Principios Fundamentales Ciclos a Vapor65.17 - Centrales Elctricas FI UBA - 2009

Temario Ciclo de Rankine Mejoras al Ciclo Rankine Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento (Ciclo de Hirn) Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio Ciclo Rankine con precalentamiento regenerativo del agua de alimentacion Esquema de proceso Curvas de Vapor

Ciclo Rankine ElementalEsquema simplificado del Ciclo Rankine Elemental

Ciclo Rankine contrapresion - condensacinCONTRAPRESINCONDENSACIN

Ciclo Rankine ElementalCiclo Termodinmico E-A Compresin isentrpica bomba alim. (Wp= hA hE) A-C Calentamiento a presin cte. caldera ( Qa= hC hA) C-D Expansin isentrpica turbina (Wt= hC hD) D-E Enfriamiento a presin cte condensador ( Qr= hE hD)

TRABAJO NETO Dwneto = (hC hD) (hA hE)EFICIENCIA TERMODINMICA h = Dwneto = (hC hD) (hA hE) = 1 - (hD hE) Qa (hC hA) (hC hA)

Optimizacin Aumento del trabajo neto Aumento de la eficiencia Disminucin del costo unitario de la instalacin

Ciclo Rankine con SobrecalentamientoEsquema del Ciclo Rankine con sobrecalentamiento

Ciclo Rankine con SobrecalentamientoCiclo Termodinmico E-A Compresin isentrpica bomba alim.(Wp= hA hF) A-C Calentamiento a presin cte. caldera ( Qa= hD hA) C-D Expansin isentrpica turbina (Wt= hD hE) D-E Enfriamiento a presin cte condensador ( Qr= hE hF)TRABAJO NETO Dwneto = (hD hE) (hA hF)EFICIENCIA TERMODINMICA h = Dwneto = (hD hE) (hA hF) Qa (hD hA)

Estrategias para optimizacin Aumento de la presin de saturacinAumento de la temperatura de sobrecalentadoDescenso de la temperatura de la fuente fra Precalentamiento de agua de alimentacin (ciclo regenerativo) Recalentamiento de vapor Precalentamiento de agua de alimentacin Precalentamiento del aire de combustin

Modificacin del ciclo con el aumento de las condiciones p y t

Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente) Aumenta el costo de conducciones y aumentan las prdidas por bombeo Empeoran las condiciones de circulacin en generadores de vapor de circulacin natural (vapor y agua tienden a igualar densidad y menor efecto termosifn) . Empeora ttulo de vapor en el escape de turbina. Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor por aumento de las secciones de paos en generador de vapor y turbina

Aumento de presin de vapor

Aumento de eficiencia con aumento de la presin

Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente)Metalurgia aceros aleados cromo molibdeno e inoxidables austenticos para sobrecalentadores. Lmite mximo prctico en sobrecalentadores: 545 C a 565C (costos, condiciones de laminabilidad y soldabilidad) Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones. Mejora las condiciones de circulacin en generadores de vapor de circulacin natural Mejora ttulo de vapor en el escape de turbina. Requerido a medida que aumenta caudal de vapor para acompaar aumento de presin

Aumento de temperatura de vapor

Aumento de eficiencia con aumento de la temperatura

Efecto de la disminucin de la temperatura de condensado

El lmite terico es la temperatura del sumidero (fuente fra): temperatura de bulbo hmedo del aire (ciclo cerrados con torre de enfriamiento), temperatura del agua de refrigeracin (ciclos abiertos), temperatura del aire (aerocondensadores)El lmite econmico est dado por una temperatura de approach ptima ms all de la cual la mejora de eficiencia no est justificada por el aumento desmedido del costo de la instalacon de refrigeracin.Tambin aumenta en forma desmedida el costo de la turbina de baja presin por el aumento de la seccin de escape por el aumento del volumen especfico del vapor

Disminucin de la temperatura de condensacin

Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio

Curvas de VaporCiclo Rankine con recalentamiento intermedio

Ciclo Rankine con recalentamiento intermedioCiclo TermodinmicoEFICIENCIA TERMODINMICA

Instalacin ms compleja Oliga a turbina de dos o ms secciones. Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones. Mejora ttulo de vapor en el escape de turbina. No necesariamente aumenta el rendimiento Eleccin de la presin de recalentado en relacin a la presin inicial (20 a 25 % aproximadamente) Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor y la presin de sobrecalentado Regla general: 1 etapa de recalentamiento por encima de 50 MW. Experiencias no exitosas con 2 etapas Precisiones sobre el recalentamiento

