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“PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES”
ii
ÍNDICE
Introducción
Antecedentes
Generalidades de las Centrales Termoeléctricas
Ventajas y Desventajas
CAPÍTULO 4 PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES 1
4.1 Esquema tecnológico de la planta 2
I. Esquema tecnológico de una planta termoeléctrica
convencional 3
II. Funcionamiento y características principales de cada
III.
una de las partes de una central térmica de carbón de
ciclo convencional 4
4.1.1 Circuito Agua-Vapor 14
4.1.2 Plantas condensadoras y termoeléctricas 16
1. Condensador 16
1.1 Proceso de circulación de agua de un
condensador 18
2. Termoeléctrica 19
3.1 Esquema de una central térmica de ciclo
combinado 22
4.1.3 Servicios Auxiliares 22
I. Accesorios 22
II. Accesorios Complementarios 23
4.2 Generadores de vapor (Calderas) 244.2.1 Descripción de las calderas 25
I. Calderas acuotubulares 25
II. Sobrecalentadores de vapor 25
III. Economizadores 26
IV. Precalentadores de aire 26
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iii
V. Manómetros 27
VI. Quemadores 27
VII. Indicadores de nivel 27
VIII. Válvulas de seguridad 28
IX. Medidores de cauda 28
X. Medidor de temperatura 28
XI. Válvula de cierre 28
4.2.2 Combustibles 28
4.2.2.1 Gas natural 31
4.2.2.2 Biomasa 32
4.2.2.3 Derivados líquidos del petróleo 33
4.2.2.4 Carbones 334.2.2.5 Sistema diésel 44
4.2.3 Regulación y protección de las calderas sistema de
quemadores 46
4.2.3.1 Sistema aire gases 48
4.3 Turbinas de vapor 51
I. Introducción 52
4.3.1 DEFINICIÓN DE TURBINA 534.3.2 PRIMERAS TURBINAS DE VAPOR 54
4.3.2.1 Primera turbina de vapor 54
4.3.2.2 Primera aplicación industrial 54
4.3.2.3 Primeras turbinas de reacción y de repulsión 55
4.3.3 PARTES QUE COMPONEN UNA TURBINA 56
4.3.3.1 Partes principales 571. Rotor 57
2. Toberas 57
3. Carcasa 58
4. Álabes 58
5. Estator 59
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iv
6. Válvulas de regulación 59
4.3.3.2 Partes secundarias 59
7. Escape de la turbina 59
8. Secciones de extracción o reinyección 59
9. Cierres laberínticos de vapor 59
10. Reductor 60
11. Generador 60
4.3.4 CLASIFICACIÓN 61
4.3.4.1 Turbina de acción (Laval) 61
4.3.4.2 Turbina de reacción (Parsons) 62
4.3.4.3 Según el número de etapas 63a) Turbina monoetapa 63
b) Turbina multietapa 63
4.3.4.4 Según la dirección del flujo del vapor 64
a) De flujo axial. 64
b) De flujo radial 64
4.3.4.5 Según la presión de salida del vapor 64
a) Con extracción de vapor 64
b) De compresión 64
c) De condensación 64
4.3.5 PRINCIPIO DE OPERACIÓN 65
4.3.5.1 De acción 65
4.3.5.2 De repulsión 65
4.3.5.3 Ciclo Rankine 65
4.3.5.4 Proceso del vapor dentro de la turbina 66
4.3.6 ESCALONAMIENTOS 69
4.3.6.1 Los de presión (RATEU) 69
4.3.6.2 Los de velocidad (CURTIS) 70
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4.3.7 CICLO DE RANKINE 72
4.3.7.1 Definición del ciclo 72
4.3.7.2 Operación 72
4.3.7.3 Rendimiento ideal 734.3.7.4 Etapas del ciclo 73
4.3.8 APLICACIONES 76
4.3.8.1 Campos de aplicación 77
4.3.9 REGULACIÓN DE LAS TURBINAS 77
4.3.9.1 Por presión de admisión 77
4.3.9.2 Por número de toberas 784.3.9.3 Inconvenientes usando la variación por número de
toberas 79
4.3.9.4 Problemas en la regulación 79
4.3.9.5 Regulación en centrales eléctricas 80
4.3.9.6 Regulación de una turbina de condensación 81
4.3.9.7 De una turbina de contrapresión 82
4.3.10 PÉRDIDAS EN LAS TURBINAS DE VAPOR 83
4.3.10.1 Pérdidas en los álabes 83
4.3.10.2 Pérdidas mecánicas 84
