia de los equipos principales.

12


Tabla 2.- Características Técnicas del Generador de Vapor de las unidades 3 y 4

Generador de Vapor Unidad 4

Fabricante Foster Wheeler Energía (España)

Diseño Radiante, de circulación natural, sobrecalentador radiante, hogar balanceado, tipo intemperie.

Flujo de vapor: kg/hSalida del Sobrecalentador 1’058,423Salida del Recalentador 1’016,000Presión de vapor: kg/cm2

Domo 185.6Sobrecalentador 177Recalentado frío 39.4Recalentado caliente 37.2Temperatura de vapor: ° CSobrecalentado 541Recalentado frío 332.8Recalentado caliente 541

Presión 207 kg/cm²Temperatura de entrada al Economizador

248.9 °C

Temperatura de salida del Economizador

300.6 °C

Temperaturas de aire: ° CAmbiente (diseño) 26Salida del Calentador de Aire Regenerativo.

318.3

Temperaturas de gases: ° CSalida del hogar 1019Entrada economizador 560Entrada Calentador de Aire Regenerativo.

332

Salida Calentador de Aire Regenerativo.

133

Sistema de Combustión 20 quemadores de carbón, frontales, dispuestos en 5 niveles superpuestos, con 4 quemadores cada uno.

Sistema de tiro Balanceado.

Control de temperatura Por regulación de flujo de gases en el paso de convección y atemperación de vapor.

Sistema de encendido 20 pilotos de diesel, cada uno instalado en el mismo cañón de cada quemador de carbón.

Agua de alimentación:

13


Tabla 3.- Consumo Térmico Unitario del Ciclo

Carga % CTU (kcal / kW-h)

25 ⊗50 2,099.4075 1,985.30100 1,946.10

Tabla 4.- Consumo Específico de Combustible

Carga (%)

Consumo de combustible kg/h

Consumo Específico kg / kW-h

25 ⊗ ⊗50 110,076.84 0.62975 156,262.26 0.595100 204,822.10 0.585

Tabla 5.- Régimen Térmico

Carga % Régimen Térmico kcal / kW-h

25 ⊗50 2,431.1075 2,299.70

100 2,261.00Considerando el Poder Calorífico Superior del Carbón de diseño de3,865 kcal / kg

Tabla 6.- Eficiencias de Diseño de los Equipos Principales a diferentes cargas

Carga de la Unidad

%

η Generador

de Vapor %η Turbina %

η Generador

eléctrico %η Unidad %

25 ⊗ ⊗ ⊗ ⊗50 88.45 82.8 98.56 3675 88.55 87.8 98.72 38.2

100 88.33 89.69 98.73 39.02

14


2.2 DESCRIPCIÓN DEL CICLO TERMODINÁMICO El ciclo termodinámico utilizado por la unidad 4 de la Central.Termoeléctrica Carbón II

corresponde al ciclo Rankine Regenerativo con Recalentamiento, con lo que se logra un

aumento de la eficiencia en el uso de la energía para generar electricidad. El diagrama del

sistema termodinámico se muestra en la figura 2.3, y el ciclo correspondiente se muestra

en la figura 2.4 en los ejes T-s.

Qe

Figura 2.3 Diagrama esquemático del ciclo Termodinámico de la Central Carbón II

Turbina de Baja Presión

Turbina de Presión

Intermedia

Turbina de Alta Presión

Generador de Vapor

WT

Condensador Principal

BE CVS C1C2 ED C3C4Desg. C6 C7

TVI

Vapor Aux. De sellos de

Turbina

1

10

7

3

9

4

11

5

12

8

14 15

6

16 17 18 19 20 21 22 25 26

23

24 30

28 27

29 31 32 33

35

37 38

WB1

WB2

13

2

36

15


T 1 4

Figura 2.4. Diagrama temperatura-entropía del Ciclo Termodinámico

En las tablas 7 y 8 se indican las propiedades de las variables del ciclo termodinámico, de

diseño y de operación.

Tabla 7.- Valores de diseño de las propiedades termodinámicas para cada punto del ciclo.

PROPIEDADES ENTALPÍAS, ENTROPÍAS, DENSIDAD

h s Densidad Fracción Vapor

kJ/kg kJ/kg-°K kg/m3 %

1 Vapor Principal 3399.18 6.4171 50.1 100.0

2 Vapor Cámara de Impulso 3105.07 6.1600 45.0 100.0

3 Vapor Recalentado Frió 3023.14 6.5487 13.2 100.0

4 Vapor Recalentado Caliente 3542.68 7.3460 8.1 100.0

5 Vapor Escape Turbina de Presión Intermedia 3045.80 7.4075 2.0 100.0

S

15

3 12

Y7

9

8

11 10 5

7

614

Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1

18

16 17

27

28

29

35

30

3131

3738

23

26

25 24

22

21

20 19

2

ENFRIADOR DE DRENES CONDENSADOR DE VAPOR SELLOS

BANCO DE EYECTORES

16


6 Vapor Escape Turbina de Baja Presión 2466.72 7.7356 0.1 94.9

7 Extracción No. 1 2525.33 7.5261 0.2 95.9

8 Extracción No. 2 2668.02 7.4990 0.4 100.0

9 Extracción No. 3 2802.92 7.4669 0.8 100.0

10 Extracción No. 4 3045.80 7.4075 2.0 100.0

11 Extracción No. 5 3219.37 7.3885 3.5 100.0

12 Extracción No. 6 3361.95 7.3733 5.1 100.0

13 Extracción No. 7 3023.14 6.5487 13.2 100.0

22 Condensado Entrada al Deareador 632.95 1.8410 917.6 0.0

23 Succión de Bombas de Agua de Alimentación 762.53 2.1375 887.3 0.0

24 Descarga de Bombas de Agua de Alimentación 788.27 2.1503 894.8 0.0

25 Agua de Alimentación entrada calentador No. 7 867.77 2.3209 875.3 0.0

26 Agua de Alimentación salida calentador No. 7 1024.86 2.6400 833.1 0.0

100 Vapor Auxiliar 2802.53 6.2911 11.5 100.0

33 Dren Normal del Calentador No. 1 228.88 0.7638 985.8 0.0






14 Condensado Saliendo del Condensador 200.57 0.6765 988.9 0.0

16 Condensado entrada al Cond. de Vapor de Sellos 203.67 0.6784 989.9 0.0

17 Condensado salida del Cond. de Vapor de Sellos 211.84 0.7037 989.0 0.0

16 Condensado salida del Banco Eyectores 214.11 0.7108 988.8 0.0

18 Condensado entrada al calentador No. 1 216.28 0.7212 987.9 0.0

19 Condensado Saliendo del Calentador No. 1 265.57 0.8705 982.0 0.0



22 Condensado Saliendo del Calentador No.4 632.71 1.8414 917.3 0.0

17


Tabla 8.- Valores de operación de las propiedades termodinámicas para cada punto del ciclo.

PROPIEDADES ENTALPÍAS, ENTROPÍAS, DENSIDAD

H S DENSIDAD FRACC. VAP

KJ/Kg KJ/Kg-°K Kg/m3 % 1 Vapor Principal 3406.12 6.4218 50.3 1002 Vapor Cámara de Impulso 3115.08 6.14 48.18 1003 Vapor Recalentado Frío 3070.73 6.6035 13.5 1004 Vapor Recalentado Caliente 3555.18 7.2985 9.3 1005 Vapor de Escape Turbina de Presión Intermedia 3057.32 7.3608 2.3 1006 Vapor de Escape Turbina de Baja Presión 2514.54 7.8539 0.1 96.8 7 Extracción de Vapor No. 1 2619.43 7.8128 0.2 100.0 8 Extracción de Vapor No. 2 2688.60 7.5995 0.4 100.0 9 Extracción de Vapor No. 3 2842.06 7.5132 0.8 100.0

10 Extracción de Vapor No. 4 3057.32 7.3608 2.3 100.0 11 Extracción de Vapor No. 5 3206.20 7.3589 3.6 100.0 12 Extracción de Vapor No. 6 3376.18 7.3515 5.5 100.0 13 Extracción de Vapor No. 7 3067.03 6.5974 13.5 100.0 22 Condensado Entada al Deareador 659.20 1.9025 911.8 0.0 23 Succión Bombas de Agua de Alimentación. 772.57 2.1595 884.9 0.0 24 Descarga de Bombas de Agua de Alimentación 780.72 2.1338 896.6 0.0 25 Agua de Alimentación entrada a Calentador No. 7 907.27 2.4037 865.0 0.0 26 Agua de Alimentación salida a Calentador No. 7 1038.87 2.6680 828.8 0.0 100 Vapor Auxiliar 2804.68 6.2896 11.6 100.0 33 Dren Normal del Calentador No. 1 276.27 0.9059 980.0 0.0 32 Dren Normal del Calentador No. 2 303.73 0.9860 976.3 0.0 30 Dren Normal del Calentador No. 3 396.42 1.2456 962.2 0.0 29 Dren Normal del Calentador No. 4 521.75 1.5722 939.9 0.0 28 Dren Normal del Calentador No. 6 823.81 2.2693 872.4 0.0 27 Dren Normal del Calentador No. 7 946.28 2.5203 840.6 0.0 14 Condensado Saliendo del Condensador 205.43 0.6917 988.4 0.0 16 Condensado Entrando a Condensador Vapor Sellos 211.79 0.7025 989.2 0.0 17 Condensado Salida Condensador Vapor de Sellos 211.79 0.7025 989.2 0.0 16 Condensado Salida de Banco de Eyectores 215.97 0.7154 988.8 0.0 18 Condensado Entrando al Calentador No. 1 223.63 0.7427 987.3 0.0 19 Condensado Saliendo del Calentador No. 1 280.63 0.9140 980.3 0.0 20 Condensado Saliendo del Calentador No. 2 361.44 1.1454 968.6 0.0 21 Condensado Saliendo del Calentador No. 3 469.02 1.4349 950.4 0.0 22 Condensado Saliendo del Calentador No. 4 659.15 1.9025 911.8 0.0 100 Vapor Auxiliar 2804.68 6.2896 11.6 100.0 123 Agua de atemperación al Recalentador 776.41 2.1444 891.4 0.0 37 Agua de Repuesto de Condensado 111.89 0.3905 996.6 0.0 38 Estado Muerto 111.89 0.3905 996.6 0.0

18


2.3 DESCRIPCIÓN DE LA TURBINA DE VAPOR. La Turbina de Vapor de la Central Termoeléctrica Carbón II, unidad Nº 4 cuenta con una

sección de Alta Presión, una sección de Presión Intermedia de flujo opuesto con

recalentamiento y una sección de Baja Presión de doble flujo.

El vapor principal fluye por dos válvulas de paro principal; de estas válvulas salen dos

tuberías, una de estas llega a la caja de válvulas superior y la otra a la inferior, estas cajas

albergan dos válvulas de control cada una, para dirigir el vapor a las etapas de alta presión

que son siete, el vapor fluye hacia el frente estándar de la turbina. El vapor abandona la

sección de alta presión y se dirige al recalentador del generador de vapor por medio de

tubería. El vapor recalentado retorna hacia la Turbina de Presión Intermedia a través de

dos válvulas de paro de mediana presión y dos válvulas interceptoras de recalentado y

entra a la Turbina de Presión Intermedia, fluyendo por sus siete etapas.

El vapor abandona la sección de Presión Intermedia a través de una tubería de enlace

llamada cross over e ingresa a la sección de Baja Presión, la cual es de doble flujo por lo

que el vapor fluye en ambos sentidos por las etapas de esta turbina que son cinco por

lado, para finalmente llegar al condensador principal.

La turbina cuenta con una chumacera de empuje ubicada entre las chumaceras soporte 2

y 3. Ésto permite que los rotores de la turbina se expandan axialmente en dos direcciones:

hacia el lado gobernador, la Turbina de Alta Presión y de Presión Intermedia que esta

soportada por las chumaceras 1 y 2, y hacia el lado generador la Turbina de Baja Presión

que esta soportada por las chumaceras 3 y 4. Toda la turbina cuenta con aislamiento

térmico de las partes calientes para reducir las pérdidas de calor.

Rotores de la turbina.- La turbina cuenta con dos rotores, cada uno soportado por dos

chumaceras. Los rotores de Alta y Baja Presión están conectados con coples sólidos

atornillados. Los rotores están localizados aisladamente por la chumacera de empuje la

cual se encuentra localizada entre la Turbina de Presión Intermedia y la de Baja Presión

cercana a la chumacera de trabajo número dos.

19


Cada cuerpo del rotor está fabricado de una pieza sólida de acero aleado y forjado, el

cual se maquina para formar un rotor sólido compuesto por flecha, ruedas, chumaceras

de trabajo y bridas para acoplamiento. Antes de maquinarlo, se le realizan ensayos

mecánicos y metalográficos para asegurar que reúna las propiedades físicas y

metalúrgicas.

Álabes.- Los álabes están maquinados de aleación hierro-cromo extremadamente

resistente a la corrosión y erosión del vapor. Estos elementos están sujetos a la periferia

del rotor por medio de colas de milano para un ajuste óptimo.

Para obtener mayor rigidez, se forman segmentos de álabes amarradas con bandas

taladradas en los extremos exteriores de las mismas. Los álabes de los últimos pasos,

en donde la velocidad periférica es alta, están protegidos en su parte superior con un

endurecimiento por templado contra la erosión producida por la humedad.

Toberas y diafragmas.- El flujo de vapor es dirigido hacia los álabes con la velocidad y

ángulo apropiados por los diafragmas divisorios. Las áreas de las toberas y sus ángulos

de descarga se determinan a partir de muchas variables, tales como el volumen de

vapor a manejar, la caída de presión a través de los diafragmas, y la velocidad de las

paletas adyacentes. Las toberas divisorias se maquinan en un bloque de estado sólido

de aleación de hierro – cromo y se incorporan dentro de los diafragmas por un proceso

de soldado. Estas toberas son ensambladas en bandas de acero perforadas y son

punteadas en su posición; en este ensamble también se suelda el alma del diafragma y

el anillo exterior.

Chumaceras.- Las chumaceras son autoalineables, de asiento esférico y lubricación

forzada. Las carcazas de las chumaceras son de hierro fundido y están recubiertas con

babbit estañado de alto grado. Se cuenta con sellos para evitar escurrimientos de aceite

o fugas de vapores de las chumaceras. La posición axial del rotor de la turbina se

mantiene por medio de la chumacera de empuje. Esta chumacera es muy sencilla en su

construcción, ocupa un pequeño espacio, y tiene una gran capacidad de carga.

20


Sellos.- Como pueden ocurrir fugas de vapor o filtraciones de aire a través de los claros

entre los elementos estacionarios y rotatorios de la turbina, se utilizan sellos para

minimizar estas fugas. Todos los sellos de la flecha son del tipo laberíntico, los anillos

segmentados del sello son elásticos y están sujetados en la parte interna de la carcaza.

Estos anillos están maquinados con alturas variables y se montan con un huelgo mínimo

dentro de sus ranuras talladas directamente en el rotor de la turbina, el tipo de

construcción de estos sellos permite que ofrezcan una gran resistencia al flujo,

eliminando así las fugas de vapor o entradas de aire. Las fugas de vapor a lo largo del

rotor de la turbina por los diafragmas se reducen a un mínimo con los anillos de sello

sujetados a los diafragmas. Estos anillos están divididos en segmentos soportados por

laminillas, estas últimas mantienen los segmentos en su lugar manteniendo un pequeño

claro entre los anillos de sello y rotores, en caso de presentarse una distorsión en la

flecha de la turbina por alguna situación transitoria de operación, estos sellos entre etapa

y etapa modifican su posición al comprimir las laminillas, evitando de esta manera,

daños serios a la flecha por rozamiento.

Tornaflecha.- Para erradicar la posibilidad de distorsión de la flecha de la turbina

durante arranques y paros de unidad, se utiliza el tornaflecha para mantener girando el

rotor con 76 revoluciones por minuto, hasta igualar las temperaturas del mismo. También

se utiliza para mover el rotor durante las inspecciones realizadas al mismo. El

tornaflecha está constituido por un motor eléctrico y un tren de engranes, un piñón

movible en la carcaza de los engranes puede embragarse con el engrane maquinado en

el rotor de la Turbina de Alta Presión. Al admitir vapor a la turbina durante la operación

del tornaflecha, el piñón móvil, por medio de un engrane de choque, se desembragará

sin producir ninguna sacudida. Se cuenta con indicación para conocer el estado del

tornaflecha (en servicio o fuera de servicio, embragado o desembragado) y con un

interruptor de baja presión de aceite de lubricación, que actúa como protección en caso

de operar, impidiendo que el tornaflecha siga en funcionamiento.

