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 Elemental
Esquema simplificado del Ciclo Rankine Elemental
Ciclo Rankine contrapresion – condensación
CONTRAPRESIÓN
CONDENSACIÓN
Ciclo Rankine Elemental
Ciclo Termodinámico
E-A Compresión isentrópica bomba alim. (Wp= hA – hE)
A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= hC – hA)
C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= hC – hD)
D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= hE – hD)
TRABAJO NETO Dwneto = (hC – hD) – (hA – hE)
EFICIENCIA TERMODINÁMICA h = Dwneto = (hC – hD) – (hA – hE) = 1 – (hD – hE)
Qa (hC – hA) (hC – hA)
Aumento del trabajo neto
Aumento de la eficiencia
Disminución del costo unitario de la instalación
Optimización
Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento
Esquema del Ciclo Rankine con sobrecalentamiento
Ciclo Rankine con Sobrecalentamiento
Ciclo Termodinámico
E-A Compresión isentrópica bomba alim.(Wp= hA – hF)
A-C Calentamiento a presión cte. caldera ( Qa= hD – hA)
C-D Expansión isentrópica turbina (Wt= hD – hE)
D-E Enfriamiento a presión cte condensador ( Qr= hE – hF)
TRABAJO NETO Dwneto = (hD – hE) – (hA – hF)
EFICIENCIA TERMODINÁMICA h = Dwneto = (hD – hE) – (hA – hF)
Qa (hD – hA)
Aumento de la presión de saturación
Aumento de la temperatura de sobrecalentado
Descenso de la temperatura de la fuente fría
Precalentamiento de agua de alimentación (ciclo regenerativo)
Recalentamiento de vapor
Precalentamiento de agua de alimentación
Precalentamiento del aire de combustión
Estrategias para optimización
Modificación 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 pérdidas por bombeo
Empeoran las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación natural (vapor y agua tienden a igualar densidad y menor efecto termosifón) .
Empeora título 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 presión de vapor
Aumento de eficiencia con aumento de la presión
Mejora el rendimiento (aumenta la temperatura media de la fuente caliente)
Metalurgia aceros aleados cromo molibdeno e inoxidables austeníticos para sobrecalentadores.
Límite máximo práctico en sobrecalentadores: 545 °C a 565°C (costos, condiciones de laminabilidad y soldabilidad)
Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones.
Mejora las condiciones de circulación en generadores de vapor de circulación natural
Mejora título de vapor en el escape de turbina.
Requerido a medida que aumenta caudal de vapor para acompañar aumento de presión
Aumento de temperatura de vapor
Aumento de eficiencia con aumento de la temperatura
Efecto de la disminución de la temperatura de condensado
El límite teórico es la temperatura del sumidero (fuente fría): temperatura de bulbo húmedo del aire (ciclo cerrados con torre de enfriamiento), temperatura del agua de refrigeración (ciclos abiertos), temperatura del aire (aerocondensadores)
El límite económico está dado por una temperatura de “approach” óptima más allá de la cual la mejora de eficiencia no está justificada por el aumento desmedido del costo de la instalacíon de refrigeración.
También aumenta en forma desmedida el costo de la turbina de baja presión por el aumento de la sección de escape por el aumento del volumen específico del vapor
Disminución de la temperatura de condensación
Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio
Curvas de Vapor
Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio
Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio
Ciclo Termodinámico
EFICIENCIA TERMODINÁMICA
Instalación más compleja
Oliga a turbina de dos o más secciones.
Aumenta el costo de metales de generador de vapor y conducciones.
Mejora título de vapor en el escape de turbina.
No necesariamente aumenta el rendimiento
Elección de la presión de recalentado en relación a la presión inicial (20 a 25 % aproximadamente)
Requerido a medida que aumenta el caudal de vapor y la presión 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 elección presión de recalentamiento
Efecto de la relación de presión inicial / presión de recalentado en rendimiento, temperatura de vapor recalentado frío y título de vapor en el escape de la turbina
Ciclo de 180 ata y 540°C en entrada de turbina
Relación presión recalentamiento / presion inicial
VARIACIÓN DEL RENDIMIENTO
TEMPERATURA DE RECALENTADO FRÍO
TÍTULO DE VAPOR EN EL ESCAPE DE TURBINA
Ciclo Rankine regenerativo
Esquema Simplificado
Ciclo Termodinámico
Disminuye la irreversibilidad interna (calentamiento gradual del agua de alimentación)
Aumenta el rendimiento termodinámico
Disuminuye el trabajo específico (trabajo / kg de vapor)
Instalación más compleja
Oliga a turbina con extracciones de vapor .