4.3.10.3 Clasificación de pérdidas 84
4.3.11 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS TURBINAS DE
VAPOR 85
4.3.11.1 Ventajas más importantes 854.3.11.2 Desventajas del uso de estas turbinas 85
4.3.11.3 Impacto ambiental 86
4.3.12 MANTENIMIENTO PREVENTIVO A TURBINAS 86
4.3.12.1 Principales averías 86
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4.3.12.2 Mantenimiento diario 87
4.3.12.3 mantenimiento quincenal 87
4.3.12.4 Mantenimiento de carácter mensual 88
4.3.12.5 Principales repuestos 88
4.3.13 Tratamiento químico del agua 90
4.3.13.1 Incrustaciones 90
4.3.13.2 Corrosión 92
4.3.13.3 Parámetros químicos 95
I. Control del oxígeno disuelto 95
II. Control de PH 96
III. Control de la concentración de salesdisueltas 98
4.3.14 Condensadores 98
4.3.15 Desgasificación del agua 101
4.3.15.1 Procesos de desgasificación 102
4.3.15.2 Desgasificación por vacío 103
4.3.16 Esquemas de servicios propios 105
Fuentes Bibliográficas 106Cibergrafías 106
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ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS
Introducción
Figura 1 Central Termoeléctrica x
Antecedentes
Figura 2 Planta Termoeléctrica en el año 1976 xi
Generalidades de las Centrales Termoeléctricas
Ventajas y Desventajas
Figura 3 Planta Termoeléctrica en Tuxpan, Veracruz xv
CAPÍTULO 4 PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES
4.1 Esquema tecnológico de la planta
Figura 4 Diagrama de una central térmica de carbón de ciclo
convencional 3
Figura 5 Ventilador de aire forzado mostrado físicamente
en partes 10
Figura 6 Representación del Circuito Agua/Vapor 15
Figura 7 Condensador 16
Figura 8 Representación del vacío de un Condensador 18Figura 9 Proceso de circulación de agua de un Condensador 19
Figura 10 Esquema de una central térmica de ciclo combinado 22
4.2 Generadores de vapor (Calderas)
Figura 11 Diagrama simplificado de una central termoeléctrica
de combustión externa 30
Figura 12 Funcionamiento de las turbinas a gas (TG) 30
Figura 13 Representación de un ciclo 31
Figura 14 Uso del gas natural en una termoeléctrica 32
Figura 15 Derivados líquidos del petróleo almacenado 33
Figura 16 Carbones minerales 35
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viii
Figura 17. Configuración de las canastas de los calentadores
regenerativos 45
Figura 18 Circuito del combustible general en una central
termoeléctrica convencional 47
Figura 19 Sistema aire gases 49
Figura 20 Ventilador de tiro forzado del tipo flujo axial 50
4.3 Turbinas de vapor
Figura 21 Esquema interno de una turbina de vapor 53
Figura 22 Primera turbina de vapor 54
Figura 23 Turbina con escalonamientos de presión y de
velocidad (Curtis) 53Figura 24 Turbina de reacción (Pearson) 55
Figura 25 Turbina con recalentamiento de la General Electric 56
Figura 26 Rotor de una turbina de vapor 57
Figura 27 Tobera de acción(a) y de repulsión (b) 57
Figura 28 Carcasa de una turbina de vapor 58
Figura 29 Ejemplo de la forma de los alabes 58
Figura 30 Estator de la turbina 59
Figura 31 Turbina de vapor de tres etapas 60
Figura 32 Disposición turbina Laval 62
Figura 33 Esquema de una turbina Parsons 62
Figura 34 Funcionamiento esquemático de una turbina de
Reacción 63
Figura 35 Describe brevemente el funcionamiento de una
turbina de vapor 66
Figura 36 El vapor entra desde la caldera y activa la turbinade alta presión 67
Figura 37 El vapor entra desde la sección de alta presión y
la turbina de presión media se encarga de comprimirlo 67
Figura 38 El vapor procedente del escape del cuerpo de
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“PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES”
ix
media presión entra a través de la sección cruzada en la
turbina de baja presión, desde donde es empujado e
introducido en el capacitor 68
Figura 39 Turbina Rateau (Lee) 70
Figura 40 Escalonamiento de presión 70
Figura 41 Se muestra los escalonamientos de presión (4 pares
tobera-rodete) 71
Figura 42 Esquema de escalonamiento de velocidad 71
Figura 43 Representación gráfica del ciclo de Rankine 73
Figura 44 Proceso del ciclo de Rankine 74
Figura 45 Esquema a bloques del ciclo de Rankine 75
Figura 46 Líneas de expansión (Regulación por laminado en laválvula de admisión) 78
Figura 47 Línea de expansión (Regulación por admisión parcial) 79
Figura 48 Regulación de una turbina con recalentamiento
intermedio 80
Figura 49 Esquema de regulación de una turbina de
condensación 82
Figura 50 Esquema de regulación de una turbina de
contrapresión 83
Figura 51 Grafica de pérdidas y punto de operación económica 85
Figura 52 Inspección visual de una turbina de vapor 89
Figura 53 Incrustaciones en las paredes internas de tuberías 91
Figura 54 Incrustaciones en las paredes internas de tuberías 91
Figura 55 Corrosión Provocada por falta de Tratamiento y
Acondicionamiento del Agua 93
Tabla 1 Principales contaminantes y sus efectos perjudiciales 94
Figura 56 Medidor de pH para calderas y torres de refrigeración 97
Figura 57 Condensador de paso simple o de un solo paso 99
Figura 58 Desgasificador Térmico 103
Figura 59 Esquema de servicios propios 105
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“PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES”
x
INTRODUCCIÓN
Una Central Termoeléctrica es una instalación en donde la energía mecánica que
se necesita para mover el rotor del generador y, por tanto, obtener la energía
eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. Elvapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las turbinas para que en
su expansión sea capaz de mover los álabes de las mismas.
Una central termoeléctrica clásica se compone de una caldera y de una turbina que
mueve el generador eléctrico. La caldera es el elemento fundamental y en ella se
produce la combustión del carbón, fuel o gas.
Figura 1. Central Termoeléctrica
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xi
ANTECEDENTES
Las plantas termoeléctricas en México han pasado por etapas, que comprenden los
siguientes aspectos:
Se inició con plantas pequeñas de hasta 33,000 KW (entre 1948 y 1960).
Posteriormente, desde el año 1958 hasta 1964, se practicó la construcción de
plantas mediante el sistema “llave en mano” (turn key) o “Plantas paquete” que
consiste en comprar a un fabricante la planta completa, así se construyeron
unidades de hasta 150,000 kW.
Después, en 1965 (y hasta 1970) CFE empezó a contratar compañías de ingeniería
extranjeras para que diseñaran las plantas, adquirió los equipos de diferentes
fabricantes mediante concursos y contrató la construcción y montaje de las plantas
con compañías nacionales, construyéndose hasta de 158,000 KW
A partir de 1971 y hasta 1976, CFE continúo utilizando indistintamente contratistas
mexicanos y extranjeros, así como recursos propios. Sin embargo se siguió
adquiriendo equipo de diferentes fabricantes mediante concursos. De esta forma se
construyeron plantas con una capacidad de hasta 300,000 KW
A mediados de 1976, CFE decidió diseñar plantas con recursos propios, sinembargo se continuó utilizando contratistas extranjeros.