Una característica muy particular de estas turbinas es que cuentan con by-pass que en

situaciones de emergencia liberan la energía acumulada en el generador de vapor y la

unidad se puede quedar generando para consumo propio de equipos auxiliares. Esta

21


característica, hace que se pueda iniciar el rodado de turbina, a través de la Turbina de

Presión Intermedia con menor presión y seguir el calentamiento de la Turbina de Alta.

Las características técnicas de la turbina se muestran en la tabla 9.

Tabla 9.- Características de la Turbina de Vapor, de la Central Termoeléctrica Carbón II

TURBINA UNIDAD 4Fabricante GEC-Alsthom

No. de serie: 1BU WX0427 A

Tipo:

Compuesta en línea por una etapa de alta e intermedia presión alojados en una carcaza y una etapa de baja presión con doble flujo alojado en otra carcaza, cuenta con recalentamiento intermedio del vapor a la salida de la etapa de alta presión y By pass de alta y baja presión para derivar el vapor hacia el condensador principal

Nominal: 350 MWMáxima: 387 MW

Presión 166 barTemperatura 538 ° C

Presión de escape 82 mm Hg (0.78 bar)No. extracciones 7 (siete)

Alta presión 1 de control (acción) y 6 de reacciónPresión intermedia 1 3 de reacciónPresión intermedia 2 4 de reacción

Baja presión 5 de reacción por cada ladoTotal 24 pasos

Primera 2000 rpmSegunda 5450 rpm

Primera 1955 rpmSegunda 4645 rpm

Sistema de control Tipo DEH Mod. Micro-Rek

Turbina de Alta Presión y Presión Intermedia

Turbina de Baja Presión

No. de pasos y Tipo:

Velocidades criticas:

Capacidad:

Vapor de entrada:

22


Para la operación confiable y segura, la turbina cuenta con dispositivos de protección para

evitar daños y reparaciones costosas a sus componentes. En la tabla 10 se indican las

propiedades de las variables de seguridad principales, para la protección termomecánica

de la turbina.

Tabla 10.- Variables de seguridad para protección de la Turbina de Vapor

Normal Alarma DisparoPresión de aceite de lubricación bar 1.5 ------ 1Disparo eléctrico por sobrevelocidad % ------ ------ >110Vacío en el condensador. mbar 111 290 340Sobrevelocidad rpm 3600 ------ 3955Vibración micras ------ 100 130Excentricidad mmPresión del aceite de autoparo bar 10 ------ ------Presión del fluido de alta presión bar 120 100 ------Expansión diferencial Turbina alta Mediana Presión mm ------ -1.8 a 8.4 -----Expansión diferencial Turbina Baja Presión mm ------ -1.5 a 4.9 -----Posición del rotor mm ------ -0.7 0.5Temperatura de Escape Turbina Baja Presión °C 48 80 175

Sin monitoreo

Variable

23

ANÁLISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA DE CARBÓN CAPÍTULO III

24


CAPÍTULO III

APLICACIÓN DEL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO

En este capítulo se hace uso de los fundamentos del análisis termodinámico desarrollado

en el capítulo I, para realizar el análisis energético y exergético a la Turbina de Vapor de la

unidad 4 de la Central Termoeléctrica Carbón II. Para realizar este análisis, la Turbina se

separó en cada una de sus Etapas: a) Alta Presión, b) Presión Intermedia y c) Baja

Presión, a las que se les aplicó el método desarrollado en el capítulo I.

A continuación se muestra el balance de energía o de primera ley, el balance de entropía

o de segunda ley, el balance Exergético y por último el procedimiento de cálculo empleado

para la Turbina de Vapor de la unidad 4 de la CT. Carbón II.

3.1 BALANCE DE PRIMERA LEY

Para aplicar la primera ley de la termodinámica, se inició con el cálculo de los flujos de

vapor en cada Etapa de la Turbina, considerando los flujos de vapor de las extracciones

hacia los calentadores de agua de alimentación y realizando los balances de masa y

energía de estos equipos como se muestra en el apéndice A.

Los flujos de fuga de vapor por los vástagos de las válvulas de control, así como las fugas

del vapor de auto-sello de la Turbina, se tomaron de los datos de diseño del fabricante de

la Turbina [4], y se muestran la tabla 28 del apéndice B.

Una vez que se conocen los flujos másicos de vapor de cada una de las extracciones, las

fugas por los vástagos y en el sistema de sellado de la Turbina, se requiere determinar los

flujos de: a) vapor principal (entrada a la Turbina de Alta Presión), b) vapor recalentado frío

(escape de Turbina de Alta Presión), c) vapor recalentado caliente (entrada a la Turbina de

Presión Intermedia), d) vapor de escape de la Turbina de Presión Intermedia (entrada a la

Turbina de Baja Presión) y e) vapor de escape de la Turbina de Baja Presión.

25


Para el cálculo de los flujos de vapor para las diferentes Etapas se aplica la ecuación de

conservación de la masa, desarrollada en el capítulo I, que para procesos de estado

permanente queda como:

ee s

G = sG∑ ∑

(9)

a de Alta Presión (TAP) y el sobrecalentador, con sus

orrespondientes flujos de vapor.

Determinación del flujo de vapor principal.- Este cálculo se hace a partir del balance de

masas en el sobrecalentador y considerando los flujos de las fugas de vapor de alta y Baja

Presión de los vástagos de las válvulas de la Turbina de Alta Presión. En la figura 3.1 se

muestra el diagrama de la Turbin

c

1

*G

1G1SG2SG

11SGTAP

3G

•

•

122G

1

*G26G

37G

Sobrecalentador

Figura 3.1 Flujos de vapor en la Turbina de Alta Presión y en el sobrecalentador

En la figura 3.1, los flujos de vapor son:

26


* Flujo de vapor a la salida del sobrecalentador

Flujo de vapor principal de entrada a la Turbina de Alta Presión (TAP)

Flujo de vapor en el escape de la Turbina de Alta Presión

Flujo de agu26 a de alimentación al Generador de Vapor

Flujo de agua de repuesto al ciclo (pérdidas de agua-vapor del ciclo)

ón al sobrecalentador

Flujo de vapor de las fugas de los vástagos de las válvulas de admisión de vapor alta presión

ja presión

Flujo de vapor de la fuga interna de la TAP a la TPI

G3

G

37G

1S

11S

1

(10 a)

y para el flujo de vapor principal de entrada a la Turbina de Alta Presión se tiene:

11 (10 b)

jos de vapor de escape de la TAP y el cálculo del flujo de vapor recalentado frío queda

G1

G

Flujo de agua de atemperaci122G

Flujo de vapor de las fugas de los vástagos de las válvulas de admisión de vapor ba2SGG

G

El balance de flujos de masas del sobrecalentador queda como:

126 122 37*G G G G+ = + (10)

1

*G queda como:

1 26 122 37*G G G G= + −

11 1 2*

S S SG G G G G= − − −

Determinación del flujo de vapor recalentado frío. En la figura 3.2 se muestran los

flu

como se indica en la ecuación (11).

1G

TAP

3G

•

•4SG3SG 5SG

Figura 3.2.- Flujos de vapor en el escape de la Turbina de Alta Presión

27


3 1 3 4 5S S SG G G G G= − − − (11)


Determinación del flujo de vapor recalentado caliente.- El flujo de vapor recalentado

caliente, (G ) se determina a partir de los flujos de vapor mostrados en la figura 3.3 y se

expresa en la ecuación (12).

Flujo de vapor en el escape de la TAP

Flujo de vapor de sellos TAP hacia la extracción 4

Flujo de vapor de autosello turbina de alta presión

Flujo de vapor de sellos TAP hacia el condensador de vapor de sellos

3G3SG4SG5SG

4

100G

123GRecalentador

4G

13G

3G

Figura 3.3.- Flujos de vapor en el recalentador

4 3 123 100 13G G G G G= + − − (12)


Determinación del flujo de vapor de salida de la Turbina de Presión Intermedia. En la

figura 3.4 se muestran los flujos de vapor de la Turbina de Presión Intermedia, TPI, y del

G5,

ueda como:

a la TPI

a la TBP

Flujo de vapor de la extracción número 7

Flujo de vapor auxiliar a eyectores

Flujo de agua de atemperación al recalentador100G13G

123G

balance de flujos de vapor correspondientes, el flujo de vapor de escape de la TPI,

q

28


Ext N° 6Ext N° 5

Ext N° 4

4G 5G

12G11G

10G

6SG

11S

• •

G TPI

Figura 3.4 Flujos de vapor en la Turbina de Presión Intermedia

(13)

5

6SG10G11G

12G11SG

Determinación del flujo de vapor de escape al condensador.- El flujo de vapor de

, se muestra en la figura 3.5

5 4 11 10 11 12 6S SG G G G G G G= + − − − −


Flujo de vapor a la entrada de la turbina de esión intermedia (TPI)4G pr

G Flujo de vapor de escape de la TPI

Flujo de vapor de auto sello TPI




Flujo de vapor de la fuga interna de la TAP a la TPI

escape de la Turbina de Baja Presión, TBP, 6G

Ext N° 1 Ext N° 3 Ext N° 2

ESCAPE AL CONDENSADOR

5G

7G 9G 8G 6G

TBP TBP

•

29

Figura 3.5 Flujos de vapor en la Turbina de Baja Presión

6G


El

cálculo de flujo de vapor de escape en la TBP, , queda como:

6 5 7 8 9G G G G G= − − − (14)

Los flujos mostrados en la figura 3.5 son:

3.1.1 Cálculo de la potencia de operación desarrollada por la Turbina de Vapor.- Este cálculo se divide en tres partes: a) para la Etapa de Alta Presión, b) para la Etapa

de Presión Intermedia y c) para la Etapa de Baja Presión. Estos cálculos se indican a

continuación:

Potencia de operación de la Etapa de Alta Presión (TAP).- El diagrama

squemático para el cálculo de potencia en esta etapa se muestra en la figura 3.6; aquí




7G

8G

9GFlujo de vapor de escape de la turbina de baja presión6G

e

se presentan los flujos de vapor, con sus respectivas entalpías específicas.

Ext N° 7

11

*,G h

1 1

11SG

3 3,G h4SG3SG 5SG

TAP,G h

1SG2SG

13 13,G h

•

•

Figura 3.6 Flujos de vapor y entalpías específicas en la Turbina de Alta Presión

Las entalpías específicas de los flujos de vapor 11 son las

mismas y se designan por .

al Recalentador

11 1 2*, , ,S S SG G G G y G

1h

30


La ecuación de la potencia generada en esta Etapa de la Turbina se desarrolla a partir

de la ecuación de la energía (3) del capítulo I, en donde los términos de energía

TAP e sTAP e sW Q G h G h• •

= + −∑ ∑

potencial y cinética se desprecian, quedando como:

o de calor intercambiado por la Turbina

e Alta Presión con el medio ambiente, . Este flujo de calor se transmite por

convección y se calcula por medio de la ecuación de enfriamiento de Newton como se

muestra en el apéndice C. El resultado de este cálculo justifica que se desprecie

porque representa el 0.0076% de la potencia generada por la Turbina.

Etapa de Presión Intermedia (TPI).- El diagrama esquemático de esta etapa de la

Turbina de Vapor se muestra en la figura 3.7, en la que se observan las entradas y

salidas de flujos másicos de vapor con sus respectivas entalpías específicas.

0

e s

1 1 3 3 TAPW G h G h•

= − (15)

En la ecuación (15) aparece el término de fluj

TAPQ•

d

Ext N° 6Ext N° 5

Ext N° 4

5 54 4

11 1,SG h TP

,G h,G h

12 12,G h11 11,G h

10 10,G h

6 5,SG hI

• •

Figura 3.7 Flujos de vapor y entalpías en la Turbina de Presión Intermedia

31


La potencia producida por la Turbina de Presión Intermedia se calcula aplicando la

ecuación (3) del capítulo I, quedando como:

e s G GTPI TPI e e s sw Q h h

• •

= + −∑ ∑

0

4 4 S11 1 5 5 10 10 11 11 12 12 S6 5G +G G G -G -G GTPIw h h h h h h•

= − − − h (18)

En la ecuación (18) se despreció el flujo de calor ya que el resultado de este cálculo

justifica que se desprecie porque representa el 0.0076% de la potencia generada por la

Turbina.

Etapa de Baja Presión (TBP).- El diagrama esquemático de esta Etapa de la Turbina

de Vapor se muestra en la figura 3.8, en la que se observan las entradas y salidas de

los flujos másicos de vapor así como sus entalpías correspondientes.



7 7,G h 8 8,G h 6 6,G h

5 5,G h

TBP TBP

•

9 9, G h

Figura 3.8 F

lujos de vapor y entalpías específicas en la Etapa Turbina Baja Presión

nd

La potencia producida por la Turbina de Baja Presión se calcula aplica o la ecuación

(3) del capítulo I, y queda expresada como:

0

32


5 5 7 7 8 8 9 9 6 6TBP TBPw Q G h G h G h G h G h• •

= + − − − − (19)

En la ecuación (19) se despreció el flujo de calor ya que el resultado de este cálculo

a el 0.0076% de la potenc

Turbina.

.1.2 Cálculo de la potencia ideal de la Turbina de Vapor.- El cálculo de la potencia

necesario determinar las entalpías de salida de las

iferentes Etapas de la Turbina, considerando procesos de expansión isoentrópicos.

s la salida de cada etapa de la

Turbina, es necesario determinar mediante tablas de vapor, su valor; partiendo de las

condiciones de presión en la salida y la entropía a la entrada de cada etapa.

Una vez calculadas las entalpías de salida en cada etapa de la Turbina, se está en

condiciones de calcular la potencia ideal de la Turbina y se hace en tres etapas:

a) Etapa de Alta Presión, b) Etapa de Presión Intermedia y c) Etapa de Baja Presión.

Como se muestra a continuación.

justifica que se desprecie porque represent ia generada por la

Para determinar la entalpía de escape de la Turbina de Baja Presión 6h es necesario

realizar su cálculo, este procedimiento se indica en el apéndice D.

Cálculo de la potencia de operación total de la Turbina de Vapor.- Para determinar

la potencia de operación de la Turbina de Vapor, se suman las potencias producidas

por cada Etapa de la Turbina, quedando la ecuación:

TV TAP TPI TBPw w w w• • • •

= + + (19 a)

3ideal generada por la Turbina de Vapor es importante, porque sirve de parámetro de

comparación con la potencia de operación desarrollada por la misma Turbina.

Para calcular la potencia ideal es

d

Como se conocen las condiciones de estado del vapor de las entradas a la Turbina,

para calcular la entalpía a entropía constante (h ) en

33


• Potencia isoentrópica de la Etapa de Alta Presión (TAP).- El diagrama

esquemático de esta Etapa se muestra en la figura 3.9.

11

*,G h

1 1,G h

1SG

2SG

TAP

3 3, SG h4SG3SG 5SG

•

•

11 1S

Figura 3.9 Fl

,G h

ujos de vapor y entalpías en la Etapa de Turbina de Alta Presión, con expansión ntrópica

a ecuación de la potencia ideal para esta Etapa de la Turbina se desarrolla a partir de

la ecuación (15), en donde los términos de energía potencial, cinética y calorífica se

desprecian, y considerando expansión isoentrópíca, que queda como:

h (20)

• Etapa de Presión Intermedia (TPI).- El diagrama esquemático de esta Etapa de la

urbina de Vapor se muestra en la figura 3.10, en la que se observan las entradas y

flujos másicos de vapor, así como sus correspondientes entalpías

specíficas.

Al Recalentador

isoeL

1 1 3 3STAPisoW G h G

•

= −

T

salidas de

e

Ext N° 6Ext N° 5

Ext N° 4

5 5, SG h4 4,G h

11 1,SG h

12 12, SG h11 11, SG h

•

6 5,S SG hTPI

10 10, SG h

•

Figura 3.10 Flujos de vapor y entalpías Etapa Turbina de Presión Intermedia, con expansión isoentrópíca.

