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1.3: Eficiencia de la Planta de Energía

  • Page ID
    152144
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    Objetivos de aprendizaje

    Opere la Planta a plena capacidad de generación y calcule la Eficiencia de la Planta de Energía cuando la planta esté operando:

    • En condiciones normales,
    • Con la temperatura del agua de enfriamiento muy alta (temperatura del agua del lago: 35°C),
    • Sin regeneración.

    Teoría

    Excluyendo las centrales hidroeléctricas, la mayoría de las plantas generadoras emplean un tipo de caldera y turbina de vapor. A continuación se muestra un diagrama esquemático de una planta de energía de vapor simple:

    Diagrama esquemático de una planta de vapor

    Diagrama esquemático de una planta de vapor

    El vapor de alta presión sale de la caldera y entra en la turbina. El vapor se expande en la turbina y funciona lo que permite que la turbina impulse 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 se incrementa en la bomba permitiendo así que el condensado fluya hacia la caldera. Este ciclo termodinámico se conoce como el Ciclo Rankine.

    La eficiencia del ciclo de Rankine

    Como se señaló anteriormente, siempre se pierde algo de calor del vapor al agua de refrigeración. Además, las bombas de alimentación consumen energía reduciendo así la producción neta de trabajo. La eficiencia del ciclo de Rankine entonces se puede expresar como:

    \ eta_ {Rankine} =\ frac {Net\ trabajo\ salida} {Calor\ suministrado\ en\ la\ caldera}

    o

    \ eta_ {Rankine} =\ frac {W_ {Turbina} -W_ {Bomba}} {Q_ {caldera}}

    haciendo referencia al diagrama anterior y usando los valores de entalpía en el ciclo de Rankine, podemos escribir:

    \ eta_ {Rankine} =\ frac {(h_ {1} -h_ {2}) - (h_ {4} -h_ {3})} {(h_ {1} -h_ {4})}

    Mejoras en la eficiencia del ciclo Rankine

    Efecto de la Presión y la Temperatura en el Ciclo de Rankine

    Si la presión de escape cae de P 4 a P 4 'con la disminución correspondiente de la temperatura a la que se rechaza el calor en el condensador el trabajo neto se incrementa en el área 1-4-4′-1′-2'-2-1 (ver diagrama a continuación)

    Efecto de la presión de escape

    Efecto de la presión de escape

    De manera similar, si el vapor es sobrecalentado en la caldera, es evidente que el trabajo se incrementa en el área 3-3′-4′-4-3 (ver diagrama a continuación):

    Efecto del sobrecalentamiento

    Efecto del sobrecalentamiento

    El sobrecalentamiento del vapor se realiza aumentando el tiempo que el vapor se expone a los gases de combustión. El resultado del sobrecalentamiento es que para una potencia de salida dada, la planta que utiliza vapor sobrecalentado será de menor tamaño que la que usa vapor seco saturado.

    El ciclo de recalentamiento

    Arriba señalamos 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 de Rankine podría ser más eficiente. Para mejorar la eficiencia, se ha desarrollado el ciclo de recalentamiento que se muestra esquemáticamente a continuación:

    Ciclo Rankine con recalentamiento

    Ciclo Rankine con recalentamiento

    En este ciclo, el vapor se expande a cierta presión intermedia en la turbina y luego se recalienta en la caldera, después de lo cual se expande en la turbina de baja presión a la presión de escape. Ciclo Rankine con eficiencia térmica de recalentamiento se puede expresar como:

    \ eta_ {térmica} =\ frac {W_ {12} +W_ {67} -W_ {43}} {Q_ {41} +Q_ {26}}

    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 promedio es mucho menor durante este proceso que durante el proceso de vaporización 2′-3. Es decir, la temperatura promedio a la que se suministra 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. A continuación se muestra la relación entre el ciclo de Carnot y el ciclo de Rankine.

    Relación entre el ciclo Carnot y el ciclo Rankine

    Relación entre el ciclo Carnot y el ciclo Rankine

    En el ciclo regenerativo, el agua de alimentación ingresa a la caldera en algún punto entre 2 y 2′. Como resultado, se incrementa la temperatura promedio a la que se suministra calor. A continuación se muestra un esquema del ciclo práctico:

    Ciclo regenerativo

    Ciclo regenerativo

    La eficiencia térmica de la planta

    Para calcular la eficiencia térmica general de la planta, necesitamos ajustar las fórmulas anteriores para incorporar calor agregado en las secciones del recalentador de la caldera:

    \ eta_ {térmica} =\ frac {W_ {Turbinas} -W_ {Bombas}} {Q_ {caldera} +Q_ {recalentado1} +Q_ {recalentado2}}

    Instrucciones de laboratorio

    Ejecute la condición inicial I10 230 MW_OIL_AUTO:

    • Dibuje un diagrama T-S del ciclo Rankine (no a escala) que incluya recalentamiento y regeneración,
    • Usando Trend Group Directory, recopilar los valores de proceso relevantes,
    • Calcular la eficiencia térmica general de la planta:
      • En condiciones normales,
      • Cuando la temperatura del agua de refrigeración es muy alta (Establecer la Lista Variable Página 0100, etiqueta#: T00305 a 35°C),
      • Cuando todas las válvulas de extracción de vapor están cerradas (es decir, sin regeneración y T00305 ajustado a 10°C).

    Sugerencias y consejos

    En este laboratorio, esencialmente estás calculando 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 Recalentar 1 calor transferido
    • Q02375 Recalentar 2 calor transferido

    Para la temperatura de entrada del agua de alimentación de la caldera, puede usar la etiqueta de temperatura de salida del agua de alimentación del intercambiador de calor de arranque #: T024

    Para el segundo cálculo, localice la Página de Lista de Variables 0100 como se muestra a continuación:

    Ajuste de temperatura del agua del lago

    Ajuste de temperatura del agua del lago

    Para el tercer cálculo, asegúrese de cerrar todas las válvulas de extracción de vapor y establecer T00305 a 10°C:

    Sin extracción de vapor

    Sin extracción de vapor

    Para calcular los valores de entalpía, puede usar una aplicación o herramienta en línea 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,
    • Parcelas de tendencia: Suministrar todas las parcelas tomadas para este laboratorio,
    • Computación: Utilice MATLAB o MS Excel y calcule la eficiencia térmica general de la planta según las instrucciones de laboratorio.
    • Conclusión: Escriba un resumen (máx. 500 palabras, en un cuadro de texto si usa Excel) comparando sus resultados y sugerencias para un estudio posterior.

    Lectura adicional:

    • Termodinámica Aplicada para Tecnólogos de Ingeniería por T. D. Eastop y A. McConkey: Planta de Vapor.
    • Fundamentos de la termodinámica clásica Versión SI de G. J. Van Wylen y R. E. Sonntag: Ciclos de potencia de vapor.
    • Termodinámica y Poder Térmico por I. Granet: Ciclos de potencia de vapor.

    This page titled 1.3: Eficiencia de la Planta de Energía is shared under a CC BY license and was authored, remixed, and/or curated by Serhat Beyeni and Sanja Boskovic (BC Campus) .