Aumento de eficiencia con n de recalentadores

Efecto de la eleccin presin de recalentamiento Efecto de la relacin de presin inicial / presin de recalentado en rendimiento, temperatura de vapor recalentado fro y ttulo de vapor en el escape de la turbinaCiclo de 180 ata y 540C en entrada de turbina Relacin presin recalentamiento / presion inicialVARIACIN DEL RENDIMIENTOTEMPERATURA DE RECALENTADO FROTTULO DE VAPOR EN EL ESCAPE DE TURBINA

Ciclo Rankine regenerativoEsquema SimplificadoCiclo Termodinmico

Disminuye la irreversibilidad interna (calentamiento gradual del agua de alimentacin) Aumenta el rendimiento termodinmico Disuminuye el trabajo especfico (trabajo / kg de vapor) Instalacin ms compleja Oliga a turbina con extracciones de vapor . Calentadores de superficie exigidos Riesgo de inundacin de calentadores y retorno de agua a turbina. Cantidad de calentadores en funcin de la potencia de grupoCiclos regenerativos

Ciclos regenerativos con calentadores de mezclaDIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE MEZCLA

Ciclos regenerativos con calentadores de superficie en cascadaDIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE SUPERFICIE EN CASCADA

Ciclo Supercrtico con doble recalentamientoDIAGRAMA TS CICLO RANKINE SUPERCRTICO CON DOS RECALENTAMIENTOS

Disminucin del CTU con calentamiento del agua (con recal.)

Curvas de VaporDisminucin del CTU con calentamiento del agua (con recal.)

Aumento de eficiencia con n de calentadores

Parmetros de vapor usuales (1)

Parmetros de vapor usuales (2)

Eficiencias termodinmica de los distintos ciclos de vapor

Concepto de Irreversibilidades Externas: originadas los procesos de intercambio de calor entre el sistema y el exterior Internas: originadas en los procesos de produccin y consumo de trabajo dentro del sistema

Irreversibilidades externasIRREVERSIBILIDAD EN LOS INTERCAMBIOS DE CALOR SURGIDO POR DIFERENCIAS DE TEMPERATURAS ENTRE SISTEMA Y FUENTES EXTERNAS TANTO EN GENERADOR DE VAPOR COMO EN CONDENSADOR

Irreversibilidades internasIRREVERSIBILIDAD EN LA PRODUCCIN DE TRABAJO MECNICO NO ADIABTICO POR PRDIDAS POR FRICCIN TANTO EN TURBINA COMO EN BOMBA DE ALIMENTACIN

Flujo de energa en un ciclo de vapor (Diagrama de Sankey)

Consumo de auxiliares

Esquema de proceso

Ciclo Trmico de un grupo supercrtico 512 MW

h ENTALPA (Btu/lb)P PRESIN (psia)# flujo (lb/h) BFP TURBOBOMBA DE ALIMENTACIN RHTR RECALENTADORSSR REGULADOR DE VAPOR DE SELLOSSPE CONDENSADOR DE VAPOR DE SELLOSH.P. SECCIN DE TURBINA DE ALTA PRESINI.P. SECCIN DE TURBINA DE MEDIA PRESINL.P. SECCIN DE TURBINA DE BAJA PRESINDC DIFERENCIA TERMINAL DE TEMPERATURA DE CONDENSADO (F) TTD DIFERENCIA TERMINAL TEMPERATURAS (F)

Ciclo trmico de cogeneracin toppingCICLO DE COGENERACIN A CONDENSACIN CON EXTRACCIN DE VAPOR PARA PROCESO

Tipos de cogeneracin Topping: se produce vapor de alta entalpa para la produccin de electricidad y se utiliza vapor de baja entalpa para proceso tomado de: Extraccin de vapor a presin intermedia de una turbina a vapor de condensacin Escape de una turbina a vapor de contrapresinLa presin de vapor oscila entre 0.5 a 40 bar. Ejemplos: refinacin y petroqumica donde se genera electricidad y se aprovecha vapor de baja temperatura para calefaccin de reactores / torres de destilacin. Alta eficiencia

Bottoming: se produce vapor de alta entalpa para proceso y el vapor efluente de baja entalpa se utiliza para produccin de electricidad. Ejemplos: hornos de cemento o metalurgia a con gases de escape aun muy calientes que se aprovechan para generacin. Baja eficiencia

Distintas disposiciones de cogeneracin topping Extraccin de vapor a presin intermedia de una turbina a vapor de condensacin Escape de una turbina a vapor a contrapresin Turbogenerador a gas asociado a un HRGS para producir vapor a proceso Turbogenerador a gas asociado a un HRSG / turbogenerador a vapor

Concepto de Cogeneracin