34


La ecuación para calcular la potencia producida idealmente por la Turbina de Presión

Intermedia se desarrolla a partir de la ecuación (18) y queda como:

- S (21)

e Baja Presión (TBP).- El diagrama esquemático de esta Etapa de la

urbina de Vapor se muestra en la figura 3.11, en la que se observan las entradas y

4 4 s11 1 5 5 10 10 11 11

12 12 S6 5

G G G G -G G -G

ISOTPI S S

S S

W h h h h hh h

•

= + − −

• Etapa dT

salidas de los flujos másicos de vapor, así como sus respectivas entalpías específicas.


Ext N° 2Ext N° 1 Ext N° 3

5 5,G h

TBP TBP

•

7 7S 9 9S 8 8S 6 6S,hG ,G h ,hG ,G h lujos de vapor y entalpías de la Etapa de la Turbina de Baja Presión, con expansión

• Cálculo de la potencia ideal total de la Turbina de Vapor.- Para determinar la

potencia ideal de la Turbina de Vapor, se suman las potencias producidas por cada

Etapa de la Turbina, quedando como se indica a continuacion:

W W W• • • •

= + +

Figura 3.11 Fisoentrópica

La ecuación para calcular la potencia producida idealmente por la Turbina de Baja

Presión, se desarrolla a partir de la ecuación (19) y queda como:

5 5 7 7 8 8 9 9 6 6TBP S S S SisoW G h G h G h G h G h•

= − − − − (22)

soW (23) TV TAP TPI TBPiso iso iso i

35


3.1.3 Cálculo de la eficiencia isoentrópica de la Turbina de Vapor.- Después de

les en cada Etapa, se está en condiciones de determinar la

eficiencia isoentrópica de la Turbina de Vapor. Para este cálculo se aplica la ecuación

calcular las potencias de operación desarrolladas por cada Etapa de la Turbina, así

como las potencias idea

(7) del capítulo I:

η Energía Recuperada=Energía Suministradat

Esto es:

, 100operacióniso TV

idealw

wη•

•= (24)

Este cálculo se divide en tres partes:

Etapa de Baja Presión.

a) para la Etapa de Alta Presión, b) para la Etapa de Presión Intermedia y c) para la

• Cálculo de la eficiencia isoentrópica de la Etapa de Alta Presión.- De la

ecuación (24) se tiene:

100TAP

ISO

TAPiso

TAP

w

wη

•

•=

Intermedia.- Se

aplica la ecuación (24) y se tiene:

(25)

• Cálculo de la eficiencia isoentrópica de la Etapa de Presión

100TPI

ISO

TPIiso

TPI

w

wη

•

•= (26)

• Cálculo de la eficiencia isoentrópica de la Etapa de Baja Presión.- De acuerdo

a la ecuación (24) se tiene:

36


100TBP

TBPiso

wη ••= (27)

ISOTBPw

•

• Cálculo de la eficiencia isoentrópica de la Turbina de Vapor.-

100TViso

w•• (28)

ISO

TV

TV

η•

=

3.2 BALANCE DE SEGUNDA LEY

eterminan las pérdidas por irreversibilidades en l

por medio del cálculo de las entropías generadas en sus diferentes etapas, aplicando las

ecu

Para realizar el balance de segunda ley en las diferentes etapas de la Turbina de Vapor se

w

En esta sección se d a Turbina de Vapor

aciones de segunda ley de la termodinámica.

aplica la ecuación (4) del capítulo I:

0Q•

• • •= + - + j

jG s G s v ce se sTj e s

σ∑ ∑ ∑

Despejando la generación de entropía de la ecuación anterior, se obtiene la siguiente

ecuación:

- - jv c

j

QG s G ss es e Ts e j

σ

•• • •

∑ ∑ ∑= (29)

3.2.1 Cálculo de la generación de entropía para cada Etapa de la Turbina.- Los

álculos correspondientes se indican a continuación:

las entropías

correspondientes.

c

• Etapa de Alta Presión.- El diagrama esquemático de esta Etapa, se muestra en la

figura 3.12, en donde se indican los flujos másicos de vapor y

37


38

1S

2SG

TAP

G

4SG3SG 5SG

•

•

1 1*,G s

3 3,G s

Figura 3.12 Flujos de vapor y entropías en la Etapa de Turbina de Alta Presión.

La ecuación para el cálculo de la generación de entropía es esta Etapa de la Turbina

se desarrolla a partir de la ecuación (29), en donde el término de flujo de calor se

elimina por ser despreciable (ver apéndice C), por lo que queda como:

= − (30)

s.

1 1,G s

11SG

3 3 1 1T A PG s G sσ

•

• Etapa de Presión Intermedia.- El diagrama esquemático de esta Etapa de la

Turbina de vapor, se muestra en la figura 3.13, en la que se observan las entradas de

flujos másicos de vapor así como sus correspondientes entropía

Ext N° 6Ext N° 5

Ext N° 4

5 5,G s4 4,G s

12 1211 11,G s

10 10,G s

11 1,G s

,G s

6 5, SG sTPI

••

Figura 3.13 Flujos de vapor y entropías, Etapa Turbina de Presión Intermedia.

La ecuación para calcular la generación de entropía en esta Etapa de la Turbina, se

desarrolla a partir de la ecuación (29), en donde el término de flujo de calor se elimina

por ser despreciable (ver apéndice C), por lo que queda como:

s s s s s s sσ•

= (31)

al Recalentador

5 5 10 10 11 11 12 12 S 6 5TP I 4 4 S 11 1G + G + G +G + G - G - G


Etapa de Baja Presión.- El diagrama esquemático de esta Etapa de la Turbina de

Vapor se muestra en la figura 3.14 en la que se observan las entradas de flujos

ásicos de vapor y sus respectivas entropías.

m



7 7G s 9 9G s 8 8G s 6 6sG

5 5G s•

TBP TBP

Figura 3.14 Flujos de vapor y entropías; Etapa Turbina de Baja Presión

de la Turbina se desarrolla a partir de la ecuación (29), en

que queda como:

(32)

(33)

.3 BALANCE EXERGÉTICO

La ecuación para esta Etapa

donde el término de flujo de calor se elimina por ser despreciable (apéndice C), por lo

7 7 8 8 9 9 6 6 5 5TBPG s G s G s G s G sσ

•

= + + + − Turbina completa.- La entropía generada de la Turbina completa, es equivalente a la

suma de la entropía generada por cada una de sus Etapas y se representa como:

TV TAP TPI TBPσ σ σ σ

•• • •

= + +

3El balance exergético de la Turbina se desarrolla a partir de la ecuación (6) del capítulo I:

00 1 - - - T

Q W G a G a Avc dj f f sT ee sj e sj⎜ ⎟∑ ∑ ∑= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

• • •⎛ ⎞

39


En esta ecuación intervienen los flujos de exergía de cada flujo másico que circula por el

, como se muestra en la ecuación (5) del capítulo I, Las exergías

specíficas de cada flujo másico, cuando no se consideran las variaciones de energía

o:

volumen de control

e

cinética y potencial, por ser despreciables, queda com

( )00 0a h h T s sf = − − − (34)

En donde To corresponde a la temperatura de estado muerto, equivalente a la del medio

am

Eliminando la transferencia de exergía por flujo de calor, cuando ésta es despreciable, la

ecu

(35)

y despejando la destrucción de exergía, se obtiene:

c (36)

tapa de la Turbina, como se muestra a continuación:

xergía suministrada en la Etapa de Alta Presión.- En la figura 3.15 se muestran las

rgías en la Turbina de Alta Presión (TAP).

biente

ación de balance de exergía queda como:

0vc dW G a G a Af f see se s

• •∑ ∑− + − − =

d vA G a G a Wf f see se s

• •∑ ∑= − −

3.3.1 Cálculo de las exergías suministradas.- Estos cálculos se hacen para cada

E

Ecorrientes de exe

40


11

*,G a1SG

1 1,G a2SG

11SG

3 3,G a4SG3SG 5SG

TAP•

•

Figura 3.15 Flujos de vapor y exergía en la Turbina Etapa de Alta Presión

El cálculo del flujo de exergía suministrada a la Etapa de Alta Presión queda como:

3 (37)

as exergías específicas que intervienen en la ecuación (37) quedan como:

3 4 5, 1 1 3 3 3 3( ) ( ) ( ) ( ) ( )sumTAP s s sA G a G a G a G a G a= − − − −

L

( )1 1 0 0 1( )a h h T s s= − − − 0 (38)

( )3 3 0 0 3( )a h h T s s= − − − 0 (39)

ía en la Turbina de Presión

Exergía suministrada en la Etapa de Presión Intermedia.- En la figura 3.16 se

muestran los flujos de exerg Intermedia.

Ext N° 6Ext N° 5

Ext N° 4

5 5G a4 4G a

11 1SG a

12 12G a11 11G a

10 10G a

• •

6 5S aGTPI

Figura 3.16 Flujos de vapor y de exergías en la Turbina Etapa de Presión Intermedia

El flujo de exergía suministrada a la Etapa de Presión Intermedia queda como:

41


42

, 4 4 11 1 12 12 11 11 10 10 5 5 6 5( ) (Gs ) (G ) ( ) ( ) ( ) ( )sum TPIA G a a a G a G a G a Gs a= + − − − − − (40)

Las exergías específicas que intervienen en la ecuación (40) quedan como:

( )4 4 0 0 4( )a h h T s s= − − − 0 (41)

( )5 5 0 0 5( )a h h T s s= − − − 0 (42)

( )10 10 0 0 10 0( )a h h T s s= − − − (43)

( )11 11 0 0 11 0( )a h h T s s= − − − (44)

( )12 12 0 0 12 0( )a h h T s s= − − − (45)

muestran

los flujos de exergía en la Turbina de Baja Presión.

Exergía suministrada en la Etapa de Baja Presión.- En la figura 3.17 se

Ext N° 3 Ext N° 2


Ext N° 1

7 7a 9 9G a 8 8G a 6G

5 5G a

TBP TBP

G 6a

•

Figura 3.17 Flujos de vapor y exergías en la Turbina Etapa Baja Presión

El flujo de exergía suministrada a la Etapa de Baja Presión queda como:

( ), 5 5 6 6 7 7 8 8 9( ) ( ) ( ) ( )sum TBPA G a G a G a G a G a= − − − − 9 (46)

) quedan como:

Las exergías específicas que intervienen en la ecuación (46


( )6 6 0 0 6( )a h h T s s= − − − 0

(47)

( )7 7 0 0 7( )a h h T s s= − − − 0

(48)

( )8 8 0 0 8( )a h h T s s= − − − 0 (49)

( )9 9 0 0 9 0( )a h h T s s= − − − (50)

.3.2 Cálculo de las exergías destruidas.- La exergía destruida es igual a la exergía

•

= −− − − − (51)

• Exergía destruida en la Etapa de Presión Intermedia (TPI)

a W•

− (52)

(53)

.3.3 Cálculo de la eficiencia exergética.- Para calcular la eficiencia exergética en

ica la ecuación (8) del c

indica a continuación para cada Etapa de la Turbina.

Eficiencia exergética en la Etapa de Alta Presión

3suministrada menos la potencia de operación. Los cálculos de las exergías destruidas

se hacen para cada Etapa de la Turbina como se indica a continuación y se aplica la

ecuación (36).

• Exergía destruida en la Etapa de Alta Presión (TAP) •

3 4 51 1 3 3 3 3 3( ) ( ) ( ) ( ) ( )T A Pd s s s T A PA G a G a G a G a G a W

A G a G a G a G a G•

= − − − −4 4 5 5 10 10 11 11 12 12TPId TPI

• Exergía destruida en la Etapa de Baja Presión (TBP)

5 5 6 6 7 7 8 8 9 9TBPd TBPA G a G a G a G a G a W• •

= −− − − −

3cada Etapa de la Turbina se apl apítulo I, de acuerdo a como se

•

43


TAP,

100TAPII

sum TAP

WA

•

η •=

de Presión Intermedia

(54)

• Eficiencia exergética en la Etapa

TPI

,

100TPIII

sum TPI

WA

η•

•= (55)

• Eficiencia exergética en la Etapa de Baja Presión

TBP

,

100TBPII

sum TBP

WA

η•

•= (56)

• Turbina de Vapor

TV

,

100TVII

sum TV

WA

η•

•= (57)

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

3.4A continuación se muestra el desarrollo del procedimiento de cálculo para aplicar las

ecuaciones que se desarrollaron anteriormente para: a) el cálculo de los flujos de vapor, b)

lculo de la eficiencias

de Turbina de primera ley, e) el cálculo de las generaciones de entropías, f) el cálculo del

balance de exergías y g) cálculo de la eficiencia de segunda

muestra a continuación manualmente y también se desarrolló en hoja de cálculo que se

muestra en el apéndice E. Los datos que se usaron para los cálculos se presentan en el

apé

de vapor principal, de

apor recalentado frío, de vapor recalentado caliente, de vapor de escape de la Turbina

el cálculo de las potencias de operación de las diferentes Etapas de Turbina, c) el cálculo

de las potencias ideales de las diferentes Etapas de Turbina, d) el cá

ley. Este procedimiento se

ndice F.

3.4.1.- Cálculo de los flujos de vapor.- Se calcularon los flujos

v

44


de Presión Intermedia y de escape de la Turbina de Baja Presi n. Ésto se hace

después de haber calculado los flujos de vapor a través de las diferentes extracciones

na.

• Flujo de vapor principal.- Se aplica la ecuación (10 b) en la que se incluye el flujo

ó

de la Turbi

de vapor 1

*G que se calcula de la ecuación (10 a), quedando así:

1

* 818,022 93,510 10,162 901,370 ; (250.38 / )kgG kgh= + − = s

1 901,370 642.22 22.032 2,267.28 898,438.4 ; (249.56 / )kgG kg sh= − − − =

Nota: los datos de fugas de vapor por vástagos, se toman de la tabla 28 del apéndice B

• Flujo de vapor recalentado frío.- Aplicando la ecuación (11)

3 898,438.4 3,157 864.7 154.6 894,261.9 ; (248.40 / )kgG kg shr= − − − =

• Flujo de vapor recalentado caliente.- Para este caso se aplica la ecuación (12)

4 894,261.9 0 50,761.14 3000 840,500.5 , (233.47 / )kgG kg s= + − − = h

• Flujo de vapor de escape de la Turbina de Presión Intermedia.- Aplicando la

ecuación (13) se obtiene:

5 840,500.5 2,267.2 56,142.7 34,967.9 38,124.4 392.4G = + − − − −

5kg713,140.0 ; (198.094 / )hG kg s=

• Flujo de vapor de escape al condensador.- De la ecuación (14) se tiene:

6kg713,140.0 17,933.9 23,372.7 31,908.4 639,924.92 ; (177.75 / )hG kg s= − − − =

3.4.2 Cálculo de la potencia de operación de la Turbina de Vapor.- Para calcular la

potencia total de la Turbina de Vapor, primero se hace el cálculo correspondiente para

cada una de las Etapas y posteriormente se hace la suma de esas potencias.

45


• Potencia producida por la Etapa de Alta Presión.- Se obtiene aplicando la

ecuación (15).

1(898,438 3,406.12 ) (894,262 3070.73) 3600TAPkj hW h s

•

• •⎡ ⎤= −⎢ ⎥⎣ ⎦

•

W

• Potencia producida por la Etapa de Presión Intermedia.- Aplicando la ecuación

encia generada por la Turbina de Presión Intermedia.

87,265.10TAPW k•

=

(18), se obtiene la pot

(840,500 3,555.18 ) (2,267.2 3,406.12) (713,140.1 3,057.32)TPI

kJ

• • ••

• •

⎡ ⎤+ − −⎢ ⎥

⎢⎢

1(56,143 3,057.32) (34,967.9 3,206.2) (38,124.4 3,376.18) 3600(392.4 3,057.32)

hW s

h

•

•

⎢ ⎥= − − −⎥⎥

⎣ ⎦

a Presión.