Calentadores de superficie exigidos
Riesgo de inundación de calentadores y retorno de agua a turbina.
Cantidad de calentadores en función de la potencia de grupo
Ciclos regenerativos
Ciclos regenerativos con calentadores de mezcla
DIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE MEZCLA
Ciclos regenerativos con calentadores de superficie en cascada
DIAGRAMA TS CICLO RANKINE CON DOS CALENTADORES DE SUPERFICIE EN CASCADA
Ciclo Supercrítico con doble recalentamiento
DIAGRAMA TS CICLO RANKINE SUPERCRÍTICO CON DOS RECALENTAMIENTOS
Disminución del CTU con calentamiento del agua (con recal.)
Curvas de Vapor
Disminución del CTU con calentamiento del agua (con recal.)
Aumento de eficiencia con n° de calentadores
Parámetros de vapor usuales (1)
Parámetros de vapor usuales (2)
Eficiencias termodinámica 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 producción y consumo de trabajo dentro del sistema
Irreversibilidades externas
IRREVERSIBILIDAD EN LOS INTERCAMBIOS DE CALOR SURGIDO POR DIFERENCIAS DE TEMPERATURAS ENTRE SISTEMA Y FUENTES EXTERNAS TANTO EN GENERADOR DE VAPOR COMO EN CONDENSADOR
Irreversibilidades internas
IRREVERSIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE TRABAJO MECÁNICO NO ADIABÁTICO POR PÉRDIDAS POR FRICCIÓN TANTO EN TURBINA COMO EN BOMBA DE ALIMENTACIÓN
Flujo de energía en un ciclo de vapor (Diagrama de Sankey)
Consumo de auxiliares
Esquema de proceso
Ciclo Térmico de un grupo supercrítico 512 MW
h ENTALPÍA (Btu/lb)
P PRESIÓN (psia)
# flujo (lb/h)
BFP TURBOBOMBA DE ALIMENTACIÓN
RHTR RECALENTADOR
SSR REGULADOR DE VAPOR DE SELLOS
SPE CONDENSADOR DE VAPOR DE SELLOS
H.P. SECCIÓN DE TURBINA DE ALTA PRESIÓN
I.P. SECCIÓN DE TURBINA DE MEDIA PRESIÓN
L.P. SECCIÓN DE TURBINA DE BAJA PRESIÓN
DC DIFERENCIA TERMINAL DE TEMPERATURA DE CONDENSADO (°F)
TTD DIFERENCIA TERMINAL TEMPERATURAS (°F)
Ciclo térmico de cogeneración “topping”
CICLO DE COGENERACIÓN A CONDENSACIÓN CON EXTRACCIÓN DE VAPOR PARA PROCESO
Tipos de cogeneración
Topping: se produce vapor de alta entalpía para la producción de electricidad y se utiliza vapor de baja entalpía para proceso tomado de:
Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación
Escape de una turbina a vapor de contrapresión
La presión de vapor oscila entre 0.5 a 40 bar. Ejemplos: refinación y petroquímica donde se genera electricidad y se aprovecha vapor de baja temperatura para calefacción de reactores / torres de destilación. Alta eficiencia
Bottoming: se produce vapor de alta entalpía para proceso y el vapor efluente de baja entalpía se utiliza para producción de electricidad. Ejemplos: hornos de cemento o metalurgia a con gases de escape aun muy calientes que se aprovechan para generación. Baja eficiencia
Distintas disposiciones de cogeneración “topping”
Extracción de vapor a presión intermedia de una turbina a vapor de condensación
Escape de una turbina a vapor a contrapresión
Turbogenerador a gas asociado a un HRGS para producir vapor a proceso
Turbogenerador a gas asociado a un HRSG / turbogenerador a vapor
Concepto de Cogeneración