Objetivos de Aprendizaje
Operar la Central a plena capacidad de generación y calcular la Eficiencia de la Central Eléctrica cuando la planta está operando:
- En condiciones normales,
- Con la temperatura del agua de refrigeración muy alta (temperatura del agua del lago: 35°C),
- Sin regeneración.
Excluyendo las centrales hidroeléctricas, la mayoría de las plantas generadoras de energía emplean un tipo de caldera y una turbina de vapor. A continuación se muestra un diagrama esquemático de una central eléctrica de vapor sencilla:
El vapor a alta presión sale de la caldera y entra en la turbina. El vapor se expande en la turbina y realiza un trabajo que permite a la turbina accionar el generador eléctrico. El vapor de escape sale de la turbina y entra en el condensador, donde el calor se transfiere del vapor al agua de refrigeración. La presión del condensado que sale del condensador aumenta en la bomba, lo que permite que el condensado fluya hacia la caldera. Este ciclo termodinámico se conoce como ciclo Rankine.
Eficiencia del ciclo Rankine
Como se ha indicado anteriormente, siempre se pierde algo de calor del vapor al agua de refrigeración. Además, las bombas de alimentación consumen energía, por lo que se reduce la producción de trabajo neto. La eficiencia del ciclo Rankine puede expresarse entonces como:
o
refiriéndose al diagrama anterior y utilizando los valores de entalpía en el ciclo Rankine, podemos escribir:
Mejoras de la eficiencia del ciclo Rankine
Efecto de la presión y la temperatura en el ciclo Rankine
Si la presión de escape disminuye de P4 a P4′ con la correspondiente disminución de la temperatura a la que se rechaza el calor en el condensador el trabajo neto se incrementa por área 1-4-4′-1′-2′-2-1 (ver diagrama siguiente)
De forma similar, si el vapor se sobrecalienta en la caldera, es evidente que el trabajo se incrementa en el área 3-3′-4′-4-3 (véase el diagrama siguiente):
El recalentamiento del vapor se realiza aumentando el tiempo de exposición del vapor a los gases de combustión. El resultado del sobrecalentamiento es que para una potencia dada, la planta que utiliza vapor sobrecalentado será de menor tamaño que la que utiliza vapor saturado seco.
El ciclo de recalentamiento
Antes hemos observado que la eficiencia del ciclo Rankine se incrementa al sobrecalentar el vapor. Si se pudieran encontrar metales que nos permitieran alcanzar temperaturas más altas, el ciclo Rankine podría ser más eficiente. Para mejorar la eficiencia, se ha desarrollado el ciclo de recalentamiento que se muestra esquemáticamente a continuación:
En este ciclo, el vapor se expande hasta cierta presión intermedia en la turbina y se recalienta en la caldera, tras lo cual se expande en la turbina de baja presión hasta la presión de escape. El ciclo Rankine con eficiencia térmica de recalentamiento puede expresarse como:
El ciclo regenerativo
Otra variación del ciclo Rankine es el ciclo regenerativo, que implica el uso de calentadores de agua de alimentación. Durante el proceso entre los estados 2 y 2′ el agua de alimentación se calienta y la temperatura media es mucho menor durante este proceso que durante el proceso de vaporización 2′-3. En otras palabras, la temperatura media a la que se suministra el calor en el ciclo Rankine es menor que en el ciclo Carnot 1′-2′-3-4-1′, y en consecuencia la eficiencia del ciclo Rankine es menor que la del ciclo Carnot correspondiente. La relación entre el ciclo Carnot y el ciclo Rankine se muestra a continuación.
En el ciclo regenerativo, el agua de alimentación entra en la caldera en algún punto entre 2 y 2′. Como resultado, la temperatura media a la que se suministra el calor aumenta. A continuación se muestra un esquema del ciclo práctico:
El rendimiento térmico de la planta
Para calcular el rendimiento térmico global de la planta, debemos ajustar las fórmulas anteriores para incorporar el calor añadido en las secciones de recalentamiento de la caldera:
Instrucciones de laboratorio
Ejecutar la condición inicial I10 230 MW_oil_auto:
- Dibuje un diagrama T-S del ciclo Rankine (no a escala) incluyendo el recalentamiento y la regeneración,
- Usando el Directorio de Grupos de Tendencias, recoja los valores relevantes del proceso,
- Calcule la eficiencia térmica global de la planta:
- En condiciones normales,
- Cuando la temperatura del agua de refrigeración es muy alta (Ajuste la Lista de variables Página 0100, tag#: T00305 a 35°C),
- Cuando todas las válvulas de extracción de vapor están cerradas (es decir.es decir, sin regeneración y T00305 ajustado a 10°C).
Sugerencias &Consejos
En este laboratorio, usted está calculando esencialmente la eficiencia térmica del Ciclo Rankine. Sin embargo, debe tener en cuenta el ciclo de recalentamiento y registrar las siguientes etiquetas en sus tendencias:
- Q02395 Calor transferido del recalentador 1
- Q02375 Calor transferido del recalentador 2
Para la temperatura de entrada del agua de alimentación de la caldera, puede utilizar la etiqueta de temperatura de salida del agua de alimentación del intercambiador de calor de arranque: T02447.
Para el segundo cálculo, localice la página de lista de variables 0100 como se muestra a continuación:
Para el tercer cálculo, asegúrese de que ha cerrado todas las válvulas de extracción de vapor y ajuste T00305 a 10°C:
Para calcular los valores de entalpía, puede utilizar una app o una herramienta online como la Tabla de vapor sobrecalentado: https://goo.gl/GdVM4U
Entregables
Su informe de laboratorio debe incluir lo siguiente:
- Diagrama T-S: Según las instrucciones anteriores,
- Gráficos de tendencia: Suministre todos los gráficos tomados para este laboratorio,
- Cálculo: Utilice MATLAB o MS Excel y calcule la eficiencia térmica global de la planta según las instrucciones del laboratorio.
- Conclusión: Escriba un resumen (máx. 500 palabras, en un cuadro de texto si utiliza Excel) comparando sus resultados y sugerencias para estudios posteriores.
Lectura adicional:
- Termodinámica aplicada para tecnólogos de ingeniería por T. D. Eastop y A. McConkey: Steam Plant.
- Fundamentals of Classical Thermodynamics SI Version por G. J. Van Wylen y R. E. Sonntag: Vapor power cycles.
- Thermodynamics and Heat Power by I. Granet: Vapor power cycles.