111,634.43TPIW kW•

=

• Potencia producida por la Etapa de Baja Presión.- Aplicando la ecuación (19), se

calcula la potencia de la Turbina de Baj

(713,140.1 3,057.32 ) (17,933.9 2,619.43) (23,372.7 2,688.60)1

3600(31,908.4 2,842.06) (639,924.9 2,513.17)TBP hW kJ s

h

• • ••

•• •

− −⎡ ⎤⎢ ⎥=− −⎢ ⎥⎣ ⎦

a total de la Turbina de Vapor es la suma de las potencias generadas en las

diferentes Etapas, que es:

3.4.3.- Cálculo de la potencia ideal de la Turbina de Vapor

• Potencia isoentrópica producida por la Turbina de Alta Presión.- Esta potencia

e calcula aplicando la ecuación (20),

102,960.83 kWTBPW

•

=

La potenci

301,860.37 kWTVW•

=

s

46


1 (898,438.4 3,406.TAPW•

•⎡= 12)-(894,261.87 2,963.88) 3600iso

kJ hh s• •⎤

⎢ ⎥⎣ ⎦

• Potencia isoentrópica producida por la Etapa de Presión Intermedia.- Se

calcula aplicando la ecuación (21):

113,804.58 WTAPisoW k•

=

(840,500.4 3,555.18)+(2,267.28 3,406.12) (713,140.1 3,022.27)1(56,142.7 3,022.28)-(34,967.99 3,167.71)-(38,124.45 3,337.97) 3600

(489

TPIISOhW s

• • ••

• • • •

⎡ ⎤−⎢ ⎥

⎢ ⎥= −⎢ ⎥⎢−⎣ ⎦

.60 3,022.46) kJh• ⎥

• Potencia isoentrópica producida por la Etapa de Baja Presión.- Se calcula

plicando la ecuación (22).

119,905.20 WTPIISOW k•

=

a

(713,140.1 3,057.32) (17,934 2,464.85)(23,372.7 2,600.47)isoTBPW

••

•

⎡ ⎤− • −⎢ ⎥

⎢ ⎥=⎢

1(31,908.4 2,7774.8) 3600(639,924.9 2,354.4)

hs

kJh

•

•

− • −⎥

⎢ ⎥⎣ ⎦

a potencia total ideal de la Turbina de Vapor se calcula aplicando la ecuación (23) que

es la suma de las potencias isoentrópicas de la

resultado es:

IS k k

133,369.62 WisoTBPW k•

=

L

s diferentes Etapas de la Turbina, y el

, , = 113,804.58 W +119TOT TV OW k•

,905.20 W +133,369.62 W

, , = 367,079.40 WTOT TVISOW k•

47


3.4.4.- Cálculo de la eficiencia isoentrópica de la Turbina de Vapor.- La eficien

isoentrópica de

cia

la Turbina se calcula para cada Etapa y al final se hace el cálculo de la

ficiencia isoentrópica total.

• Eficiencia isoentrópica de la Etapa de Alta Presión.- Se obtiene de la aplicación

e

de la ecuación (25):

87,265.10113,804.58 kTAPiso

kWη = 100W

• 76.68 %TAPisoη =

• Eficiencia isoentrópica de la Etapa de Presión Intermedia.- se obtiene de la

aplicación de la ecuación (26):

111,634.43 100119,905.20TPIiso

kWkW

η = • 93.10 %TPIisoη =

• Eficiencia isoentrópica de la Etapa de Baja Presión.- se obtiene a partir de la

ecuación (27):

102,960.83 kW 100133,369.62 kWTBPisoη •= ; 77.20 %

TBPisoη =

• Eficiencia isoentrópica total de la Turbina de Vapor.- se obtiene aplicando la

cuación (28), por la relación entre la potencia total de operación y la potencia e

isoentrópica total:

301,860.34 100366,079.40TViso

kWkW

η •= 82.23 %TVisoη =

3.4.5 Balance de segunda ley.- A través del balance de segunda ley, se calculan las

diferentes generaciones de entropías en cada una de las Etapas de la Turbina y de la

urbina completa. T

48


• Generación de entropía en la Etapa de Alta Presión.- se aplica la ecuación (30)

quedando así:

1(894 ,261 .8 6 .6035)-( 898,438 .45 6 .4218) - 3600TA PkJ h

h K sσ•

• •⎡ ⎤= ⎣ ⎦ •

de entropía Turbina de Presión Intermedia.- Se aplica la ecuación

1) obteniendo:

37.68 /TA P

kW Kσ•

=

• Generación(3

(713,140.1 7.3608)+(56,142.7 7.3608)+(34,967.9 7.3589)1+(38,124.4 7.33515)+(392.4 7.3608)-(840,500 7.2985)- 3600

(2267.2 6.4218) /TP I

hs

kJ h Kσ

• • ••

• • • •

•

⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥−⎣ ⎦

Generación de entropía Etapa de Baja Presión,- Se aplica la ecuación (32)

15.02 /TP I

kW Kσ =

•

•

quedando así:

(17,933.9 7.8128 (23,372.7 7.5995) (31,908.4.47 7.5132) 1(639,924.9 7TBP

hσ• • • •

••

+ +⎡ ⎤= ⎢ ⎥+⎣

.854) (713,140.1 7.3608) / - 3600kJ h K s•− ⎦

rentes Etapas de la Turbina, aplicando la ecuación (33),

quedando así:

ias exergéticas para cada Etapa de la Turbina.

92.82 /TBP

kW Kσ•

=

• La generación de entropía total en la Turbina es: la suma de las generaciones

de entropía en las dife

37.68 / 15.02 / 92.82 /TBP

kW K kW K kW Kσ•

= + +

145.52 /TBP

kW Kσ•

=

3.4.6 Cálculo exergético.- Se hacen los cálculos para las exergías suministradas, las

exergías destruidas y las eficienc

49


Cálculo de la exergía suministrada en la Etapa de Alta Presión.- Para este cálculo

se evalúan las exergías específicas de las diferentes corrientes de vapor a partir de las

cuaciones (37) y (38).

• Exergía suministrada en la Turbina de Alta Presión.- Se calculan de las exergías

e

específicas de las corrientes de flujo de la Turbina de Alta Presión, de acuerdo a las

ecuaciones (38) y (39):

( )1 3,406.12 111.90 299.817 (6.4218 0.3905) 1,485.94 kJkg•= − − − =

a

( )3 3,070.73 111.90 299.817 (6.6035 0.3905) 1,096.08 kJa kg•= − − − =

y el flujo de la exergía suministrada en la Etapa de Alta Presión, se calcula de acuerdo

a la ecuación (37).

,

(898,438.45 1,485.94) (894,261.87 1,096.09) (3,157.2 1,096.09) 1- (154.6 1,096.09) (392.4 855.62) 3600sum TAP

hA kg kJ sh kg

• • •

•• • •

− −⎡ ⎤⎢ ⎥=

−⎢ ⎥⎣ ⎦

W=

íficas de las corrientes que intervienen,

aplicando las ecuaciones (40), (42), (43), (44) y (45):

, 97,297.4sum TAPA k

• Cálculo de la exergía suministrada en la Etapa de Presión Intermedia.- Se

hacen los cálculos de las exergías espec

( )4 3,555.18 111.90 299.817 (7.2985 0.3905) 1,372.16 kJa kg= − − • − =

( )5 3,057.32 111.90 299.817 (7.3608 0.3905) 855.62 kJa kg= − − • − =

( )10 3,057.32 111.90 299.817 (7.3608 0.3905) 855.62 kJa kg= − − • − =

( )11 3,206.20 111.90 299.817 (7.3589 0.3905) 1,005.07 kJkg= − − • − = a

50


( )12 3,376.18 111.90 299.817 (7.3515 0.3905) 1,177.28kJa kg= − − • − =

( )11 3,406.12 111.90 299.817 (6.4218 0.3905)Sa = − − • − =1,485.94 kJkg

( )6 3,057.32 111.90 299.817 (7.3608 0.3905) 855.62SkJa kg= − − • − =

El flujo de la exergía suministrada a la Etapa de Presión Intermedia se calcula

aplicando la ecuación (40)

,

(840,500.4 1,372.16) (2,267.2 1,485.94) (38,124.4 1,177.28)1(34,967.9 1,005.07) (56,142.7 855.62) (713,140.1 855.62)

3600(392.4 855.62)

sum TPIhA

skg kJ

h kg

• • •

• • •

• •

⎡ ⎤+ −⎢ ⎥

⎢ ⎥= − − −⎢ ⎥⎢ ⎥−⎢ ⎥⎣ ⎦

•

kW

• Cálculo de la exergía suministrada en la Etapa de Baja Presión.- El cá ulo de

las exergías específicas de las corrientes de flujo de la Turbina de Baja Presión se

ace aplicando las ecuaciones (47), (48), (49) y (50).

116,137A =, .0sumTPI

lc

h

( )6 2,514.56 111.90 299.817 (7.8540 0.3905) 165.01 kJkg•= − − − = a

( )7 2,619.43 111.90 299.817 (7.8128 0.3905) 282.23 kJa kg•= − − − =

( )8 2,688.60 111.90 299.817 (7.5995 0.3905) 415.35 kJkg•= − − − = a

( )9 2,842.06 111.90 299.817 (7.5132 0.3905) 594.67 kJa kg•= − − − =

apa de Baja Presión, se calcula aplicando la

ecuación (46).

El flujo de la exergía suministrada a la Et

( ),

(713,140.1 855.62) 17,933.9 282.23 (23,372.7 415.35) 13600(31,908.45 594.68) (639,924.9 165.01)sumTBP

hA kg kJ sh kg

• • •

•• • •

⎡ ⎤− −⎢ ⎥=⎢ ⎥− −⎣ ⎦

51


, 130,789.1sum TBPA kW=

• Exergía total suministrada a la Turbina de Vapor.- Se calcula como la suma de

las exergías suministradas en cada Etapa de la Turbina, obteniéndose así:

• Cálculo de la exergía destruida en la Etapa de Alta Presión.- Aplicando la

ecuación (51), se tiene:

W

• Cálculo de la exergía destruida en la Etapa de Presión Intermedia.- De acuerdo

la Etapa de Baja Presión.- Aplicando la

ecuación (53) nos queda:

• La destrucción total de la exergía en la Turbina de Vapor es:

, 344,223.4sumTVA kW=

, - = 97,297.4 87,265.10sum TAP TAPTAPAd A W kW k• •

= −

10,032.25TAPAd kW•

=

a la ecuación (52) se tiene:

, - =116,137.0 111,634.43TPIsum TPITPIAd A W• •

= −

4,502.56TPIAd kW•

=

• Cálculo de la exergía destruida en

130,789.1 - 102,960.83TBPAd =

•

27,828.25TBPAd kW= •

= 42,363.07 WTVdA k•

52


• Cálculo de la eficiencia exergética de la Etapa de Alta Presión.- De la ecuación

(54) se obtiene:

TAP

87,265.1 100 89.69 %97,297.4IIη •= =

• Cálculo de la eficiencia exergética de la Etapa de Presión Intermedia.- Aplicando la ecuación (55) se obtiene:

TPI

111,634.43 100 96.12 %116,137.00IIη •= =

• Cálculo de la eficiencia exergética de la Etapa de Baja Presión.- Aplicando la

ecuación (56) se obtiene:

TBP

102,960.83 100 78.72 %130,789.09IIη •= =

La eficiencia exergética total de la Turbina se calcula por medio de la ecuación (57), y queda como:

TV

301,860.37 100 87.69 %344,223.40IIη •= =

Los cálculos anteriores se confirmaron con el programa desarrollado en la hoja de cálculo mostrada en el apéndice E.

53

ANÁLISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA DE CARBÓN CAPÍTULO IV

CAPÍTULO IV

54


ANÁLISIS DE RESULTADOS En este capítulo se analizan los resultados obtenidos en el capítulo III, comparando los

resultados de operación con los resultados de diseño de la Turbina de Vapor. Por medio

de este análisis se determina el estado térmico operativo en que se encuentra la Turbina

de Vapor, y se identifican los problemas de baja eficiencia y de disminución de la potencia

producida. Con esta información se pueden determinar las posibles causas de estos

problemas y en consecuencia tomar decisiones sobre las partes de la turbina a revisar y

reparar durante su mantenimiento.

4.1 COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO A CONDICIONES DE OPERACIÓN El comportamiento energético de la Turbina de Vapor se obtuvo a partir del balance de

primera ley, desarrollado en el inciso 3.1 del capítulo III. Los resultados presentados

corresponden a las condiciones de operación a potencia máxima; en estas condiciones,

los flujos de vapor en la turbina se muestran en la tabla 11.

Tabla 11.- Flujos de vapor calculados en la Turbina de Vapor a potencia máxima a condiciones de operación

TAP TPI TBP G1 898.44G3 894.26G4 840.50G5 713.14G6 639.92G7 17.93G8 23.37G9 31.91G10 56.14G11 34.97G12 38.12G13 50.76

FLUJOS DE VAPOR EN CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA TURBINA (ton/h)

Las potencias generadas por la turbina se muestran en la tabla 12

55


Tabla 12.- Potencia de operación de la Turbina de Vapor, a potencia máxima

POTENCIA DE OPERACIÓN, PRODUCIDA POR LAS ETAPAS DE LA TURBINA DE VAPOR

POTENCIA DE LA ETAPA DE ALTA PRESIÓN 87,265.10 kW POTENCIA DE LA ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA 111,634.43 kW POTENCIA DE LA ETAPA DE BAJA PRESIÓN 102,960.83 kW POTENCIA TOTAL DE LA TURBINA DE VAPOR 301,860.37 kW

Las eficiencias energéticas o isoentrópicas obtenidas se muestran en la tabla 13.

Tabla 13.- Eficiencia isoentrópica de la Turbina de Vapor a potencia máxima a condiciones de operación

CÁLCULO DE LA EFICIENCIA ISOENTRÓPICA DE OPERACIÓN DE LA TURBINA DE VAPOR

ETAPA DE ALTA PRESIÓN 76.68 % ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA 93.10 % ETAPA DE BAJA PRESIÓN 77.20 % TOTAL TURBINA DE VAPOR 82.23 %

4.2 COMPORTAMIENTO EXERGÉTICO A CONDICIONES DE OPERACIÓN El comportamiento exergético de la Turbina de Vapor a las condiciones de operación a

potencia máxima, se obtienen a partir del balance de segunda ley, desarrollado en el

inciso 3.3 del capítulo III. Los resultados de la exergía suministrada se muestran en la

tabla 14

Tabla 14.- Exergía suministrada en la Turbina de Vapor a potencia máxima a condiciones de operación

CÁLCULO DE LA EXERGÍA SUMINISTRADA A LA TURBINA DE VAPOR

ETAPA DE ALTA PRESIÓN 97,297.4 kW ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA 116,137.0 kW ETAPA DE BAJA PRESIÓN 130,789.1 kW TOTAL TURBINA DE VAPOR 344,223.4 kW

Los resultados de la exergía destruida se muestran en la tabla 15

56


Tabla 15.- Exergía destruida en la Turbina de Vapor a potencia máxima a condiciones de operación

CÁLCULO DE LA EXERGÍA DESTRUIDA EN LA TURBINA DE VAPOR

ETAPA DE ALTA PRESIÓN 10,032.3 kW ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA 4,502.6 kW ETAPA DE BAJA PRESIÓN 27,828.3 kW TOTAL TURBINA DE VAPOR 42,363.1 kW

Los resultados obtenidos de la eficiencia Exergética se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 16.- Eficiencia exergética de la Turbina de Vapor a potencia máxima a condiciones

de operación

CÁLCULO DE LA EFICIENCIA EXERGÉTICA DE OPERACIÓN DE LA TURBINA DE VAPOR

ETAPA DE ALTA PRESIÓN 89.69 % ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA 96.12 % ETAPA DE BAJA PRESIÓN 78.72 % TOTAL TURBINA DE VAPOR 87.69 %

4.3 COMPARACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO ENTRE CONDICIONES DE DISEÑO Y DE OPERACIÓN

Se hace la comparación entre los flujos de vapor, la potencia desarrollada y la eficiencia

energética de la Turbina de Vapor operando a las condiciones de diseño y de operación,

también se incluyen las diferencias entre los valores correspondientes.

4.3.1 Flujos de vapor de la turbina.- Una vez obtenidos los valores de

comportamiento Energético de operación, se comparan con los de diseño. En la tabla 17

se muestran los flujos de vapor obtenidos.