Figura 2. Planta Termoeléctrica en el año 1976
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“PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES”
xii
GENERALIDADES DE LAS CENTRALES
TERMOELÉCTRICAS
El objeto de las centrales térmicas es aprovechar la energía calorífica de un
combustible para transformarla en electricidad. Es decir, utilizan la energía
mecánica obtenida de un ciclo termodinámico para convertirla en electricidad.
El proceso que sigue dicha transformación es el siguiente:
a) La energía contenida en el combustible se transforma, por combustión (en
las centrales térmicas convencionales) o por fisión (en las nucleares), en
energía calorífica,
b) La energía calorífica que absorbe el fluido de trabajo se convierte alexpansionarse en la turbina o motor de energía mecánica, y
c) La energía mecánica es transformada en energía a través del generador
eléctrico
Atendiendo al tipo de fluido motor que emplean en el ciclo termodinámico, las
centrales térmicas se clasifican:
a) Centrales de vapor,
b) Centrales de turbinas de gas, y
c) Centrales diesel
Las centrales termoeléctricas modernas son similares en todo el mundo porque los
diseñadores buscan la alta eficiencia al mínimo costo. Esto significa que los
materiales son llevados a sus límites de seguridad así como de temperatura, presión
y fuerzas centrífugas. Como los mismos materiales son accesibles para todos, esto
resulta en plantas termoeléctricas necesariamente similares
Una gran central térmica se compone de:
Un parque de almacenamiento del combustible, con las instalaciones para
las descargas y alimentación del mismo,
Un cuarto de calderas, con los dispositivos relativos a las mismas,
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“PLANTAS TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES”
xiii
Una sala de máquinas o edificio de turbinas,
Un departamento eléctrico, con los locales para los cuadros de maniobra y
medida y la subestación transformadora elevadora, y
Los edificios de servicios
El cuarto de calderas, integrado por:
La caldera o el generador de vapor,
El economizador o precalentador del agua,
El alimentador de agua a la caldera, y
El depurador del agua de alimentación
El edificio de turbinas o sala de máquinas, formado por:
El grupo turbo-alternador, y
El condensador
La sala de control, compuesta por:
Los cuadros de maniobra y medida, con todos los dispositivos y aparatos de
medición, maniobra y regulación que son necesarios para la explotación de
la central
El departamento eléctrico, conformado por:
El parque de transformadores (cuando se hallan en la central), y
La aparamenta de alta tensión, con sus interruptores, seccionadores,
transformadores de medida, pararrayos, etc.
En las instalaciones modernas este departamento está generalmente al aire libre y
el departamento de servicios auxiliares, constituido por:
El parque de transformadores de servicios auxiliares, y
La aparamenta de media y baja tensión
El consumo propio de energía eléctrica de las centrales de vapor es muy elevado
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xiv
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Ventajas:
Son las centrales más baratas de construir (teniendo en cuenta el precio por
megavatio instalado), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad
(comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma
masiva.
Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más eficientes
(alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía
eléctrica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad decombustible, y rebajando las emisiones citadas más arriba en un 20%, 0,35 kg de
CO2, por kWh producido.
Desventajas:
El uso de combustibles fósiles genera emisiones de gases de efecto invernadero y
de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes (en el caso del carbón)
que pueden contener metales pesados.
Al ser los combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a la
duración de las reservas y/o su rentabilidad económica.
Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclima local.
Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua
caliente en estos.
Su rendimiento (en muchos casos) es bajo (comparado con el rendimiento ideal), a
pesar de haberse realizado grandes mejoras en la eficiencia (un 30-40% de la
energía liberada en la combustión se convierte en electricidad, de media).
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