Centrales térmicas - Apuntes de Ingeniería Industrial - Parte 4, Apuntes de Ingeniería Industrial. Universidade da Coruña (UDC)
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Centrales térmicas - Apuntes de Ingeniería Industrial - Parte 4, Apuntes de Ingeniería Industrial. Universidade da Coruña (UDC)

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Apuntes del curso universitario de Ingeniería Industrial sobre las Centrales Térmicas - Facultad de Ingeniería - Parte 4
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Centrales Térmicas, Hidráulicas y Nucleares D:\Clases\CTHN\Apuntes\Termicas\CentralesTérmicas.DOC 18/10/2004

4.6.1 Elementos auxiliares.

Son dispositivos que aunque no intervienen directamente en la combustión ni en la generación

de vapor son imprescindibles para mantener la correcta operación de la caldera.

4.6.1.1 Sopladores de hollín.

El hollín procede de las fracciones incombustibles que inevitablemente acompañan al carbón

pulverizado. Como consecuencia del arrastre de cenizas por los gases de la combustión, los tubos se

recubren de una capa de hollín que entorpece la transmisión de calor, con la consiguiente pérdida de

rendimiento. Por otra parte, la acumulación de cenizas entre los tubos, generalmente muy próximos

entre sí, reduce la sección de paso de los gases aumentando la pérdida de carga, lo que obliga a un

mayor consumo de energía en los ventiladores.

Para solucionar este problema es necesario eliminar periódicamente los depósitos sobre los

tubos. Esto se logra mediante los sopladores de hollín, que son unos tubos en forma de lanza que

arrojan un fluido sobre las paredes de tubos. El fluido puede ser vapor de la caldera, aire comprimido o

agua a presión según la severidad del problema y la disponibilidad de agua tratada.

Existen varios tipos de sopladores:

De pared. Van adosados a una pared de tubos y soplan barriendo un área a su alrededor.

Retráctiles. Además de ser giratorios tienen un dispositivo de avance que les permite

introducirse entre los tubos hasta el centro de la caldera.

Oscilantes. Cubren un área determinada en forma de abanico con su movimiento. Se

utilizan sobre todo en los precalentadores.

El funcionamiento de los sopladores no es simultáneo sino secuencial; uno solo cada vez y por

orden. El mando se realiza mediante un sencillo automatismo cuyos parámetros de duración e intervalo

pueden ajustarse de forma sencilla. El funcionamiento puede seguirse en el cuadro sinóptico de la sala

de control. El ciclo de trabajo puede repetirse varias veces al día, según el consumo de combustible y

el estado de los tubos.

4.6.1.2 Ceniceros.

Los minerales que acompañan al carbón, que no se descomponen a la temperatura del hogar

pero sí se funden dan lugar, por aglomeración, a las escorias. Estas no son arrastradas por la corriente

de gases sino que forman conglomerados de cierto tamaño que caen a la parte inferior de la caldera.

La composición de las escorias varía enormemente según la clase de carbón, la procedencia e

incluso, para una mina determinada, de la veta explotada. También influye el grado de carga y las

condiciones de quemado.

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No obstante, como valores orientativos pueden establecerse los siguientes:

Si O2 = 50,8 a 32,9 % en peso

Al2 O3 = 30,6 a 15,1

Fe2 O3 = 11,0 a 32,9

Ca O = 5,0 a 8,4

Mg O = 0,6 a 0,8

Na2 O+K2O 2,0 a 3,0

La temperatura de fusión de las cenizas también es variable y oscila normalmente entre los

siguientes valores:

Temperatura de deformación inicial: 980 a 1.300ºC

Temperatura de ablandamiento: 1.050 a 1.400ºC

Temperatura de fusión: 1.200 a 1.500ºC

Las escorias dentro del hogar se manejan más fácilmente en estado sólido que cuando se

vuelven pastosas, por ello interesa una temperatura de fusión lo más elevada posible. En estado

pastoso se adhieren a las paredes de agua y a los haces de tubos, haciendo más difícil su limpieza.

El contenido en hierro del carbón es predominante en el comportamiento de las cenizas. El

hierro, dentro del hogar, produce dos óxidos estables: el ferroso y el férrico según la riqueza en

oxígeno de la zona en que se forman. El ferroso, que tiende a bajar la temperatura de fusión, se forma

en las partes altas de la caldera, donde hay poco oxígeno sin combinar; y el férrico, que tiende a

subirla, principalmente en las zonas bajas donde hay exceso de aire.

Por tanto las cenizas procedentes de las partes altas son pastosas y densas, mientras que las de

las zonas bajas son ligeras y secas. Las pastosas caen al fondo del hogar, por ello se llaman cenizas de

fondo, mientras que las secas tienden a ser arrastradas por la corriente de gases y humos y por ello se

denominan cenizas volantes. La proporción entre cenizas volantes y escorias viene a ser de 4:1

respectivamente.

En las centrales eléctricas la extracción de escorias y cenizas se realiza, generalmente,

hidráulicamente. En toda una serie de casos se utilizan sistemas combinados, por ejemplo, para

extraer la ceniza de los separadores de cenizas, se emplea el sistema neumático, y para evacuar las

escorias y las cenizas fuera del territorio de la central eléctrica, el sistema hidráulico.

Se distinguen los siguientes sistemas principales de extracción hidráulica de cenizas:

a) El transporte hidráulico conjunto de escorias y cenizas por medio de bombas

centrífugas (de dragado) y aparatos hidráulicos eyectores por canales de acción por gravedad;

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b) El transporte hidráulico separado, cuando el lodo de escorias se transporta por medio de

bombas de dragado, y el lodo de cenizas mediante bombas centrífugas (de lodos), o bien, las escorias y

las cenizas se transportan por canales separados de acción por gravedad.

El sistema más universal y más económico es el de extracción hidráulica de cenizas por medio

de bombas de dragado que transportan conjuntamente el lodo de cenizas y el de escorias. A causa del

gran consumo de agua en los sistemas de extracción hidráulica de cenizas, de hasta varios miles de

metros cúbicos por hora, y también a causa de las elevadas exigencias planteadas ante la depuración de

las aguas que se vierten en los estanques de agua de utilización comunal, los sistemas de extracción

hidráulica de cenizas se realizan con esquema cerrado de suministro de agua, en el cual el agua

clarificada en el reposadero del vaciadero de cenizas y escorias se utiliza repetidamente.

El sistema neumático de extracción de cenizas se realiza por esquema de presión, de aspiración

(de vacío) o por esquema mezclado. Debido a los inconvenientes que son propios del sistema de

presión (por ejemplo, el empolvoramiento) preponderantemente se utiliza el sistema de vacío de

extracción neumática de cenizas.

Con objeto de enfriar las cenizas primero y de evacuarlas al exterior después, se disponen unos

recipientes llamados ceniceros. Hay dos tipos principales de funcionamiento húmedo y otro de

funcionamiento en seco. Los húmedos pueden ser de funcionamiento continuo (tipo alemán) y de

funcionamiento intermitente (tipo americano).

En los de tipo alemán una cinta metálica de racletas va extrayendo las escorias a medida que

caen. La velocidad permite que salgan ya frías y escurridas para ser vertidas a una cinta transportadora.

Los de tipo americano consisten en un depósito lleno de agua en forma de tolva. Cuando el

volumen de escorias alcanza un cierto nivel se abre la compuerta para vaciarlos. Una trituradora y un

eyector hidráulico conducen la mezcla húmeda al sistema de evacuación de cenizas y escorias. La

extracción de las cenizas volantes se efectúa mediante tolvas colectoras situadas en distintos puntos del

circuito aire-gases. Dichos puntos y la proporción de cenizas recogidas son:

Economizador 5 %

Precalentador de aire 7 %

Precipitador mecánico 25 %

Precipitador electrostático 60 %

Base de la chimenea 3 %

Las cenizas volantes se almacenan en silos ya que su vertido a ríos o al mar está prohibido y su

eliminación es un problema. Por ejemplo, una central que queme 200 t / h de un carbón con un 20 %

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de cenizas (cifras ambas moderadas) habrá producido en toda su vida (25 años) 6 millones de

toneladas (factor de utilización 75 %) equivalentes al volumen de una pirámide de 200 m de lado y

200 de altura. Aunque se han hecho intentos de utilizarlas para fabricar cemento y como base para

construir carreteras, su eliminación sigue constituyendo un grave problema. También se ha sugerido la

posibilidad de devolverlas a la mina.

El fuel produce también cenizas, aunque en menor proporción que el carbón (el 1 % ) y de

naturaleza distinta. Los problemas que crean las cenizas del fuel son: ataque al refractario de las

paredes del hogar; incrustación de depósitos en los haces de recalentamiento; ataque a las tuberías,

incluso a las de aceros con alto contenido en cromo; recubrimiento de las paredes de agua, del

economizador y del precalentador de aire. El análisis de las cenizas de fuel, en promedio es el

siguiente:

Si O2 5 a 9 %

Fe2 O3 6 a 8 %

Al2 O3 1 a 4 %

Ca O 1 a 10 %

Mg O 2 a 3 %

V2 O5 1 a 35 %

Sulfatos alcalinos 37 a 67 %

Los más perjudiciales son el pentóxido de vanadio y los sulfatos alcalinos. Las cenizas del fuel

se adhieren más fácilmente sobre superficies sucias que limpias. De ahí la necesidad de disponer

sopladores de hollín y dispositivos de lavado de los precalentadores.

4.6.1.3 Control de la combustión.

La misión del sistema de control de la combustión consiste en regular la cantidad de aire y

combustible que entran en el hogar, en función de la consigna de potencia eléctrica que debe

suministrar la central. Si se produce una variación brusca de la carga, las condiciones del vapor a la

salida de la caldera ( presión, temperatura) variarán. El sistema de control detecta estas variaciones y

corrige la cantidad de energía que entra en la caldera para mantener el vapor en condiciones de

rendimiento óptimo. La cantidad de combustible debe de ser la mínima necesaria para satisfacer la

potencia pedida, es decir que no sale combustible sin quemar de la caldera, y el coeficiente de exceso

de aire justo el necesario para evitar la presencia de CO en los humos.

En la práctica se suele trabajar en uno de los tres modos siguientes: Turbina siguiendo a

caldera, caldera siguiendo a turbina, y coordinado. Turbina siguiendo a caldera es un sistema de

control que se usa cuando hay que gastar un combustible no almacenable, como el gas de alto horno.

Caldera siguiendo a turbina es el sistema más extendido; la potencia se fija por consigna. El control

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coordinado actúa de forma que ante variaciones de la carga se envíen señales simultáneamente a la

caldera y a la turbina, minimizando el tiempo de respuesta del conjunto.

La presencia de gas combustible en los humos no sólo es un despilfarro, sino que puede ser

peligrosa por el riesgo de combustión, e incluso de explosión, en zonas como recuperadores de calor o

filtros. En el caso de regular según el criterio “caldera siguiendo a turbina” las variables a medir son

presiones y temperaturas a la salida de vapor vivo y de vapor recalentado. La actuación se realiza

primero sobre la cantidad de aire-combustible, a continuación , si es necesario, sobre la atemperación

del vapor por los procedimientos de inyección de vapor, recirculación de gases, inclinación de

mecheros etc. y cuando la marcha es estable se monitorizan los gases a la entrada de la chimenea para

corregir, en su caso,un posible exceso de combustible o de aire.

La utilización creciente de ordenadores para supervisión y control de la combustión permite

reducir la proporción de errores humanos, aumentar la velocidad de actuación frente pequeñas

variaciones de parámetros, registrar los mismos en forma de gráficos y tablas, e incluso, mediante

“sistemas expertos”, tener en cuenta peculiaridades propias de funcionamiento de cada unidad.

Actualmente se empiezan a utilizar las técnicas basadas en “redes neuronales” programadas mediante

retropropagación, que , al ser capaces de aprender, tienen en cuenta factores como el envejecimiento,

por ejemplo.

4.6.1.4 Controles auxiliares.

Los sistemas de evacuación de cenizas y escorias se controlan desde la sala de mandos de la

central. El operador, en función de la carga, ajusta la velocidad de funcionamiento de un mecanismo

secuencial que, a su vez, acciona automáticamente los distintos componentes de los sistemas de

evacuación de escorias y cenizas volantes, de forma que las distintas tolvas se van vaciando según la

secuencia preestablecida. Un sistema similar a éste controla los sopladores de hollín.

4.6.1.5 Regulación de la caldera.

Aparte de los sistemas de control de la combustión, aire-combustible, existen varios

procedimientos para controlar la temperatura del vapor sobrecalentado y recalentado.

Atemperación del vapor por inyección de agua. Consiste en inyectar agua entre el

sobrecalentador primario y el secundario, para evitar que éste alcance excesiva temperatura.

Recirculación de gases. Los gases calientes a la salida del hogar se reintroducen en éste. La

temperatura del hogar disminuye, y con ella la del sobrecalentador de radiación. Si la recirculación es

moderada y la cantidad de aire - combustible se ha reducido, la temperatura en los haces de

convección variará poco. En conjunto, la temperatura del vapor baja.

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Desvío de gases. Consiste en evitar que los gases circulen por el sobrecalentador de

convección, desviándolos hacia una zona de la caldera donde no hay tubos. El efecto se traduce en una

reducción de la temperatura del vapor.

Inclinación de los mecheros. Cuando se dirigen hacia el suelo la proporción de calor absorbido

por las paredes de agua es mayor por lo que los gases ( y el vapor ) se enfrían. Este efecto es

transitorio; al cabo de un tiempo el balance térmico se restablece, pero mientras tanto el sistema de

control de la combustión ha tenido tiempo de actuar.

En cuanto a la estructura de soporte, las calderas pequeñas suelen ir apoyadas, mientras que las

grandes van suspendidas dilatando libremente hacia abajo. En las apoyadas, los propios tubos de la

caldera hacen de soporte de la parte superior por lo que no hay problema en dilatar hacia arriba. En las

suspendidas, la dilatación se guía por medio de unos perfiles que mantienen alineadas las paredes y el

cierre por la parte inferior es hidráulico.

Filtros 46 de 66

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La zona de radiación de la caldera se prolonga hacia la zona de absorción de calor por

convección, pasando a través de los serpentines del sobrecalentador, recalentador y economizador,

desde donde se envían a los precalentadores de aire, ya descritos. Si el contenido de cenizas volantes

es elevado hay que disponer un sistema de filtros o precipitadores para retenerlas al máximo de forma

que las emisiones por la chimenea estén dentro de los márgenes legales. Los combustibles líquidos y

gaseosos no producen cenizas volantes.

4.7 Filtros

Generalmente se usa una combinación de filtros mecánicos y electrostáticos. Los mecánicos

separan las partículas más pesadas por cambios de dirección o por fuerza centrífuga; así tenemos

filtros llamados de ZIG-ZAG y filtros tipo ciclón. Las partículas intermedias son retenidas por los

filtros “de mangas”,

Entrada de aire sucio

Salida de aire limpio

Descarga de cenizas

y las más finas por los electrostáticos. Las mangas consisten en unos tubos cilíndricos de

material poroso. La filtración se puede producir en la masa del material, con lo que éste se colmata y

hay que sustituir poque no es regenerable, o bien en la superficie, con lo que es posible su limpieza. El

material de elección, en este caso, es el Gore-Tex ®, que es una lámina de PTFE ( politetrafluor

etileno ;”teflón” ) microporoso. Resiste ácidos y álcalis ,temperaturas hasta 250 oC y es antiadherente.

4.7.1 Precipitadores electrostáticos.

El principio de funcionamiento de un filtro electrostático es la ionización producida por un

campo eléctrico elevado sobre las partículas sólidas, que después son atraídas por los electrodos, en

forma de placas, en donde se depositan. La tensión entre electrodos está entre 20 kV y 100 kV. De

Ventiladores de tiro inducido 47 de 66

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estas placas, después de descargarse eléctricamente, se desprenden por sacudidas mecánicas cayendo a

unas tolvas de donde las extrae el sistema de evacuación de cenizas.

El consumo de energía puede ser considerable: del orden de 2 W por m 2 de superficie

colectora, lo cual, para una planta de 400 MW puede suponer entre 600 y 800 kW con alimentación en

continua y alrededor del 10 % de esta cifra con corriente continua pulsante y detectores de efecto

corona.

Los electrofiltros más comunes son de placas, aunque existen también tubulares, constituidos

por una serie de tubos verticales en el interior de los cuales se encuentran los electrodos de ionización.

En la práctica se pueden dimensionar para cualquier eficiencia de desempolvado. La eficiencia viene

dada por la expresión:

ε = 1 - e -W(F/Q)

en la que W es una magnitud específica denominada velocidad de migración, F la superficie de

precipitación y Q el caudal de gases. Cuanto mayor sea la velocidad de migración menor podrá ser el

tamaño del electrofiltro, para igual eficiencia. Este factor W contiene todos los parámetros que

influyen en diseño, como tensión de alimentación, intensidad del campo eléctrico, tipo y eficiencia de

los electrodos y sistemas de golpeo etc.

4.8 Ventiladores de tiro inducido

A continuación de los filtros, si el hogar es en depresión, están los ventiladores de tiro inducido

(dos, por seguridad ) que envían los gases a la chimenea. Antiguamente la altura de la chimenea se

calculaba de forma que el tiro natural, al conectar con niveles de la atmósfera normalmente más fríos,

estuviese garantizado en cualquier circunstancia.

Modernamente, el tiro se encomienda a los ventiladores, y la altura de la chimenea se calcula

de forma que la dilución de contaminantes en la atmósfera garantice unas emisiones, a nivel del suelo,

dentro de los márgenes legales. Este cambio de criterio de dimensionamiento, de técnico a

medioambiental, está cada vez más presente en el diseño de centrales térmicas; también se da en la

temperatura del agua de refrigeración, que repercute en el tamaño del condensador, en los parques de

almacenamiento de cenizas y escorias, para prevenir infiltraciones ( percolación) al terreno, etc. ).

Ventiladores de tiro inducido 48 de 66

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5 Circuito agua vapor.

Como es sabido, el fluido de trabajo del ciclo termodinámico, en nuestro caso agua, funciona

en circuito cerrado (salvo pequeñas pérdidas y adiciones). Con objeto de aumentar la cantidad de

energía transmitida de la caldera a la turbina, por unidad de masa de agua (vapor), el salto entálpico

tiende a ser cada vez mayor, y con él las presiones y temperaturas a la entrada de la turbina. Desde el

punto de vista técnico, la limitación está en la calidad de los aceros tanto de los haces de tuberías de la

caldera como de los álabes de la turbina. En la actualidad son usuales presiones en torno a los 180 bar

y temperaturas del orden de 550ºC.

Recordando las propiedades de los fluidos, sabemos que, para una presión dada, al aportar

calor la temperatura se eleva hasta alcanzar el punto de ebullición; mientras dura el cambio de fase la

temperatura no varía y cuando todo el fluido está en fase de vapor, posteriores aportaciones de calor

suponen un nuevo aumento de la temperatura. Si reflejamos en un gráfico este hecho encontramos uno

como el de la figura,

Punto crítico

T

V

Pc

P2

P1

Tc

V c Como puede verse hay unas condiciones de presión y temperatura para las que el cambio de

fase es instantáneo; no coexisten líquido y vapor simultáneamente. Son las condiciones críticas, que

definen el punto crítico. Para el agua son:

Pc = 224,4 kg / cm 2

Tc = 374,1ºC

En las condiciones críticas el volumen del agua y del vapor son iguales, llamándose igualmente

volumen específico crítico, como todas las propiedades que se refieren a este punto. Si la presión de

trabajo de la caldera es inferior a la crítica ésta se denomina sub-crítica; por el contrario, si es superior

se denomina supercrítica o también hiper-crítica. El proceso de generación de vapor en una caldera

subcrítica se realiza en tres fases: la primera de calentamiento hasta la temperatura de ebullición. La

segunda de evaporación, a temperatura constante, y la tercera de recalentamiento con elevación de la

Calderín 49 de 66

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temperatura del vapor. La presión se mantiene constante, salvo las pequeñas pérdidas de carga en los

tubos.

5.1 Calderín

El tipo de ciclo empleado es el Rankine, con un recalentamiento. La circulación de agua en las

calderas subcríticas puede ser natural o asistida; en las hipercríticas es forzada. En las calderas de

circulación natural el agua de alimentación, que procede de la bomba principal de condensado, pasa

por el economizador, para aumentar su temperatura y se introduce en un calderín desde donde baja,

por un conjunto de tubos exteriores al hogar, para alimentar las llamadas “paredes de agua”. El vapor

formado asciende arrastrando una parte de agua sin evaporar, hacia el calderín donde se realiza la

separación del agua y del vapor mecánicamente.

Una vez separados, el agua vuelve a bajar para seguir vaporizándose, mientras que el vapor se

dirige a los sobrecalentadores para aumentar su temperatura. El calderín cumple dos misiones

distintas: por un lado, mantener una reserva de agua, para hacer frente a fluctuaciones en la demanda

de vapor, y por otra, separar el vapor del agua arrastrada.

5.2 Circulación natural, asistida y forzada

La circulación de agua, en el supuesto anterior, se realiza exclusivamente por diferencia de

densidad; por ello se denomina circulación natural. Si se desea una mayor velocidad de circulación

para aumentar la transmisión de calor, a la vez que se tiene un cierto control sobre la misma, se puede

impulsar el agua mediante bombas; son las llamadas calderas con circulación asistida. En el sistema de

circulación forzada, la presión de trabajo es superior a la crítica, y no existen tubos con mezcla agua -

vapor, ya que el agua se transforma completamente en vapor al llegar a la temperatura crítica, sin

cambio de volumen. Estas calderas se suelen denominar “ monotubular” o “ de un solo paso”.

La caldera de circulación natural es la más simple, más económica por no utilizar bombas, y

menos expuesta a averías. La de circulación asistida tiene más flexibilidad de operación y menos

inercia en arranques y paradas; mayor uniformidad en la distribución de temperaturas a lo largo de los

tubos y rendimiento algo mejor.

Economizador.

Con los gases que salen de la caldera, hacia la chimenea, escapa una considerable cantidad de

calor, cuya utilización en la misma caldera ya no es posible. Para aprovechar este calor en lo que sea

posible, se hacen pasar los humos por un economizador, llamado también recuperador que, consiste,

esencialmente en un sistema de tubos, por cuyo interior circula el agua de alimentación, y que está

rodeado por los gases cuyo calor se pretende recuperar. El agua entra fría por la parte inferior del

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