57


Tabla 17.- Comparación del flujo másico de vapor principal de la turbina entre las condiciones de diseño y de operación

TABLA COMPARATIVA DE LOS FLUJOS MÁSICOS DE VAPOR PRINCIPAL EN LA TURBINA (OPERACIÓN CONTRA DISEÑO)

DISEÑO OPERACIÓN DIF. (D - O) DIF. %

G1 VAPOR PRINCIPAL ton/h 856.75 898.44 -41.69 -4.87

Se observa que el flujo de vapor a través de las etapas de la turbina a las condiciones de

operación, es mayor que los valores de diseño, y esta diferencia se mantiene constante

durante todo el proceso de expansión del vapor en la turbina, se determina, que se está

utilizando un flujo de vapor principal adicional, de 41.69 ton/h, en las condiciones de

operación que en las de diseño, para generar la potencia de salida en la turbina. Esto se

muestra gráficamente en la figura 4.1

GRÁFICA COMPARATIVA DEL FLUJO DE VAPOR PRINCIPAL DE LA TURBINA

-50.00

150.00

350.00

550.00

750.00

950.00

ton/

h

G1 VAPORPRINCIPAL

856.75 898.44 -41.69 -4.87

DISEÑO OPERACIÓN DIF. (D - O) DIF. %

Figura 4.1.- Comparación del flujo de vapor principal de la Turbina de Vapor entre las condiciones de operación y de diseño

58


4.3.2 Potencia desarrollada por la Turbina de Vapor.- La potencia desarrollada por la

Turbina de Vapor en sus diferentes etapas para las condiciones de diseño y de operación,

se muestra en la tabla 18

Tabla 18.- Comparación entre la potencia producida por la Turbina de Vapor en sus diferentes etapas

TABLA COMPARATIVA DEL COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA PRODUCIDA POR LA TURBINA DE

VAPOR DURANTE LA OPERACIÓN CONTRA LA POTENCIA DE DISEÑO DISEÑO OPERACIÓN DIF. (O-D) DIF. %

ETAPA DE ALTA PRESIÓN kW 95,743 87,265 -8,478 -8.86 ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA kW 109,904 111,634 1,731 1.57 ETAPA DE BAJA PRESIÓN kW 109,797 102,961 -6,837 -6.23 TURBINA DE VAPOR kW 315,444 301,860 -13,584 -13.51

La Turbina de Alta Presión produce 8,478 kW menos potencia, que la correspondiente a la

de diseño para esta carga.

La Turbina de Presión Intermedia a las condiciones de operación está produciendo más

potencia (1,731 kW) que la correspondiente a las condiciones de diseño.

Se considera que ésto se debe al incremento en el flujo de vapor y a una mejor eficiencia.

La Turbina de Baja Presión está produciendo a las condiciones de operación menos

potencia (6,837 kW) que la correspondiente al diseño. Las consecuencias de estas

pérdidas de potencia, se analizarán en el cálculo de la eficiencia.

En la figura 4.2 se comparan en forma gráfica las potencias producidas en las diferentes etapas de la Turbina de Vapor.

59


GRÁFICA COMPARATIVA DE LA POTENCIA PRODUCIDA POR LA TURBINA DE VAPOR

-20,000

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

POTE

NC

IA k

W

DISEÑO 95,743 109,904 109,797OPERACIÓN 87,265 111,634 102,961DIF. (O-D) -8,478 1,731 -6,837

ETAPA DE ALTA PRESIÓN

ETAPA DE PRESIÓN

ETAPA DE BAJA PRESIÓN

Figura 4.2.- Comparación de la potencia producida por la Turbina de Vapor en sus diferentes etapas a las condiciones de diseño y de operación 4.3.3 Eficiencia de la Turbina de Vapor.- Las eficiencias isoentrópicas de la Turbina de

Vapor en sus diferentes etapas se muestran en la tabla 19. Ahí se indican los valores

correspondientes a las condiciones de diseño, de operación y las diferencias entre las

mismas.

Tabla 19.- Comparación de las eficiencias isoentrópicas de la Turbina de Vapor entre las condiciones de operación y de diseño

TABLA COMPARATIVA DE LA EFICIENCIA ISOENTRÓPICA DE OPERACIÓN CONTRA LA EFICIENCIA DE DISEÑO, DE LA TURBINA DE VAPOR

DISEÑO OPERACIÓN DIF. (O-D) DIF. % ETAPA DE ALTA PRESIÓN % 84.61 76.68 -7.94 -9.38 ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA % 93.41 93.10 -0.31 -0.33 ETAPA DE BAJA PRESIÓN % 84.06 77.33 -6.73 -8.01 TOTAL TURBINA % 87.28 82.28 -5.00 -5.73

60


La eficiencia isoentrópica de la Turbina de Vapor presenta una desviación con respecto

a los valores de diseño como se muestra en la tabla 19. La eficiencia de la Turbina de

Alta Presión tiene una desviación de 7.94 %, la Turbina de Presión Intermedia una

desviación de 0.31 % y la Turbina de Baja Presión una desviación de 6.73 %. La pérdida

de eficiencia total de la turbina corresponde a 5.73%. Estas pérdidas de eficiencia en las

etapas de Alta y Baja Presión ocasionan la pérdida de potencia total en las condiciones

de operación como se indicó en la tabla 18.

En la figura 4.3 se muestra gráficamente la comparación de las eficiencias de la turbina.

GRÁFICA COMPARATIVA DE LA EFICIENCIA ISOENTRÓPICA DE LA TURBINA DE VAPOR

-20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

%

DISEÑO 84.61 93.41 84.06 87.28OPERACIÓN 76.68 93.10 77.33 82.28DIF. (O-D) -7.94 -0.31 -6.73 -5.00DIF. % -9.38 -0.33 -8.01 -5.73


ETAPA DE PRESIÓN


TOTAL TURBINA

Figura 4.3.- Comparación de la eficiencia isoentrópica de la Turbina de Vapor, entre las condiciones de diseño y de operación 4.3.3 Curva de la expansión del vapor en la turbina.- La curva de expansión del

vapor en la turbina, se muestra en la figura 4.4 en el diagrama temperatura-

entropía (T-s). Los valores indicados en la figura se muestran en la tabla 20 y

corresponden a las condiciones de diseño y de operación.

61


UNIDAD : 4 MW

MW

0

CURVA DE EXPANSIÓN DE LA TURBINA (T-s)

301,860.4POTENCIA OPERACIÓN:

POTENCIA DISEÑO: 315,444.1

7.39, 290.97

7.32, 538.00

7.35, 449.67

7.37, 378.83

6.42, 538.00

7.51, 67.35

7.50, 95.05

7.45, 164.98

6.54, 319.04

7.74, 47.90

6.42, 541.06

6.60, 336.15

7.30, 545.42

7.35, 457.26

7.36, 373.00

7.36, 297.80

7.60, 104.01

7.51, 185.04

7.85, 49.07

7.81, 66.11

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

6.206.30

6.406.50

6.606.70

6.806.90

7.007.10

7.207.30

7.407.50

7.607.70

7.807.90

8.00

ENTROPIA " s " kJ / kg-°K

TEM

PER

ATU

RA

°C

DISEÑO

OPERACION

3

10

1

4

67

8

9

11

12

13

5

Figura 4.4.- Diagrama T-s de expansión del vapor en la Turbina de Vapor a las condiciones de diseño y de operación

Tabla 20.- Propiedades del vapor de operación y de diseño, expansión del vapor en la

turbina T-s

TEMP. ENTROPÍA TEMP. ENTROPÍA

°C kJ/kg-°K °C kJ/kg-°K1 538.00 6.42 541.06 6.423 319.04 6.54 336.15 6.60

13 319.04 6.54 334.66 6.604 538.00 7.32 545.42 7.30

12 449.67 7.35 457.26 7.3511 378.83 7.37 373.00 7.3610 290.97 7.39 297.80 7.365 290.97 7.39 297.80 7.369 EXTRACC. DE VAPOR #3 164.98 7.45 185.04 7.518 EXTRACC. DE VAPOR # 2 95.05 7.50 104.01 7.607 EXTRACC. DE VAPOR # 1 67.35 7.51 66.11 7.816 47.90 7.74 49.07 7.85VAPOR DE ESCAPE DE LA T.B.P.

EXTRACC. DE VAPOR # 6EXTRACC. DE VAPOR # 5EXTRACC. DE VAPOR # 4VAPOR DE ESCAPE DE LA T.P.I. (ENTRADA TBB)

VAPOR PRINCIPAL (ENTRADA TAP)VAPOR RECALENTADO FRÍO (ESCAPE TAP)EXTRACC. DE VAPOR # 7VAPOR RECALENTADO CALIENTE (ENTRADA TPI)

MED. PARAMETRO

DISEÑO OPERACIÓN

62


La temperatura de salida de la Turbina de Alta Presión a las condiciones de operación es

17.11 °C mayor que la de diseño, lo que indica que esta etapa de la turbina presenta

problemas internos en las ruedas rotoras o estatoras debidas a fugas internas entre

pasos o reducción del área de paso entre las ruedas.

La Turbina de Presión Intermedia presenta un comportamiento de operación más

cercano al de diseño; la temperatura de escape en las condiciones de operación es 6.83

°C mayor que la de diseño, la entropía es 0.02 kJ/kg-K menor en las condiciones de

operación que las de diseño, lo que indica que esta etapa de la turbina esta trabajando

correctamente.

La Turbina de Baja Presión presenta un incremento de temperatura en el escape de 1.17

°C así como incremento en la entropía de 0.12 kJ/kg-K.

En la tabla 21 se muestran los parámetros de temperatura y entropía del vapor en la

turbina incluyendo las diferencias de los valores en las condiciones de operación contra

los valores de diseño.

Tabla 21.- Diferencia de temperaturas y entropías entre condiciones de diseño y de operación

TEMP. ENTROPÍA TEMP. ENTROPÍA TEMP. ENTROPÍA

°C kJ/kg-°K C kJ/kg-°K °C kJ/kg-°K

1 538.00 6.42 541.06 6.42 -3.06 0.00

3 319.04 6.54 336.15 6.60 -17.11 -0.06

4 VAPOR RECALENTADO CALIENTE 538.00 7.32 545.42 7.30 -7.42 0.025 VAPOR DE ESCAPE DE LA T.P.I. 290.97 7.39 297.80 7.36 -6.83 0.026 VAPOR DE ESCAPE DE LA T.B.P. 47.90 7.74 49.07 7.85 -1.17 -0.12

VAPOR PRINCIPAL

VAPOR RECALENTADO FRíO

PARAMETRONo.DIF. (D-O)DISEÑO OPERACIÓN

63


La curva de expansión del vapor de la Turbina de Vapor en el diagrama entalpía-

entropía (h-s) se muestra en la figura 4.5 y los valores graficados se encuentran en la

tabla 22

UNIDAD : 4 MW

MW

0

CURVA DE EXPANSIÓN DE LA TURBINA (h-s)

POTENCIA DISEÑO: 315,444.1

301,860.4POTENCIA OPERACIÓN:

1

3

510

1

4

6

7

8

9

11

12

13

7.32, 3541.30

7.35, 3360.65

7.37, 3218.15

7.39, 3044.70

7.74, 2467.06

6.54, 3028.88

7.45, 2802.12

7.50, 2669.59

7.51, 2523.72

6.42, 3399.18

7.81, 2619.43

7.85, 2514.56

7.51, 2842.06

7.60, 2688.60

7.36, 3057.32

7.36, 3206.20

7.35, 3376.18

7.30, 3555.18

6.60, 3070.73

6.42, 3406.12

2300

2400

2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

3500

3600

6.206.30

6.406.50

6.606.70

6.806.90

7.007.10

7.207.30

7.407.50

7.607.70

7.807.90

8.00ENTROPÍA " s " kJ / kg-°K

ENTA

LPÍA

kJ/

kg

DISEÑO

OPERACION

3

510

1

4

67

8

9

11

12

13

Figura 4.5.- Diagrama h-s de expansión del vapor en la Turbina de Vapor a las condiciones de diseño y de operación Tabla 22.- Propiedades del vapor de operación y de diseño expansión del vapor en la turbina h-s.

ENTALPÍA ENTROPÍA ENTALPÍA ENTROPÍA

kJ/kg kJ/kg-°K kJ/kg kJ/kg-°K1 3399.18 6.42 3406.12 6.423 3028.88 6.54 3070.73 6.60

13 3028.88 6.54 3067.03 6.604 3541.30 7.32 3555.18 7.30

12 3360.65 7.35 3376.18 7.3511 3218.15 7.37 3206.20 7.3610 3044.70 7.39 3057.32 7.365 3044.70 7.39 3057.32 7.369 EXTRACC. DE VAPOR #3 2802.12 7.45 2842.06 7.518 EXTRACC. DE VAPOR # 2 2669.59 7.50 2688.60 7.607 EXTRACC. DE VAPOR # 1 2523.72 7.51 2619.43 7.816 2467.06 7.74 2514.56 7.85

MED. PARAMETRO

DISEÑO OPERACIÓN

VAPOR PRINCIPAL (ENTRADA TAP)VAPOR RECALENTADO FRÍO (ESCAPE TAP)EXTRACC. DE VAPOR # 7VAPOR RECALENTADO CALIENTE (ENTRADA TPI)

VAPOR DE ESCAPE DE LA T.B.P.

EXTRACC. DE VAPOR # 6EXTRACC. DE VAPOR # 5EXTRACC. DE VAPOR # 4VAPOR DE ESCAPE DE LA T.P.I. (ENTRADA TBP)

64


En el diagrama entalpía-entropía (h-s) de la figura 4.5 se observa un incremento en la

entalpía del vapor de escape de la Turbina de Alta Presión de 41.85 kJ/kg a las

condiciones de operación con respecto a las de diseño, lo que indica que en esta etapa

de la turbina presentan problemas internos.

En la Etapa de Presión Intermedia se tiene un incremento en la entalpía de escape de

12.62 kJ/kg a las condiciones de operación con respecto a las de diseño.

La Etapa de Baja Presión muestra un incremento de la entalpía en el escape de la

Turbina de Baja Presión de 47.50 kJ/kg confirmando que el vapor sale con más energía

en las condiciones de operación que en las de diseño y que es necesaria su revisión

interna.

En la tabla 23 se muestran los valores de entalpías y entropías de operación y de

diseño, así como la diferencia entre los mismos.

Tabla 23.- Valores de entalpías y entropías a condiciones de diseño y de operación.

ENTALPÍA ENTROPÍA ENTALPÍA ENTROPÍA ENTALPÍA ENTROPÍAkJ/kg kJ/kg-°K kJ/kg kJ/kg-°K kJ/kg kJ/kg-°K

1 3399.18 6.42 3406.12 6.42 -6.94 0.00

2 3028.88 6.54 3070.73 6.60 -41.85 -0.06

3 VAPOR RECALENTADO CALIENTE 3541.30 7.32 3555.18 7.30 -13.88 0.02

4 VAPOR DE ESCAPE DE LA T.P.I. 3044.70 7.39 3057.32 7.36 -12.62 0.02

5 VAPOR DE ESCAPE DE LA T.B.P. 2467.06 7.74 2514.56 7.85 -47.50 -0.12

VAPOR RECALENTADO FRÍO

PARAMETRONo.

VAPOR PRINCIPAL

DIF. (D-O)OPERACIÓNDISEÑO

4.3.5 Consumo específico de vapor.- El consumo específico de vapor en la turbina

representa el flujo de vapor requerido para producir un MW de potencia. Este parámetro

indica en forma general el aprovechamiento de la energía térmica del vapor en las

diferentes etapas de la turbina para producir potencia. En la tabla 24 se indican los valores

obtenidos del consumo específico de vapor en las condiciones de diseño y de operación.

65


Tabla 24.- Consumo específico de vapor en la turbina a las condiciones de diseño y de

operación

DISEÑO OPERACIÓN DIF. (O-D) DIF. %

CONSUMO ESPECÍFICO 2.86 3.01 0.151 5.28ton vap/MW

CONSUMO ESPECÍFICO DE VAPOR EN LA TURBINA

En las condiciones de operación de la Turbina de Vapor se tiene un consumo específico

de vapor adicional de 0.151 ton. de vapor por MW de potencia producida; ésto se

representa gráficamente en la figura 4.6

GRÁFICA COMPARATIVA DEL CONSUMO ESPECÍFICO DE VAPOR DE LA TURBINA

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

ton

vapo

r/MW

CONSUMO ESPECÍFICO 2.86 3.01 0.151 5.28

DISEÑO OPERACIÓN DIF. (O-D) DIF. %

Figura 4.6.- Comparación del consumo específico de vapor en la turbina entre las condiciones de diseño y de operación Este incremento en el consumo de vapor es debido a la pérdida de eficiencia de la turbina,

tal como se muestra en la tabla 19 y en la figura 4.3, en donde de manera global la turbina

a las condiciones de operación, presenta una pérdida de eficiencia de 5.06 % con respecto

a las condiciones de diseño.

66


4.4 COMPARACIÓN DEL COMPORTAMIENTO EXERGÉTICO ENTRE CONDICIONES DE DISEÑO Y DE OPERACIÓN Aquí se hace la comparación entre la eficiencia exergética de la Turbina de Vapor, la

exergía suministrada y la exergía destruida en las diferentes etapas de la turbina,

operando a las condiciones de diseño y de operación. También se incluyen las diferencias

entre los valores.

4.4.1 Eficiencia Exergética.- La eficiencia Exergética de la Turbina de Vapor en sus

diferentes etapas se muestra en la tabla 25. Ahí se indican los valores correspondientes

a las condiciones de diseño y de operación, así como las diferencias entre las mismas.

Tabla 25.- Comparación de las eficiencias exergéticas de la turbina de vapor a las condiciones de diseño y de operación.

TABLA COMPARATIVA DE LA EFICIENCIA EXERGÉTICA DE OPERACIÓN CONTRA LA EFICIENCIA EXERGÉTICA

DE DISEÑO, DE LA TURBINA DE VAPOR DISEÑO OPERACIÓN DIF. (O-D) DIF. %

ETAPA DE ALTA PRESIÓN % 94.71 89.69 -5.02 -5.31 ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA % 96.24 96.12 -0.12 -0.12 ETAPA DE BAJA PRESIÓN % 85.12 78.72 -6.40 -7.52 TOTAL TURBINA % 91.63 87.69 -3.93 -4.29

La eficiencia exergética de la Turbina de Vapor a las condiciones de operación presenta

una diferencia con respecto a los valores de diseño; esta diferencia se muestra en la

tabla 25 en donde la eficiencia exergética de la Turbina de Alta Presión a las condiciones

de operación es menor a la de diseño en 5.02 %; la Turbina de Presión Intermedia a las

condiciones de operación, tiene una eficiencia exergética menor de 0.12 %; la Turbina

de Baja Presión a las condiciones de operación, tiene una eficiencia exergética menor de

6.40 % y la eficiencia exergética total, de la turbina a las condiciones de operación

corresponde a 3.93 % menor a la de diseño. Esta pérdida de eficiencia exergética es

mayor en las etapas de Alta y Baja Presión y es congruente con los resultados obtenidos

de la eficiencia energética indicados en la tabla 19.

67


En la figura 4.7 se muestra gráficamente la comparación de las eficiencias exergéticas.

GRÁFICA COMPARATIVA DE LA EFICIENCIA EXERGÉTICA DE LA TURBINA DE VAPOR

-20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00%

DISEÑO 94.71 96.24 85.12 91.63OPERACIÓN 89.69 96.12 78.72 87.69DIF. (O-D) -5.02 -0.12 -6.40 -3.93DIF. % -5.31 -0.12 -7.52 -4.29


ETAPA DE PRESIÓN

INTERMEDIA


TOTAL TURBINA

Figura 4.7.- Comparación de las eficiencias Exergéticas en las diferentes etapas de la Turbina de Vapor en las condiciones de diseño y de operación

Como se observa, cuando es mayor la temperatura de entrada a la turbina, la eficiencia

Exergética tiende a ser mayor [5], de manera que en la Etapa de Baja Presión por tener

una temperatura del fluido de trabajo menor a las Etapas de Alta y Presión Intermedia le

corresponderá una eficiencia Exergética menor.

4.4.2 Exergía suministrada en la Turbina de Vapor.- La Exergía suministrada a la

Turbina de Vapor en sus diferentes etapas se muestran en la tabla 26, en donde se

indican los valores correspondientes a las condiciones de diseño y de operación, así

como las diferencias entre las mismas.

Tabla 26.- Comparación de las exergías suministradas a la turbina de vapor a las condiciones de diseño y de operación

TABLA COMPARATIVA DE LA EXERGÍA SUMINISTRADA DE OPERACIÓN CONTRA LA EXERGÍA SUMINISTRADA DE DISEÑO, DE LA TURBINA DE VAPOR

DISEÑO OPERACIÓN DIF. (O-D) DIF. % ETAPA DE ALTA PRESIÓN kW 101,087 97,297 -3,790 -3.75 ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA kW 114,195 116,137 1,942 1.70 ETAPA DE BAJA PRESIÓN kW 128,989 130,789 1,800 1.40 TOTAL TURBINA kW 344,271 344,223 -48 -0.0138

68


Se observa que la Turbina de Baja Presión es a la que se le suministra mayor cantidad de

exergía; ésto se debe a que las últimas etapas operan a presión de vacío y temperaturas

muy próximas a la temperatura de referencia T0.

En la figura 4.8.- Se muestra en forma gráfica, las exergías suministradas en cada etapa

de la turbina, así como la exergía total suministrada, tanto a las condiciones de diseño

como de operación.

GRÁFICA COMPARATIVA DE LA EXERGÍA SUMINISTRADA A LA TURBINA DE VAPOR

-100,000

0

100,000

200,000

300,000

400,000

kW

DISEÑO 101,087 114,195 128,989 344,271OPERACIÓN 97,297 116,137 130,789 344,223DIF. (O-D) -3,790 1,942 1,800 -48DIF. % -3.75 1.70 1.40 -0.0138


ETAPA DE PRESIÓN

INTERMEDIA

ETAPA DE BAJA PRESIÓN TOTAL TURBINA

|

Figura 4.8.- Comparación de las Exergías suministradas en la Turbina de Vapor en las condiciones de diseño y de operación

4.4.3 Exergía destruida en la Turbina de Vapor.- La exergía destruida en la Turbina de

Vapor en sus diferentes etapas se muestra en la tabla 27. Ahí se indican los valores

correspondientes a las condiciones de diseño y de operación, así como las diferencias

entre las mismas.

Tabla 27.- Comparación de la exergía destruida la turbina de vapor a las condiciones de diseño y de operación.

69


TABLA COMPARATIVA DE LA EXERGÍA DESTRUIDA DE OPERACIÓN CONTRA LA EXERGÍA DESTRUIDA DE DISEÑO, DE LA TURBINA DE VAPOR

DISEÑO OPERACIÓN DIF. (O-D) DIF. %ETAPA DE ALTA PRESIÓN kW 5,344 10,032 4,688.51 87.74 ETAPA DE PRESIÓN INTERMEDIA kW 4,291 4,503 211.37 4.93 ETAPA DE BAJA PRESIÓN kW 19,192 27,828 8,636.16 45.00 TOTAL TURBINA kW 28,827 42,363 13,536.04 46.96

De los datos de la tabla 27, es en la Etapa de Baja Presión, en donde se destruye la

mayor cantidad de exergía; en las condiciones de operación, la diferencia con respecto a

la de diseño, es de 8,636.16 kW. Le sigue la Etapa de Alta Presión con una diferencia de

4,688.51 kW más para las condiciones de operación que la de diseño y finalmente, es la

Etapa de Presión Intermedia en donde esa diferencia es menor (211.37 kW). Este

comportamiento se observa gráficamente en la figura 4.9.

GRÁFICA COMPARATIVA DE LA EXERGÍA DESTRUIDA DE LA TURBINA DE VAPOR

05,000

10,00015,00020,00025,00030,00035,00040,00045,000

kW

DISEÑO 5,344 4,291 19,192 28,827OPERACIÓN 10,032 4,503 27,828 42,363DIF. (O-D) 4,688.51 211.37 8,636.16 13,536.04DIF. % 87.74 4.93 45.00 46.96


ETAPA DE PRESIÓN

INTERMEDIA


TOTAL TURBINA

Figura 4.9.- Comparación de las exergías destruidas en la Turbina de Vapor, en las condiciones de diseño y operación En las figuras 4.10, 4.11 y 4.12 se muestran los parámetros de comportamiento de las tres etapas de la turbina, comparándose los resultados obtenidos durante la operación contra los obtenidos de diseño, a máxima potencia.

70


G1 898,438S1 P1 168.03S2 T1 541.064

H1 3406.121

S11

G3 894,262 G13 50,761P3 35.10 P13 35.10T3 336.150 T13 335H3 3070.729 H13 3,067

84.61 % 76.68 % -7.94 %94.71 % 89.69 % -5.02 %

95,743.2 KW 87,265.1 KW -8,478.1 KW5,343.7 KW 10,032.3 KW 4,688.5 KW

OPERACIÓN

TURBINA DE ALTA PRESIÓN

S3 S4 S5

EFICIENCIA ENERGETICA

EXERGIA DESTRUIDA

DIF.(O-D)

EFICIENCIA EXERGETICAPOTENCIA APORTADA

DISEÑO

Figura 4.10.- Comportamiento de la Etapa de Alta Presión en condiciones de diseño y operación

G4 840,500 G5 713,140P4 34.297 P5 6.07T4 545.420 T5 298H4 3555.180 H5 3,057

S6

Ext N° 5G16 38,124P16 18.30 G15 34,968T16 457 P15 10.44 G14 56,143H16 3,376 T15 373 P14 6.07

H15 3,206 T14 298H14 3,057

OPERACIÓN% 93.10 -0.31 %% 96.12 -0.12 %

KW 111,634.4 1,730.9 KWKW 4,502.6 211.4 KW

EFICIENCIA ENERGETICAEFICIENCIA EXERGETICAPOTENCIA APORTADA

TURBINA DE PRESION INTERMEDIA

DISEÑO

Ext N° 6

S11

109,903.54,291.2

Ext N° 4

93.41DIF.(O-D)

96.24

EXERGIA DESTRUIDA


GENERADOR DE VAPOR

CAL. ALTA PRESIÓN N° 7

VAPOR RECALENTADO CALIENTE

VAPOR DE ESCAPE TPI

Figura 4.11.- Comportamiento de la Etapa de Presión Intermedia en condiciones de diseño y operación

71


G5 713,140P5 6.07T5 298H5 3,057

S8 S8

Ext N° 1 Ext N° 2 Escape TBPG7 17,934 G9 31,908 G8 23,373 G6 639,925P7 0.26 P9 1.73 P8 0.64 P6 0.119T7 66 T9 185 T8 104 T6 49H7 2,619 H9 2,842 H8 2,689 H6 2,515

% 84.06 %% 85.12 %

KW 109,797.3 KWKW 19,192.1 KW

TURBINA DE BAJA PRESIÓN

Ext N° 3

EFICIENCIA ENERGETICAEFICIENCIA EXERGETICA

-6,836.5

DISEÑO

POTENCIA APORTADA-6.40-6.73

DIF.(O-D)77.33

OPERACION

8,636.2102,960.827,828.3EXERGIA DESTRUIDA

78.72

VAPOR DE ESCAPE TPI

Figura 4.12.- Comportamiento de la Etapa de Baja Presión en condiciones de diseño y operación

72

ANÁLISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA DE CARBÓN CONCLUSIONES

73


CONCLUSIONES En este trabajo se desarrolló y aplicó la metodología de cálculo termodinámico con la

finalidad de contar con un modelo matemático adecuado para determinar las eficiencias

Energéticas y Exergéticas de la Turbina. Previo a los cálculos de eficiencias, fue necesario

ordenar de manera sistemática la información requerida, tanto para las condiciones de

operación como las de diseño. Para las condiciones de operación se tomaron lecturas de

las variables requeridas en tiempo real y para las condiciones de diseño se obtuvo la

información de los balances térmicos proporcionados por el fabricante.

Todos los cálculos se realizaron en las condiciones de operación y de diseño a carga

máxima disponible de generación. Se compararon los resultados para las condiciones de

operación y de diseño, en flujos de vapor suministrados y extraídos, en flujos de exergías

suministradas y extraídas y en eficiencias energéticas y exergéticas.

Los principales resultados se indican a continuación:

La Turbina a carga máxima de operación, genera 301.864 MW, mientras que a

condiciones de diseño, genera 350 MW. Ésta es una diferencia importante que se ha ido

generando con los años de operación, porque antes del 2006, la Turbina llegaba a generar

los 350 MW. Ésto indica que sus condiciones de operación han cambiado y se supone que

se debe en parte a daños internos y a la limitación en la producción de vapor del

Generador de Vapor.

La comparación se realizó; entre las condiciones de operación de 301.860 MW y con

condiciones de diseño de 315 MW, esta potencia de diseño es la que corresponde al flujo

de vapor principal de operación.

La comparación de los flujos de vapor indica que actualmente la Turbina requiere de un

flujo de vapor adicional al de diseño de 41.69 ton/h, lo que provoca que en el Generador

de Vapor se consuma una cantidad mayor de combustible para producir este flujo

adicional de vapor. Ésto es consecuencia de que la Turbina presenta una pérdida de

74


potencia significativa en sus etapas de Alta y Baja Presión: en su etapa de Alta Presión

esta pérdida es de 8,477 kW y para la Turbina de Baja Presión es de 6,835 kW, se puede

indicar que mediante el análisis energético se determinó que el área de mayor oportunidad

para recuperar potencia, se presenta en la etapa de alta presión, ya que esta tiene una

pérdida de potencia mayor que las etapas de Presión Intermedia y de Baja Presión.

La curva de expansión del vapor en las diferentes etapas de la Turbina, indica, que el

vapor en la salida de la etapa de alta presión presenta una temperatura mayor que la

correspondiente a la de diseño de 17.11 °C, y que a esta alta temperatura le corresponde

una entalpía de 41.85 kJ/kg mayor que la correspondiente a la de diseño, y una pérdida de

eficiencia isoentrópica de 7.2 %, lo que indica que la etapa de alta presión tiene problemas

internos con la expansión del vapor; ya que la energía del vapor no esta siendo

aprovechada totalmente en las ruedas rotoras de esta etapa, ésto puede ser ocasionado

por un exceso en los huelgos de los sellos, o bien por una obstrucción del área de paso

del vapor en los álabes de la Turbina.

La etapa de Baja Presión, presenta una pérdida de eficiencia isoentrópica de 6.92 % en

relación a los valores de diseño, lo que desde el punto de vista de primera ley, indica que

esta etapa de la Turbina presenta problemas internos que ocasionan que el vapor no sea

aprovechado correctamente durante su expansión en las etapas mencionadas.

Con la aplicación de método de análisis exergético, se determinó que la etapa de alta

presión presenta una pérdida de eficiencia exergética de 5.30 % y etapa de Baja Presión

una pérdida de 7.54 %, en relación a los valores de diseño. Ésto indica desde el punto de

vista de segunda ley, que en la etapa de Baja Presión de la Turbina se presenta la mayor

destrucción de exergía por irreversibilidades [7].

75

ANALISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA DE CARBON RECOMENDACIONES

76

ANALISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA DE CARBON RECOMENDACIONES

RECOMENDACIONES Se recomienda la revisión de las etapas de las Turbinas de Alta y Baja Presión, ya que en

el análisis del comportamiento de la Turbina de Vapor, la etapa que presenta la mayor

desviación en la eficiencia, desde el punto de vista exergético, es la etapa de Baja

Presión. Sin embargo, es la etapa de alta presión la que presenta mayor pérdida en la

potencia aportada a la Turbina de Vapor, por lo que es recomendable considerar; la

revisión de las etapas de Alta y Baja Presión, con la finalidad de detectar y corregir la

causa raíz que origina las desviaciones de su comportamiento Energético y Exergético

durante la próxima salida a mantenimiento.

También es importante mencionar que el flujo de vapor es mayor al flujo de diseño, ésto

provoca que la potencia aportada por las etapas sea mayor independientemente de la

expansión del vapor en la turbina.

77

ANALISIS EXERGETICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA DE CARBON REFERENCIAS

78


[ 1 ] M.J. Moran, H. N. Shapiro, Fundamentos de termodinámica técnica, 2da. Edición, editorial Reverte S.A. 2004

[ 2 ] A. Bejan, G. Tsatsaronis, M. Moran, Thermal Design and Optimization, J. Wiley &

Sons, INC, 1996 [ 3 ] P. Quinto, J. Abugaber, Eficiencia isoentrópica y eficiencia exergética de las turbinas [ 4 ] Balances Térmicos de diseño del Fabricante Turbina Alsthom, Alsthom Power [ 5 ] H. Struchtrup, M. A. Rosen, How much work is lost in a irreversible turbine?, [ 6 ] IPN, Apuntes de Transmisión de Calor, Introducción [ 7 ] P. Quinto Diez, J. G. Barbosa S., C. del C. Gutiérrez T. y J. A. Jiménez B.,

Evaluación de Recuperación de Energía en Equipos de Planta de Servicios Auxiliares, Ingeniería Mecánica Tecnología y Desarrollo, Vol. 2, Nº 6 (2008),

[ 8 ] M. A. Rosen, How far we have come, Exergy an International Journal 2 (2002) 1 [ 9 ] M. A. Rosen, Clarifyng thermodynamic efficiencies and losses vía exergy, Exergy an

International Journal 2 (2002) 1 [10] M. A. Rosen, Exergy conservation: An alternative to conserving the already

conserved quantity energy , Exergy, an international journal 2 (2002) 59-61 [11] Yunus A. Cengel, B. Wood, I. Dancer, Is bigger thermodynamically better?, Exergy,

an international journal 2 (2002) 52-68 [12] H. Struchtrup, M. A. Rosen, How much work is lost in an irreversible turbine? Exergy

an International Journal 2 (2002) 152-158 [13] M. A. Rosen, Thermodynamics education: Is present coverage of exergy sufficient an

appropiate? Exergy an International Journal 2 (2002) 207-210 [14] M. A. Rosen, A. Editor, Exergy an economics: Is exergy profitable?, Exergy an

International Journal 2 (2002) 218-220 [15] M. A. Rosen, A. Editor, Does industry embrace exergy?, Exergy an International

Journal 2 (2002) 221-223 [16] N.Lior, Na Zhang, Energy, exergy, and Second Law performance criteria, journal

Energy 32 (2007) 281-296 [17] P. Perez-del-Notario, Teresa J: Leo, A division of thermomechanical exergy into two

components with very different economics values, journal Energy 32 (2007) 328-334

79


[18] V. Verda, R. borchiellini, Exergy method for diagnosis of energy systems using

measured data, journal Energy 32 (2007) 490-498 [19] Kornelis Blok, Introduction to Energy Análisis, 2007, Ámsterdam, techne press [20] ANSI/ASME PTC 6-1976, Performance Test Codes, Steam Turbines, [21] ANSI/ASME PTC 6.1-1984, Interim Test Code for an Alternative Procedure for

Testing Steam Turbines [22] ASME PTC 6S Report-1988, Procedures for Routine Performance of Steam Turbines

[23] C. T. Carbón II, Prontuario de datos tecnicos

[24] LAPEM, Reporte de pruebas de eficiencia turbina unidad 4, junio 2007 [25] G. Montalvo, tesis Análisis de la conversión de la energía de una turbina de gas a través del método exergético, IPN febrero 2005 [26] R. Rivero, G. Montero, A. R. Pulido, Terminología para la aplicación del método de Exergía, pagina web http://homepages.mty.itesm.mx/ljlopez/exer.htm

80

ANALISIS EXERGETICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA DE CARBON ÁPENDICES

81


ÁPENDICE A - Balances de masa y energía para determinar los flujos de vapor de las extracciones en los Calentadores de Alta y Baja Presión.

Calentador de Alta Presión N° 7

26CAP 7

25

27

13 13 13 27 26 26 25 13

26 25 26 2513 26 1

13 27 13 27

13 26 1 27 13 27 13

* ( ) * ( ), ,

( ) ( )* donde: ,( ) ( )

por lo tanto: * ; ;

G h h G h h despejando G

h h h hG G mh h h h

G G m G G y G G

− = −

− −= =

− −

= = =

Calentador de Alta Presión N° 6

12 12 28 27 27 28 24 25 24

12 24 26

25 24 27 2812 26 27

12 28 12 28

* ( ) * ( ) * ( ),

;

( ) ( )* * ,( ) ( )

G h h G h h G h h

despejando G y haciendo G G

h h h hG G Gh h h h

− + − = −

=

− −= −

− −

25

CAP 624

28

12

27

25 24 27 282 3 12 26 2 27 3

12 28 12 28

27 26 1

( ) ( ): y ;( ) ( )

:

h h h hdonde m m G G * m G * m h h h h

sabiendo que G G * m

− −= = = −

− −

=

82


12 26 2 26 1 3 4 2 1 3

12 26 4 28 12 27 26 4 26 1

5 1 4 28 26 5

: * * * ; haciendo * ,

queda que: * ; * * , y haciendo se tiene que: *

sustituyendo G G m G m m m m m m

G G m y G G G G m G m

m m m G G m

= − = −

= = + =

= + =

+

Calentador-Desgasificador N° 5 Calentador-Desgasificador N° 5

11 11 23 28 28 23 22 23 22

22 23 22 28 28 2311

11 23 11 23

23 22 28 236 7

11 23 11 23

11 22 6 28 7

28 26 5 1

* ( ) * ( ) * ( );

* ( ) * ( )donde: ;( ) ( )

( ) ( )haciendo ( ) ( )

* * sustituyendo

* ,

G h h G h h G h h

G h h G h hGh h h h

h h h hm y mh h h h

G G m G m

G G m G

− + − = −

− −= −

− −

− −= =

− −

= −

= 1 22 6 26 5 7* * *G m G m m= −

22

DESGASIFICADOR

23

11

28

11 11 23 28 28 23 22 23 22

22 23 22 28 28 23 23 22 28 2311 6 7

11 23 11 23 11 23 11 23

11 22 6 28 7 28 26 5 11

* ( ) * ( ) * ( ); donde:

* ( ) * ( ) ( ) ( ); haciendo ( ) ( ) ( ) ( )

* * sustituyendo * ,

G h h G h h G h h

G h h G h h h h h hG mh h h h h h h h

G G m G m G G m G

− + − = −

− − −= − = =

− − −

= − = 22 6 26 5 7

11 11 23 28 28 23 22 23 22

* * *

* ( ) * ( ) * ( ); donde:

G m G m m

G h h G h h G h h

= −

− + − = −

y m −−

83


22 23 22 28 28 23 23 22 28 2311 6 7

11 23 11 23 11 23 11 23

11 22 6 28 7 28 26 5 11 22 6 26 5 7

23 11 22 28 23 26

* ( ) * ( ) ( ) ( ); haciendo ( ) ( ) ( ) ( )

* * sustituyendo * , * * *

siendo

G h h G h h h h h hG mh h h h h h h h

G G m G m G G m G G m G m m

G G G G y G G

− − −= − = =

− − −

= − = = −

= + + = 122 123

11 22 28 26 122 123 11

22 6 26 5 7 22 26 5 26 122 123

26 26 22 6 122 123 5 7

* * * * y despejando ; se tiene que [ * (1 ) ] /(1 * ( 1))

y des

G G

igualando G G G G G G sustituyendo G

G m G m m G G m G G G simplificando

G G G m G G m m

+ +

+ + = + +

− + + = + +

= + − − + −

22 22 26 5 7 122 123 6pejando , [ * (1 * ( 1) ] /(1 )G G G m m G G m= + − + + +

y m −−

Calentador de Baja Presión N° 4

10 10 29 22 22 21 10

22 21 22 2110 22 8

10 29 10 29

10 22 8 29 10

* ( ) * ( ), ;

( ) ( )* ; haciendo , ( ) ( )

* y

G h h G h h despejando G

h h h hG G mh h h h

G G m G G

− = −

− −= =

− −

= =

22

CBP 421

29

10

84



9 9 30 29 29 30 22 21 20

9

21 20 29 309 22 29

9 30 9 30

21 20 29 309 10

9 30 9 30

9 22 9 29 10 30 9 29

* ( ) * ( ) *( ),

;

( ) ( )* - * ;( ) ( )

( ) ( )haciendo ; y ,( ) ( )

* * y

G h h G h h G h h

despejando G

h h h hG G Gh h h h

h h h hm mh h h h

G G m G m G G G

− + − = −

− −=

− −

− −= =

− −

= − = +

21CBP 3

20

30

9

29


8 8 31 30 30 31 22 20 19

8

20 19 30 318 22 30

8 31 8 31

20 19 30 3111 12

8 31 8 31

8 22 11 30 12 31 8 30

* ( ) * ( ) * ( );

,

( ) ( )* * ;( ) ( )

( ) ( )haciendo ; y ; ( ) ( )

* *

G h h G h h G h h

despe jando G

h h h hG G Gh h h h

h h h hm mh h h h

G G m G m y G G G

− + − = −

− −= −

− −

− −= =

− −

= − = +

20CBP 2

19

31

8

30


85


7 7 33 31 31 33 22 19 18

7

19 18 31 337 22 31

7 33 7 33

19 18 31 3313 14

7 33 7 33

7 22 13 31 14 33 7 31

* ( ) * ( ) * ( );

,

( ) ( )* - * ;( ) ( )

( ) (haciendo y ;( ) ( )

* *

G h h G h h G h h

despejando G

h h h hG G Gh h h h

h h h hm mh h h h

G G m G m y G G G

)

− + − = −

− −=

− −

− −= =

− −

= − = +

19CBP 1

18

33

7 31

86


ÁPENDICE B.- Tablas

TABLA 28.- Flujos de vapor por las fugas de vástagos y sistema de vapor de sellos de la Turbina [4]

FLUJO DE VAPOR DE FUGA POR VÁSTAGOS DE

VALVULAS Y SISTEMA DE VAPOR DE SELLOS DE LA TURBINA (kg/s)

POTENCIA MW 350.0 262.5 298.0

kg/h

S1 VAPOR FUGAS ALTA PRESIÓN VALVULAS A SELLOS 0.108 0.215 0.1784 642.24S2 VAPOR FUGAS BAJA PRESIÓN VALVULAS A CVS 0.004 0.009 0.00612 22.03S3 VAPOR FUGA SELLO A EXTRACCIÓN 4 1.035 0.772 0.877 3,157.20S4 VAPOR AUTO SELLO TURBINA ALTA PRESIÓN 0.28 0.203 0.2402 864.72S5 VAPOR SELLO TURBINA ALTA PRESION A CVS 0.045 0.043 0.04296 154.66S6 VAPOR AUTO SELLO TURBINA PRESIÓN INTERMEDIA 0.136 0.092 0.109 392.40S7 VAPOR SELLO TURBINA PRESIÓN INTERMEDIA A CVS 0.032 0.032 0.032 115.20S8 VAPOR DE SELLO TURBINA BAJA PRESIÓN -0.99 -0.99 -0.99 -3,564.00S9 TOTAL VAPOR A CVS 0.178 0.183 0.18012 648.43S10 TOTAL VAPOR RECHAZO A CBP 1 0.298 0.295 0.29494 1,061.78S11 FUGA DE VAPOR TAP A TPI 0.701 0.564 0.6298 2,267.28S12 FUGA INTERNA PASOS TAP 1.398 1.14 1.2302 4,428.72 TABLA 29 - Coeficiente de transferencia de calor por convección del aire y agua [6]

MECANISMO [W/m2-K] h

Convección natural (aire) 5 - 25

Convección forzada (aire) 10 - 500

Convección forzada (agua) 100 - 15000

Agua en ebullición 2500 - 25000

Condensación de vapor de agua 5000 - 100000

87


ÁPENDICE C - Cálculo del flujo de calor rechazado por las Etapas de Alta Presión y Presión Intermedia de la Turbina

En la ecuación (15) del capítulo III, aparece el término de flujo de calor intercambiado por la

Turbina de Alta Presión y el medio ambiente . Este flujo de calor se transmite por

convección y se calcula por medio de la ecuación de enfriamiento de Newton:

TAPQ•

(16) ( T ambQ Ah T T•

= − )

)−

Para la Turbina de Alta Presión y Presión Intermedia la ecuación queda así:

(16a) (, , TAP PI TAP PI TAP PI ambQ A h T T•

−=

El coeficiente de convección (h) corresponde a un fenómeno de convección natural y su valor

promedio [4] es de: = 2W 15

m °Kh , como se indica en la tabla 29 del apéndice B

El área de las Etapas de Alta Presión y Presión Intermedia de la Turbina se calcula

considerándola como una geometría cilíndrica con diámetro uniforme de 2.55 m y de longitud

de 4.50 m, por lo que el área es:

2

24TAP TPIdA dL ππ− = + (17)

2

2* (2.55)( ) * (2.55) * (4.50) 2 46.26 m4TAP TPIA ππ− = + =

En las ecuaciones de cálculo de la potencia (15), (18) y (19) se incluye el término de

transferencia de calor entre la Turbina y el medio ambiente, así como en los cálculos de las

exergías, estos términos se despreciaron. Para justificar esta consideración, en los cálculos de

las potencias, se realizan los cálculos para la transferencia de calor.

88


Siendo y − = 85 °C (358 °K) TAP PIT = ° = °52 325AMBT C K

( ) 22W (46.26 m ) * (15 ) * (33 °K)

m °K

22,898.7 W = 22.89 KW

TAP PI TAP PI TAP PI AMB

TAP PI

Q A h T T

Q

•

− − −

•

−

= − =

=

Para la Turbina de Baja Presión la carcaza exterior está a la temperatura ambiente, por lo que

se considera que no se presenta pérdida de calor en esta Etapa de la Turbina.

0.02289 MW 100 0.0076 %298 MW

TAP PI

T

QW

•

− •• = =

El flujo de calor transmitido por la Turbina al medio ambiente representa el 0.0076% de la

potencia generada, por lo que se considera despreciable en los cálculos de potencia y

exegéticos

89


ÁPENDICE D - Cálculo de la entalpía de escape de la Etapa de Baja Presión 6h

Para calcular la entalpía de salida de la Turbina de Baja Presión se realiza el balance de

potencia en el turbogenerador completo para determinar la entalpía del vapor de escape h6.

Una vez conocidos los flujos y entalpías que entran y salen de cada Turbina, se realiza un

balance de energía en cada Etapa de la Turbina, por medio de este balance de energía en el

turbogenerador se puede determinar la potencia del mismo, en función de , ya que es la

variable que no se conoce, quedando la siguiente ecuación:

6h

TV TAP TPI TBPW W W W• • • •

= + +

(D1) 6TV TAP TPI TBPW W W W• • • •

•= + + h Nos queda una ecuación en función de ya que es desconocida hasta el momento para su cálculo se utiliza el siguiente método:

6h

Cálculo de la potencia mecánica total de la Turbina de Vapor en función de la potencia eléctrica medida en terminales del generador eléctrico y de la eficiencia del generador eléctrico de diseño.

,

100electricaTV mec

generador electrico

WWη

••

•= (D2)

La medición de potencia eléctrica total medida en terminales de salida del generador eléctrico es de 298,000 kW y su eficiencia de diseño es de 98.72 % Resolviendo la ecuación (D2) se determina la potencia mecánica total de la Turbina de Vapor, quedando así:

,298,000 100 301,864.47 kW

0.9872TV mec

kWW•

•= =

En el capítulo III en el inciso 3.4 Procedimiento de cálculo, se determinan las potencias de cada Etapa de la Turbina, resultando: TAP= 87,265 kW y TPI= 111,634 kW

90


Balance de energía TBP en función de 6h

Energía que entra a TBP [kJ/hr]

Energía que sale de TBP [kJ/hr]

5 5( )Entra G h= 7 7 8 8 9 9 6 6( ) ( ) ( ) (Sale G h G h G h G h )= + + +

1713,140 3057.32 605,637 3600Kg KJ hrEntra KWhr Kg s• •= =

( ) ( )( ) ( )6

6

1 117,934 2,619.43 23,372 2,688.6 3600 3600

1 131,908.4 2,842.06 639,925 *3600 3600

13,049 17,456 25,190 177.76 55,695 177.76

Kg KgKJ KJhr hrSale hr Kg s hr Kg sKg KgKJ hr hr hhr Kg s hr s

Kg KKW KW KW h KWs

• • • •

• • •

•

= +

+ +

= + + + = +

( )

6

6

6 6

Potencía de entrada a la turbina de baja presión menos potencia de salida en función de

605,637 - 55,695 177.4 549,942 - 177.76

g hs

hKg KgKW KW h KW hs s

•

• •= + =

Sustituyendo valores en la ecuación (D1) nos queda:

, 687,265 111,582 549,942 -177.76TV mecW kW kW kW•

•= + + h

, 6748,842 177.76TV meckgW kW s

•

•= − h (D3)

Igualando las ecuaciones (D2) y (D3) y se obtiene que:

6301,864 748,842 177.72 ,kgkW kW hs •= − (D4)

despejando de la ecuación (D4) 6h

6748,842 301,864 2,514.56

177.76

kW kW kJh kgkgs

−= =

91


ÁPENDICE E - Procedimiento de cálculo mediante hoja de cálculo Excel

Se elaboró en hoja de cálculo Excel, la metodología desarrollada en el capítulo 3 con la

finalidad de contar con una herramienta sistemática para evaluar la Turbina de Vapor,

logrando con esto, optimizar la confiabilidad y el tiempo empleado en la realización de los

cálculos.

Para el cálculo de la propiedades termodinámicas de los diferentes fluidos térmicos que

interactúan en el ciclo de potencia, se utilizó el programa X-STEAM versión 2.6 el cual utiliza

como plataforma de cálculo el programa Excel 2003, ésto facilita la determinación de las

propiedades; ya que se puede vincular la tabla de datos con este programa, de tal forma que

de manera autómata se generan los resultados de las propiedades de los fluidos y se efectúan

los cálculos de todas la variables necesarias para determinar las eficiencias Energéticas y

Exergéticas explicadas en el capítulo III.

Es muy importante que durante el desarrollo de la prueba se mantenga la unidad operando a

carga estable, todas las purgas de agua y vapor cerradas, a excepción del venteo del

desgasificador y los drenajes de emergencia de los calentadores de agua cerrados.

La hoja de cálculo Excel ejecuta el cálculo de manera automática de las propiedades de los

fluidos y las eficiencias energéticas y exergéticas a condiciones de diseño.

Con el flujo de vapor de operación; se calcula la potencia que debería estar generando la

turbina de acuerdo al diseño y con esta potencia se determinan los valores correspondientes a

las condiciones de diseño.

Pasos para utilizar la hoja de cálculo.-

Configurar su PC en seguridad de macros, seleccionar Media

Abrir el archivo de Excel “CALC EFIC EXERGETICA TURBINA V1”

Aparece una ventana de seguridad, dar clic en “habilitar macros”

Aparece una ventana auxiliar, de X STEAM versión 2.6, oprimir “OK”

92


Posicionarse en la hoja PCAPTURA y llenar los datos solicitados cuidando que sean en las

unidades indicadas.

Se consideran tres lecturas horarias.

Introducir el valor de la potencia de diseño con la que deseamos realizar el análisis del

comportamiento de la Turbina de Vapor.

En esta misma hoja (PCAPTURA) en la parte inferior de la tabla de datos, se ubica la sección

de CALCULO DE ENTALPÍAS A ENTROPÍA CONSTANTE DATOS DE OPERACIÓN, en la

columna de “TEMP.” Introducir datos de temperatura de manera aleatoria hasta que la

columna correspondiente a diferencia de entropía, de un valor muy pequeño (menor a 0.0001),

con este paso estamos determinado mediante el método iterativo, las entalpías isoentrópicas

de manera indirecta, requeridas para el cálculo de la eficiencia isoentrópica, efectuar este

mismo método para determinar la entalpía del vapor de las extracciones 1 y 3 y vapor de

escape de la turbina de Baja Presión.

Repetir el paso anterior en la sección correspondiente a CALCULO DE ENTALPÍAS A ENTROPÍA CONSTANTE PARA DATOS DE DISEÑO.

Pasar a la hoja de RES DISEÑO VS OPERACIÓN, CURVA T-s y CURVA h-s y analizar el

comportamiento Energético y Exergético de la Turbina de Vapor.

Se anexa hoja PCAPTURA:

UNIDAD: 4 PRUEBA EFICIENCIA FECHA: P A R A M E T R O HORA PROM.

POTENCIA BRUTA MW FLUJO DE VAPOR PRINCIPAL ton / h FLUJO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN ton / h FLUJO DE CONDENSADO AL DESGASIFICADOR

ton / h

FLUJO ATEMPERACIÓN AL SOBRECALENTADOR

ton / h

FLUJO ATEMPERACIÓN AL RECALENTADOR

ton / h

FLUJO VAPOR AUXILIAR ton / h FLUJO AGUA DE REPUESTO DE CONDENSADO

ton / h

VACIO DEL CONDENSADOR PRINCIPAL mmHga PRESIÓN BAROMÉTRICA mmHg VAPOR PRINCIPAL bar

93


VAPOR PRIMER PASO bar VAPOR RECALENTADO FRÍO bar VAPOR RECALENTADO CALIENTE bar VAPOR DE ESCAPE DE LA TURBINA DE PRESIÓN INTERMEDIA bar

EXTRACCIÓN No. 7 bar EXTRACCIÓN No. 6 bar EXTRACCIÓN No. 5 bar EXTRACCIÓN No. 4 bar EXTRACCIÓN No. 3 bar EXTRACCIÓN No. 2 bar abs EXTRACCIÓN No. 1 bar abs VAPOR AUXILIAR bar VAPOR A EYECTORES bar DESCARGA DE LA BOMBA DE CONDENSADO bar

CONDENSADO ENTRADA AL DESGASIFICADOR bar

SUCCIÓN DE LA BOMBA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN bar

DESCARGA DE LA BOMBA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN bar

SALIDA DEL CALENTADOR ALTA PRESIÓN No. 6 bar

SALIDA DEL CALENTADOR ALTA PRESIÓN No. 7 bar

PRESIÓN DE AGUA DE ATEMPERACIÓN AL RECALENTADOR bar

VAPOR PRINCIPAL ° C VAPOR EN CAMARA DE IMPULSO DE LA T.A.P. ° C

VAPOR RECALENTADO FRÍO ° C VAPOR RECALENTADO CALIENTE ° C VAPOR DE ESCAPE DE LA TURBINA DE PRESIÓN INTERMEDIA ° C

EXTRACCIÓN No. 7 ° C EXTRACCIÓN No. 6 ° C EXTRACCIÓN No. 5 ° C EXTRACCIÓN No. 4 ° C EXTRACCIÓN No. 3 ° C EXTRACCIÓN No. 2 ° C EXTRACCIÓN No. 1 ° C VAPOR DE ESCAPE DE LA T.B.P. ° C VAPOR AUXILIAR ° C VAPOR A EYECTORES ° C DREN NORMAL DEL C.A.P. No. 7 ° C DREN NORMAL DEL C.A.P. No. 6 ° C DREN NORMAL DEL C.B.P. No. 4 ° C DREN NORMAL DEL C.B.P. No. 3 ° C DREN NORMAL DEL C.B.P. No. 2 ° C DREN NORMAL DEL ENF. DRENES C.B.P. No. 1 ° C

CONDENSADO SALIDA DEL POZO CALIENTE ° C

94


CONDENSADO ENTRADA AL CONDENSADOR DE VAPOR DE SELLOS ° C

COND. SALIDA DEL COND. VAPOR DE SELLOS ° C

COND. SALIDA DEL BANCO DE EYECTORES ° C

CONDENSADO ENTRADA AL C.B.P. No. 1 ° C CONDENSADO SALIDA DEL C.B.P. No. 1 ° C CONDENSADO SALIDA DEL C.B.P. No. 2 ° C CONDENSADO SALIDA DEL C.B.P. No. 3 ° C CONDENSADO SALIDA DEL C.B.P. No. 4 ° C CONDENSADO SALIENDO DEL DEAREADOR ° C

AGUA ALIMENTACIÓN ENTRADA AL C.A.P. No. 6 ° C

AGUA ALIMENTACIÓN SALIDA DEL C.A.P. No. 6 ° C

AGUA ALIMENTACIÓN SALIDA DEL C.A.P. No. 7 ° C

AGUA DE CIRCULACIÓN ENTRADA A LA CAJA " A " ° C

AGUA DE CIRCULACIÓN ENTRADA A LA CAJA " B " ° C

AGUA DE CIRCULACIÓN SALIDA DE LA CAJA " A " ° C

AGUA DE CIRCULACIÓN SALIDA DE LA CAJA " B " ° C

POZO CALIENTE CONDENSADOR ° C TEMPERATURA AMBIENTE °C TEMPERATURA AGUA DE REPUESTO DE CONDENSADO °C

EFICIENCIA GENERADOR ELÉCTRICO %

SUPTTE. DE TURNO

OPERADOR TABLERISTA

95


TEMP. DIF. DE ENTROPÍA

ENTALPÍA DIF. DE ENTROPÍA

CALCULO DE ENTALPÍAS A ENTROPÍA CONSTANTE DATOS DE OPERACIÓN

EXTRACCIÓN No. 1 EXTRACCIÓN No. 2

ESCAPE TURBINA DE BAJA PRESIÓN

VAPOR ESCAPE TURBINA PRESIÓN INTERMEDIA

FRACCION DE VAPOR %

EXTRACCIÓN No. 5




TEMP. DIF. DE ENTROPÍA

ENTALPÍA DIF. DE ENTROPÍA

CALCULO DE ENTALPÍAS A ENTROPÍA CONSTANTE PARA DATOS DE DISEÑO

EXTRACCIÓN No. 2

ESCAPE TURBINA DE BAJA PRESIÓN EXTRACCIÓN No. 1

EXTRACCIÓN No. 7

FRACCION DE VAPOR %



VAPOR RECALENTADO FRÍO VAPOR ESCAPE TURBINA PRESIÓN INTERMEDIA

96


ÁPENDICE F - Datos para el análisis del comportamiento Energético y Exegético

Tabla 1.- Datos operativos de la unidad durante la prueba.

UNIDAD: 4 PRUEBA : EFICIENCIA FECHA: 13/07/2008 P A R A M E T R O HORA 16:00 17:00 18:00 PROM.

POTENCIA BRUTA MW 298 298 298 298.000FLUJO DE VAPOR PRINCIPAL ton / h 901.37 901.37 901.37 901.370FLUJO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN ton / h 818.022 818.022 818.022 818.022FLUJO DE CONDENSADO AL DESGASIFICADOR ton / h 790.8052 790.8052 790.8052 790.805FLUJO ATEMPERACIÓN AL SOBRECALENTADOR ton / h 93.51 93.51 93.51 93.510FLUJO ATEMPERACIÓN AL RECALENTADOR ton / h 0 0 0 0.000FLUJO VAPOR AUXILIAR ton / h 3 3 3 3.000FLUJO AGUA DE REPUESTO DE CONDENSADO ton / h 10.162 10.162 10.162 10.162VACIO DEL CONDENSADOR PRINCIPAL mmHga 89.2576 89.2576 89.2576 89.258PRESIÓN BAROMÉTRICA mmHg 731.2 731.6 731.3 731.367VAPOR PRINCIPAL bar 167.057 167.058 167.058 167.058VAPOR PRIMER PASO bar 128 128 128 128.000VAPOR RECALENTADO FRÍO bar 34.12 34.12 34.12 34.120VAPOR RECALENTADO CALIENTE bar 33.322 33.322 33.322 33.322VAPOR DE ESCAPE DE LA TURBINA DE PRESIÓN INTERMEDIA bar 5.09 5.09 5.09 5.090

EXTRACCIÓN No. 7 bar 34.126 34.126 34.126 34.126EXTRACCIÓN No. 6 bar 17.327 17.327 17.327 17.327EXTRACCIÓN No. 5 bar 9.466 9.466 9.466 9.466EXTRACCIÓN No. 4 bar 5.09 5.09 5.09 5.090EXTRACCIÓN No. 3 bar 0.753 0.753 0.753 0.753EXTRACCIÓN No. 2 bar abs 0.639 0.639 0.639 0.639EXTRACCIÓN No. 1 bar abs 0.263 0.263 0.263 0.263VAPOR AUXILIAR bar 22.5 22 22.5 22.333VAPOR A EYECTORES bar 24.517 24.517 24.517 24.517DESCARGA DE LA BOMBA DE CONDENSADO bar 27.655 27.655 27.655 27.655CONDENSADO ENTRADA AL DESGASIFICADOR bar 14.45 14.45 14.35 14.417SUCCIÓN DE LA BOMBA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN bar 11.671 11.671 11.671 11.671

DESCARGA DE LA BOMBA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN bar 189 188 189 188.667

SALIDA DEL CALENTADOR ALTA PRESIÓN No. 6 bar 188 187 188 187.667SALIDA DEL CALENTADOR ALTA PRESIÓN No. 7 bar 187 186 187 186.667PRESIÓN DE AGUA DE ATEMPERACIÓN AL RECALENTADOR bar 107 106 108 107.000

VAPOR PRINCIPAL ° C 541.064 541.064 541.064 541.064VAPOR EN CAMARA DE IMPULSO DE LA T.A.P. ° C 425 426 423 424.667VAPOR RECALENTADO FRÍO ° C 336.15 336.15 336.15 336.150VAPOR RECALENTADO CALIENTE ° C 545.42 545.42 545.42 545.420VAPOR DE ESCAPE DE LA TURBINA DE PRESIÓN INTERMEDIA ° C 297.8 297.8 297.8 297.800

EXTRACCIÓN No. 7 ° C 334.661 334.661 334.661 334.661EXTRACCIÓN No. 6 ° C 457.256 457.256 457.256 457.256

97


EXTRACCIÓN No. 5 ° C 373 373 373 373.000EXTRACCIÓN No. 4 ° C 297.8 297.8 297.8 297.800EXTRACCIÓN No. 3 ° C 185.038 185.038 185.038 185.038EXTRACCIÓN No. 2 ° C 104.012 104.012 104.012 104.012EXTRACCIÓN No. 1 ° C 66.111 66.111 66.111 66.111VAPOR DE ESCAPE DE LA T.B.P. ° C 49.065 49.065 49.065 49.065VAPOR AUXILIAR ° C 221 222 221 221.333VAPOR A EYECTORES ° C 223 222 224 223.000DREN NORMAL DEL C.A.P. No. 7 ° C 220.502 220.502 220.502 220.502DREN NORMAL DEL C.A.P. No. 6 ° C 193.589 193.589 193.589 193.589DREN NORMAL DEL C.B.P. No. 4 ° C 124.161 124.161 124.161 124.161DREN NORMAL DEL C.B.P. No. 3 ° C 94.605 94.605 94.605 94.605DREN NORMAL DEL C.B.P. No. 2 ° C 72.55 72.55 72.55 72.550DREN NORMAL DEL ENF. DRENES C.B.P. No. 1 ° C 66 66 66 66.000CONDENSADO SALIDA DEL POZO CALIENTE ° C 49.065 49.065 49.065 49.065CONDENSADO ENTRADA AL CONDENSADOR DE VAPOR DE SELLOS ° C 50 50 50 50.000

COND. SALIDA DEL COND. VAPOR DE SELLOS ° C 50 50 50 50.000COND. SALIDA DEL BANCO DE EYECTORES ° C 51 51 51 51.000CONDENSADO ENTRADA AL C.B.P. No. 1 ° C 53.081 53.081 53.081 53.081CONDENSADO SALIDA DEL C.B.P. No. 1 ° C 66.731 66.731 66.731 66.731CONDENSADO SALIDA DEL C.B.P. No. 2 ° C 86.028 86.028 86.028 86.028CONDENSADO SALIDA DEL C.B.P. No. 3 ° C 111.575 111.575 111.575 111.575CONDENSADO SALIDA DEL C.B.P. No. 4 ° C 156.093 156.093 156.093 156.093CONDENSADO SALIENDO DEL DEAREADOR ° C 182.098 182.098 182.098 182.098AGUA ALIMENTACIÓN ENTRADA AL C.A.P. No. 6 ° C 181.874 181.874 181.874 181.874AGUA ALIMENTACIÓN SALIDA DEL C.A.P. No. 6 ° C 210.71 210.71 210.71 210.710AGUA ALIMENTACIÓN SALIDA DEL C.A.P. No. 7 ° C 239.783 239.783 239.783 239.783AGUA DE CIRCULACIÓN ENTRADA A LA CAJA " A " ° C 24 24 24 24.000AGUA DE CIRCULACIÓN ENTRADA A LA CAJA " B " ° C 24 24 25 24.333AGUA DE CIRCULACIÓN SALIDA DE LA CAJA " A " ° C 33 33 33 33.000AGUA DE CIRCULACIÓN SALIDA DE LA CAJA " B " ° C 32 32 32 32.000POZO CALIENTE CONDENSADOR ° C 47 47 47 47.000TEMPERATURA AMBIENTE °C 28 26 26 26.667TEMPERATURA AGUA DE REPUESTO DE CONDENSADO °C 25 25 25 25.000

EFICIENCIA GENERADOR ELÉCTRICO % 98.7211 98.7211 98.7211 98.721

98

ANÁLISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE …

Documents

Transcript of ANÁLISIS EXERGÉTICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE …