PFC Sergio Mier Santiso

Sergio Mier Santiso Proyecto Fin de Carrera. Universidad Carlos III de Madrid

Ingeniera Industrial. Intensificacin Tecnologas Energticas. Departamento de Ingeniera Trmica y de Fluidos. rea de Ingeniera Trmica.

Proyecto Fin de Carrera. Ingeniera Industrial

ANLISIS TERMODINMICO Y CLCULO BSICO DE LA CALDERA Y LA TORRE DE REFRIGERACIN DE LA

CENTRAL TRMICA DE LA ROBLA GRUPO I

Autor: Sergio Mier Santiso Director: Domingo Santana Santana

Departamento de Ingeniera Trmica y de Fluidos. rea de Ingeniera Trmica. Escuela Politcnica Superior. Universidad Carlos III de Madrid.

Octubre 2013


Ingeniera Industrial. Intensificacin Tecnologas Energticas. Departamento de Ingeniera Trmica y de Fluidos. rea de Ingeniera Trmica. Pgina I

NDICE Resumen..III Captulo 1: Introduccin.1 Captulo 2: Descripcin de la Planta................21 Captulo 3: Anlisis Termodinmico..55 Captulo 4: Caldera.......74

Captulo 5: Torre de Refrigeracin.............111 Captulo 6: Suministro sostenible de energa elctrica.......168 Captulo 7: Conclusiones.......230 Bibliografa.......237 ANEXOS

A.1.- Clculo del ciclo termodinmico de la C.T. de La Robla Grupo I.......250

A.2.- Clculo de la caldera de la C.T. de La Robla Grupo I..302

A.3.- Clculo de la torre de refrigeracin de la C.T. de La RoblaGrupo I.346


Ingeniera Industrial. Intensificacin Tecnologas Energticas. Departamento de Ingeniera Trmica y de Fluidos. rea de Ingeniera Trmica. Pgina III

Resumen El presente proyecto fin de carrera tiene como objetivo general el anlisis

termodinmico del ciclo de potencia y el clculo bsico de la caldera y la torre de

refrigeracin del Grupo I (270 MW de potencia nominal) de la Central Trmica de La

Robla (Len), cuyo principal combustible es el carbn. Asimismo se pretende dar una

visin general de las nuevas tecnologas para la combustin del carbn, as como una

introduccin a la Captura y Almacenamiento de CO2.

El anlisis termodinmico del ciclo de vapor (Ciclo Rankine) se realiza asumiendo una

serie de hiptesis, entre ellas: sistema adiabtico, estacionario, con procesos

internamente reversibles en bombas, generador de vapor, recalentador y condensador,

as como procesos isoentlpicos en vlvulas. Energa cintica y potencial despreciables

y ttulo de vapor siempre por encima de 0,9 para evitar la corrosin en turbinas.

El clculo de la Caldera se realiza por el mtodo Plug-flow unidimensional. El uso de

la caldera cumple dos funciones principales: producir el vapor que ha de alimentar las

turbinas y el vapor auxiliar para usos diversos de la Central.

El clculo de la torre de refrigeracin utiliza la Teora de Merkel para la modelizacin

de la transmisin de calor y masa que se da lugar en el interior de la misma. La torre de

refrigeracin aprovecha el proceso de evaporacin por contacto directo aire-agua para

disminuir la temperatura del agua de refrigeracin del condensador.

Finalmente se describen nuevas tecnologas para la combustin del carbn que pueden

servir de apoyo para alcanzar el suministro sostenible de energa elctrica. Tambin se

desarolla el concepto de planta de emisiones nulas en el que interviene la tecnologa de

captura y almacenamiento de CO2 (CAC). Se presentan distintos proyectos en marcha

tanto nacionales como internacionales para la CAC.

Captulo 1 INTRODUCCIN

1.1. Objeto del Proyecto........2 1.2. Antecedentes y Motivaciones4

1.2.1. Generacin de energa elctrica. Centrales trmicas de carbn...4

1.2.2. Uso responsable de la energa.........4 1.2.3. El carbn como fuente primaria de energa. La

generacin elctrica. El caso de Espaa9 1.2.4. Futuro previsible del uso del carbn15 1.2.5. Riesgo para el futuro de la generacin elctrica.17


Captulo 1:Introduccin

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1.1.-OBJETO DEL PROYECTO El objetivo general del presente proyecto es el anlisis termodinmico del ciclo de

potencia y el clculo bsico de la caldera y la torre de refrigeracin del Grupo I (270

MW de potencia nominal) de la Central Trmica de La Robla (Len), cuyo principal

combustible es el carbn. Asimismo se pretende dar una visin general de las nuevas

tecnologas para la combustin del carbn, as como una introduccin a la Captura y

Almacenamiento de CO2.

En un primer captulo se da una introduccin a la generacin de energa elctrica tanto a

nivel mundial como a nivel Nacional.

En el segundo captulo se da una visin general de las instalaciones y equipos de la

Central Trmica de La Robla, centrandose en el Grupo I.

El tercer captulo da una descripcin tecnolgica de los distintos circuitos necesarios

para realizar el ciclo de vapor (Ciclo Rankine) as como las mejoras tecnolgicas

posibles y de aplicacin directa en el clculo del ciclo termodinmico del Grupo I de la

Central Trmica de La Robla.

En el cuarto captulo se da unas nociones generales de los distintos tipos de caldera, as

como de la transferecia de calor en el hogar de una caldera y los distintos sistemas de

control de las mismas. Se presentan dos modelos matemticos distintos para el clculo

de calderas y se realiza el clculo de la Caldera correspondiente al Grupo I de la

Central Trmica de La Robla por el mtodo Plug-flow unidimensional. El uso de la

caldera cumple dos funciones principales: producir el vapor que ha de alimentar las

turbinas y el vapor auxiliar para usos diversos de la Central.

El quinto captulo da una visin general de los tipos de torres de refrigeracin. Explica

los modelos fsicos y matemticos para el clculo de la transmisin de calor y la

transferencia de masa que se producen en las torres de refrigeracin (Teora de Merkel).

Se dan unas nociones de los distintos sitemas de transferencia y rellenos de las torres as

como de la prevencin y el control de la legionelosis. Finalmente se procede al clculo




de la torre de refrigeracin para el Grupo I de la Central Trmica de La Robla. La torre

de refrigeracin aprovecha el proceso de evaporacin por contacto directo aire-agua

para disminuir la temperatura del agua de refrigeracin del condensador.

El sexto captulo describe las nuevas tecnologas para la combustin del carbn, as

como el concepto de planta de emisiones nulas en el que interviene la tecnologa de

captura y almacenamiento de CO2 (CAC). Se presentan distintos proyectos en marcha

tanto nacionales como internacionales para la CAC. Finalmente se trata la reduccin de

emisiones en la Central Trmica de La Robla mediante una serie de actuaciones

particulares.

En los timos captulos se tratan las conclusiones, posible ampliacin del presente

proyecto y trabajos futuros que pueden surgir a raz de este y las correspondiente

bibliografa utilizada.




1.2.-ANTECEDENTES Y MOTIVACIONES 1.2.1.- GENERACIN DE ENERGA ELECTRICA. CENTRALES TRMICAS DE CARBN Segn el informe Coal Facts 2011 de World Coal Institute, en 2010 el carbn

suministr el 29,6% de la energa primaria consumida en el mundo, slo por detrs del

petrleo. Adems es la primera fuente de energa elctrica, con el 42% de la produccin

mundial.

Las reservas de carbn se encuentran repartidas en 70 pases con yacimientos

aprovechables. Al ritmo actual de consumo se calcula que existen reservas probadas

para 118 aos, por 46 y 59 del petrleo y el gas respectivamente. A parte, hay que tener

en cuenta que el 62% de las reservas de petrleo y el 64% de las de gas se encuentran en

Oriente Medio y Rusia. En Espaa los principales yacimientos de hulla y antracita estn

en Len, Asturias, Palencia, Crdoba y Ciudad Real.

Las centrales trmicas de carbn pulverizado constituyen la principal fuente mundial de

energa elctrica. En los ltimos aos se han desarrollado otros tipos de centrales que

tratan de aumentar el rendimiento y reducir las emisiones contaminantes, entre ellas las

centrales de lecho fluido a presin. Otra tecnologa en auge es la de los ciclos

combinados que utilizan como combustible gas de sntesis obtenido mediante la

gasificacin del carbn.

1.2.2.- USO RESPONSABLE DE LA ENERGA

Los tres pilares sobre los que se apoya el uso responsable de la energa son:

- Coste asequible de la energa.

- Seguridad del suministro de energa.

- Conservacin del medioambiente.




El desarrollo de los pueblos. Costes de la energaUna de las cuestiones ms importantes en el uso de la energa es su coste. La energa es

bsica para la subsistencia y desarrollo de los pueblos.

En una economa global como la presente, es vital que la energa sea barata, ya que

solamente una energa barata permitir a los pueblos en desarrollo acceder a un nivel de

desarrollo comparable al del mundo desarrollado.

El carbn ha sido tradicionalmente el combustible con el precio ms estable a la vez que

ms barato. Esto se debe a que su precio refleja bastante bien el coste de produccin.

El grfico siguiente nos muestra cmo ha evolucionado el precio del carbn en

comparacin con el precio del petrleo y del gas.

Figura 1.1: Evolucin histrica de los precios de distintos combustibles




El motivo de esta estabilidad se debe a que existen gran cantidad de reservas a un coste

razonable, bastante homogneamente repartidas en pases de economa de mercado y en

manos de empresas privadas.

La seguridad de suministro. Reservas de carbn en el mundo. Su distribucin geogrfica. La seguridad de suministro es el segundo pilar sobre el que se asienta el desarrollo

sostenible.

La seguridad energtica, definida en un sentido amplio (segn la Agencia Internacional

de la energa - AIE), significa suministros adecuados, asequibles y fiables de energa.

Para un determinado pas esta seguridad de suministro es tanto mayor cuantas ms

reservas de energa tenga el mismo o en su defecto cuanto ms prximas estn las

reservas, no solo geogrficamente sino por cualquier otro tipo de afinidades.

El carbn es, entre las energas fsiles la ms abundante en la naturaleza. Sus reservas

totalizan segn el instituto alemn de ciencias naturales (BGR) de Hanover, 736

billones de toneladas, suficientes para un consumo equivalente al actual durante 140-

150 aos.

Adicionalmente a la seguridad que supone la cantidad de reservas disponibles, hay que

considerar que estas reservas se encuentran distribuidas a lo largo del planeta en

mltiples regiones de diversos regmenes polticos que permiten una razonable

estabilidad de suministro.

El mapa siguiente muestra la distribucin de las reservas de carbn en los distintos

continentes.




Figura 1.2: Mapa de la distribucin mundial de las reservas de carbn

La conservacin del medio ambiente. Desarrollo de tecnologas limpias. El carbn, al igual que el resto de las energas fsiles produce en su combustin una

serie de subproductos que contaminan la atmosfera y que deben ser eliminados en aras

de una buena conservacin medioambiental. Las emisiones ms importantes de una

central trmica en el medio atmosfrico son de partculas y gases, en concreto, xidos

de Azufre (SO2), xidos de Nitrgeno (NOx), Dixido de Carbono (CO2), y Partculas.

Las emisiones pueden ser eliminadas mediante tecnologas, cada vez ms desarrolladas

y cuyos lmites estn regulados en los distintos pases mediante la correspondiente

legislacin. En Europa la directiva, 2001/80/CE establece lmites de emisin cada vez

ms exigentes a las grandes instalaciones de combustin.




Tabla 1.1: Valores Lmite de Emisin (VLE) recogidos en la Autorizacin Ambiental

Integrada de la Central Trmica de la Robla

Entre los gases de efecto invernadero est el CO2, que es uno de los productos de la

combustin del carbono de los diversos combustibles fsiles. Sin embargo la mayor

produccin de CO2 por unidad de energa producida en el caso del carbn en

comparacin con el gas natural constituye un elemento de preferencia del segundo

desde el punto de vista de calidad medioambiental.

El carcter global del efecto que producen las emisiones atmosfricas de los citados

gases hace todava ms complejo su tratamiento y regulacin. En cualquier caso la

comunidad mundial ha tomado conciencia del problema y lo ha afrontado de diversas

maneras.

El protocolo de Kioto perteneciente a la Convencin Marco de las Naciones Unidas

sobre el Cambio Climtico es tambin un acuerdo internacional que tiene por objetivo

reducir las emisiones de seis gases de efecto invernadero, entre ellos el CO2. Dicho

protocolo estableci determinadas actuaciones que fueron adoptadas libremente por los

distintos pases que se adhirieron a l. La Unin Europea, que si lo ha suscrito tiene un

plan de reduccin de emisiones y ha creado un mercado de derechos de emisin de

CO2, tendente a redistribuir los esfuerzos de esta reduccin y a que la emisin del

mismo tenga un coste para la industria que lo emita.

El protocolo fue inicialmente adoptado el 11 de diciembre de 1997 en Kioto, Japn,

pero no entr en vigor hasta el 16 de febrero de 2005. En noviembre de 2009, eran 187

estados los que ratificaron el protocolo. EE. UU., segundo mayor emisor de gases de

efecto invernadero mundial tras China, no ha ratificado el protocolo.




Por otra parte, pases en desarrollo como China e India se han convertido en brevsimo

plazo en los mayores emisores de gases de efecto invernadero a la atmosfera, debido a

que las grandes tasas de crecimiento que estn experimentando se ven necesariamente

acompaadas de grandes crecimientos de la demanda energtica basada lgicamente en

aquellos combustibles ms prximos y baratos, como es el carbn en el caso de China e

India para la generacin de electricidad y el uso creciente del petrleo en el transporte.

Como va de solucin de este problema, la captura y almacenamiento de CO2 (CCS) es

una de las opciones ms prometedoras para mitigar las emisiones procedentes de

centrales elctricas de carbn y otras instalaciones industriales. Juega un papel

importante en estabilizar las concentraciones de CO2. La CCS es un proceso de tres

pasos que implica la captura del CO2 emitido por fuentes estacionarias a gran escala y

la compresin del gas y su transporte (normalmente mediante gasoductos) a un lugar de

almacenamiento, como una formacin salina profunda, un campo de petrleo / gas

agotado o una capa de carbn no explotable . El CO2 puede utilizarse tambin para una

mejor recuperacin de petrleo o gas.

Los procesos de CCS pueden capturar actualmente ms del 85% del CO2 que de otro

modo emitira una central elctrica, pero pueden reducir la eficiencia trmica de la

central en 8 a 12 puntos porcentuales y, por lo tanto, aumentar la alimentacin con

combustibles fsiles, debido a la energa adicional consumida en la captura del gas.

Inicialmente se espera que el CCS se aplique principalmente en centrales elctricas de

carbn, debido a que las emisiones de CO2 a capturar son proporcionalmente ms

grandes que en las centrales de petrleo o gas natural, reduciendo el coste por tonelada.

1.2.3.- EL CARBN COMO FUENTE PRIMARIA DE ENERGA. LA GENERACIN ELCTRICA. EL CASO DE ESPAA

La electrificacin de Espaa se inici, en base a fuentes autctonas. Al principio

mediante la energa hidroelctrica y a continuacin con grupos de carbn situados

prximos a las minas espaolas. A principio de los aos 70 el bajo precio del fuel-oil y

el desarrollo de unas calderas tecnolgicamente sencillas y razonablemente econmicas




propician la construccin de diversos grupos de fuel oil que en pocos aos vinieron a

representar un porcentaje muy importante de la generacin total de electricidad.

Solamente la central de Aboo se construa en ese tiempo, que si bien estaba diseada

para el uso al 100% de fuel oil, tambin poda hacerlo con el mismo porcentaje de

carbn. Las crisis del petrleo (la primera en 1973 y pocos aos ms tarde la segunda en

1979) y la ausencia de petrleo autctono en Espaa obligaron al gobierno a promover

la construccin acelerada de un importante nmero de grupos de carbn, tanto para ser

alimentados con produccin nacional como con carbn de importacin. Los grupos de

carbn nacional poco a poco han ido sustituyendo este por carbn de importacin, si

bien es cierto que el Real Decreto 134/2010 establece que las cantidades anuales de

carbn autctono a adquirir por los titulares de las centrales trmicas sern las que se

fijen para cada ao por resolucin de la Secretara de Estado de Energa, as como que

slo se aplicarn a las cantidades de carbn que se benefician de ayudas de Estado.

Dichas resoluciones fijan las cantidades de carbn, el volumen mximo de produccin y

los precios de retribucin de la energa, para cada ao, a aplicar en el proceso de

resolucin de restricciones por garanta de suministro. Sin embargo en cualquier caso

aquellos grupos de carbn que mayoritariamente fueron entrando en servicio a lo largo

de los aos 80 siguen en la actualidad funcionando con una utilizacin mxima.

Durante aquellos aos y hasta finales de los aos 90 la estructura de generacin en

Espaa era bsicamente la siguiente: HIDRAULICA: 20% NUCLEAR 35% CARBON:

40% FUEL-OIL Y OTROS: 5% Estos porcentajes lgicamente variaban ao a ao

dependiendo de las diversas situaciones de hidraulicidad, disponibilidad de grupos etc.

El cuadro siguiente muestra la capacidad instalada de carbn en Espaa peninsular, el

ao de puesta en marcha de cada grupo as como la produccin y funcionamiento de

cada grupo en el ao 2007.




Tabla 1.2: Capacidad instalada de los grupos de carbn en Espaa, ao de puesta

en marcha as como la produccin y funcionamiento de cada grupo en el ao 2007.

Como se puede apreciar prcticamente todos los grupos de carbn en funcionamiento

tienen ms de 25 aos desde su puesta en marcha, lo que quiere decir que a pesar de

haber tenido un buen mantenimiento, que sin duda queda reflejado en alto grado de

disponibilidad de estas centrales, tecnolgicamente es un parque antiguo con eficiencias

claramente superadas con las tecnologas actuales.

Los cuadros siguientes muestran la produccin produccin y funcionamiento de los

Grupos I y II de la Central Trmica de la Robla durante los ltimos 3 aos.




Tabla 1.3: Produccin de energa elctrica de los Grupos I y II de la Central

Trmica de la Robla (aos 2010 a 2012). Notas:

1.- La Produccin Elctrica PAI se corresponde con la produccin de los perodos a informar (PAI) Segn Orden ITC/1389/2008, se

define como PAI el nmero de perodos horarios naturales de un da en los que cualquiera de los grupos termoelctricos que

forman parte del foco en cuestin est en funcionamiento con una potencia elctrica igual o superior al mnimo tcnico con el

combustible principal.

2.- La Produccin Elctrica B.C. (barras de central) es la energa medida en bornes de alternador deducidos los consumos en

generacin y bombeo.

Tabla 1.4: Funcionamiento de los Grupos I y II de la Central Trmica de la Robla

(aos 2010 a 2012).

La situacin en los ltimos quince aos ha variado sustancialmente respecto a la

descrita anteriormente. Los aspectos ms relevantes de esta variacin son los siguientes:

- No se ha construido ninguna central Hidrulica (excepto un nuevo grupo

hidroelctrico de 192 MW dado de alta en 2012 y aprovechamientos mini hidrulicos), nuclear o de carbn en los ltimos quince aos.

- En los ltimos 4 aos se han dado de baja 2697 MW de energas no renovables, la mayora de fuel gas con la excepcin de dos grupos de carbn en 2012.




- La ampliacin de potencia en ese periodo se ha realizado con centrales de ciclo combinado de gas natural (25.340 MW de potencia instalada a finales de 2012 de los cuales las ltimas ampliaciones fueron de 2.170 MW en 2010 y 1.389 MW en 2009) y centrales basadas en energas renovables (A finales de 2012, las renovables representaban el 46 % (46.840 MW) de la potencia total peninsular (101.828 MW). Las renovables han ido aumentando a un ritmo promedio de 2600 MW anuales durante los ltimos 4 aos).

- La energa renovable con un incremento ms significativo ha sido la energa elica. Esta tecnologa ha pasado de ser prcticamente inexistente en el ao 2000 a tener una capacidad instalada de ms de 22.573 MW a finales de 2012, representando el 22 % de la capacidad total peninsular. Igualmente, las tecnologas solares (fotovoltaica y termoelctrica) han continuado aumentado sus capacidades de produccin superando conjuntamente a finales de 2012 los 6.000 MW de potencia instalada.

- Las centrales de energas renovables as como la cogeneracin tienen un rgimen de funcionamiento especial y han estado subvencionadas (hasta Febrero de 2013), sin estar sujetas a las leyes del mercado, conforme al Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de produccin de energa elctrica en rgimen especial.

A continuacin se muestra el balance energtico correspondiente a los ltimos tres aos.

TECNOLOGACAPACIDAD(MW) PRODUCCIN(GWh) CAPACIDAD(MW) PRODUCCIN(GWh) CAPACIDAD(MW) PRODUCCIN(GWh)

HIDRULICA 17762 19455 17564 27571 17562 38653NUCLEAR 7853 61470 7777 57731 7777 61990CARBN 11758 57662 12210 46519 11890 25478FUEL/GAS 3429 7541 4376 7479 5723 9553CICLOCOMBINADO 27194 42510 27123 55140 27023 68595TOTALRGIMENORDINARIO 67996 188638 69050 194440 69975 204270HIDRULICA 2042 4635 2041 5284 1991 6811ELICA 22722 48472 21239 42160 20203 43692SOLARFOTOVOLTAICA 4538 8171 4249 7414 3643 6311SOLARTERMOELCTRICA 2000 3443 1049 1823 682 692TRMICARENOVABLE 957 4736 859 3825 1167 5316TRMICANORENOVABLE 7361 33716 7401 32305 7032 29045TOTALRGIMENESPECIAL 39620 103173 36838 92811 34718 91866TOTAL 107616 291811 105888 287251 104693 296136

2012 2011 2010BALANCEENERGTICO

Tabla 1.5: Balance energtico nacional correspondiente al perodo 2010 - 2012.

Del anlisis de este balance podemos obtener algunas conclusiones:

- El porcentaje de generacin del carbn respecto al total de generacin ha ido aumentando progresivamente en los ltimos 3 aos, de un entorno del 8,6% (en un ao de elevada generacin hidrulica) al 19% en el pasado ao 2012. Hay que aadir que ente los aos 2006 y 2009 dicho porcentaje se mantuvo en el entorno del 25%, si bien es cierto que en los dos ltimos aos el porcentaje baj hasta el 13%, debido al coste de los derechos de emisin de CO2.




- Entorno al 50% de la generacin total se realiza con tecnologas cuya capacidad

no se ha incrementado en los ltimos diez aos y en centrales de ms de 25 aos de edad.

- La capacidad instalada de tecnologas basadas exclusivamente en gas natural (teniendo en cuenta que el 90% de la cogeneracin es con gas) supone aproximadamente un tercio de la capacidad total espaola.

- La utilizacin de las centrales elicas es muy baja. El promedio est en el entorno de las 2000 horas a plena carga promedio anuales frente a las 5.686 alcanzadas en 2012 por las centrales trmicas de carbn.

Tabla 1.6: Utilizacin y disponibilidad peninsular de las centrales trmicas 2011 -

2012.

Para que se pueda situar la Central Trmica de la Robla a nivel nacional, se puede

comprobar que esta supone, con sus 654,9 MW, el 0,61 % de la potencia instalada total

a nivel nacional, el 0,96% de la potencia instalada de rgimen ordinario y el 5,6 % de la

potencia instalada correspondiente a centrales trmicas de carbn. Asimismo suministra

alrededor del 0,7% de la demanda nacional de energa, un 1,15 % de la demanda

cubierta por rgimen ordinario y un 3,8 % de la demanda cubierta con centrales de

carbn: unos 2.183 GWh elctricos anuales en 2012.




1.2.4.- FUTURO PREVISIBLE DEL USO DEL CARBN Las previsiones de utilizacin del carbn en el mundo, se sintetizan en el documento

World Energy Outlook 2012 publicado por la Agencia Internacional de la Energa

(AIE).

Segn este documento el carbn ha cubierto cerca de la mitad del incremento de la

demanda mundial de energa durante la ltima dcada, creciendo incluso ms

rpidamente que el total de las energas renovables. El resurgimiento del carbn, ha sido

impulsado principalmente por un fuerte aumento de la demanda del sector elctrico en

China e India. Unos precios del petrleo y del gas ms altos hacen que el carbn sea

ms competitivo como combustible para una generacin de carga base. El que la

demanda de carbn siga aumentando marcadamente o bien cambie de direccin

depender de la solidez de las polticas que favorezcan el desarrollo de fuentes de

energa bajas en emisiones, del despliegue de tecnologas ms eficientes de combustin

de carbn y, algo especialmente importante a largo plazo, la captura y almacenamiento

de

CO2 (CAC). Las decisiones con mayores consecuencias para el mercado mundial del

carbn se tomarn en China y la India ya que representan prcticamente las tres cuartas

partes del aumento previsto de la demanda de carbn fuera de la Organizacin para la

Cooperacin y el Desarrollo Econmico - OCDE (la utilizacin del carbn en la OCDE

decrece). Segn las previsiones la demanda de China llegar a su mximo en torno a

2020 y se estabilizar en 2035; en la India, el uso de carbn seguir creciendo y, hacia

2025, el pas podra superar a Estados Unidos como segundo consumidor mundial de

carbn. El comercio internacional de carbn continuara aumentando hasta 2020,

momento en el que la India se convertira en el mayor importador neto de este

combustible, para nivelarse, dada la disminucin de las importaciones de China. La

sensibilidad de estas trayectorias a los cambios de las polticas, al desarrollo de

combustibles alternativos (p. ej., gas no convencional en China) y a la disponibilidad de

infraestructuras en tiempo oportuno generan gran incertidumbre a los mercados y a los

precios internacionales del carbn trmico.




Por otra parte la demanda mundial de electricidad aumenta casi dos veces ms rpido

que el consumo total de energa, y el desafo que supone responder a esa demanda se ve

agravado por la inversin necesaria para reemplazar la infraestructura obsoleta del

sector elctrico. De la nueva capacidad de generacin que se instale hasta 2035, cerca de

un tercio ser necesaria para reemplazar las centrales que se cierren. La mitad de la

nueva capacidad total proviene de instalaciones basadas en fuentes de generacin

renovable, aunque el carbn sigue siendo el combustible principal para la generacin

elctrica. El aumento de la demanda de electricidad en China en el periodo que va hasta

2035 ser mayor que la actual demanda de electricidad en Estados Unidos y Japn

juntos. La generacin de electricidad a partir de carbn en China se incrementar casi

tanto como su generacin nuclear, elica e hidroelctrica agregadas. Los precios medios

mundiales de la electricidad subirn aproximadamente un 15% en trminos reales hasta

2035, debido al mayor coste de los combustibles, a la tendencia hacia una capacidad de

generacin ms intensivas en capital, a las subvenciones otorgadas a las fuentes

renovables y a la fijacin de un precio para el CO2 en algunos pases. Hay significativas

diferencias de precios entre las distintas regiones, con Europa y Japn soportando los

precios ms elevados, muy por encima de los de Estados Unidos o China.

Se ha reducido el papel previsto de la energa nuclear tras la revisin de las polticas

efectuada por ciertos pases a raz del accidente de 2011 en la central nuclear de

Fukushima Daiichi. Japn y Francia se han unido recientemente a los pases que

cuentan con la intencin de reducir la utilizacin de energa nuclear, mientras la

competitividad de este tipo de energa queda en entredicho en Estados Unidos y Canad

por el precio relativamente barato del gas natural. Las previsiones para el crecimiento de

la capacidad nuclear aumentan en trminos absolutos (dada la expansin de generacin

en China, Corea, la India y Rusia), aunque su proporcin en la combinacin elctrica

mundial decrece ligeramente con el tiempo. El alejamiento de la energa nuclear podra

revestir considerables implicaciones para el gasto de los pases en importaciones de

combustibles fsiles, para los precios de la electricidad y para el nivel de esfuerzo

requerido a fin de alcanzar los objetivos climticos.




En Espaa no ha habido ninguna iniciativa para sustituir los antiguos grupos de carbn,

con eficiencias inferiores al 40% por tecnologas ms desarrolladas (grupos

supercrticos o ultra-supercrticos) con los que se puede llegar rendimientos del 50%.

Hay centrales supercrticas comerciales en Alemania, Dinamarca y Japn. En los

prximos aos va a ser necesario cumplir con lmites mucho ms exigente en materia de

emisiones, lo que supondr implementar en las centrales existentes los equipos

adecuados para cumplir con la legislacin medioambiental. La cuestin radica en

valorar hasta qu punto es razonable y rentable econmicamente instalar estos equipos

en centrales de la edad que se ha descrito anteriormente. En cuanto a las tecnologas de

captura y secuestro de CO2, Espaa tiene en marcha algunas iniciativas en este sentido,

que se desarrollan coordinadamente con los programas comunitarios correspondientes.

La aplicacin comercial de estas tecnologas, no estar disponibles, segn el consenso

mayoritario antes del 2015 o del 2020. La pregunta es si existir en ese momento alguna

central espaola de carbn donde sea posible instalar estas nuevas tecnologas y si no

sera ms razonable iniciar la construccin de nuevas centrales eficientes, preparadas

para que en el futuro se pudiera capturar el CO2.

De seguir as, lo previsible es que a corto plazo la capacidad de generacin elctrica con

carbn quedara reducida a algo puramente marginal con eficiencias muy bajas y en

absoluto competitivas, algo parecido al resto de centrales de fuel-oil que quedan en

Espaa en el momento actual. Sin embargo hay que tener en cuenta que en Espaa

existe una gran tradicin de produccin y uso del carbn, aparte de que en distintas

ocasiones que pareca que otras tecnologas podan tomar el relevo, al final diversas

crisis hicieron que se volviera al carbn. Los ltimos datos de produccin y utilizacin

de las centrales trmicas de carbn aadido a la actual situacin de crisis econmica que

afronta Espaa, hacen suponer que la reduccin de la capacidad de generacin elctrica

con carbn puede ralentizarse e incluso estancarse.

1.2.5.- RIESGOS PARA EL FUTURO DE LA GENERACIN ELCTRICA Hay distintos riesgos que amenazan el futuro de la generacin elctrica. Principalmente

al ciudadano le pueden afectar: el de costes y el de falta de suministro.




El riesgo de costes supone que al estar la estructura de generacin centrada en la

utilizacin de las tecnologas ms caras este sobreprecio deber ser asumido por el

mercado. En concreto las energas que funcionan en rgimen especial, han estado

recibiendo una prima por encima del precio de mercado hasta Febrero de 2013. En 2012

estas energas supusieron el 35% de la generacin total y las primas recibidas estuvieron

en torno a 3.500 millones de . Es evidente que el sobrecoste de la utilizacin de

electricidad producida en rgimen especial repercute, no solo en el ciudadano sino

tambin en la competitividad de la industria. Otra causa de posible elevacin de los

costes de generacin es el coste de la materia prima. El gas natural tiene un precio

ligado al petrleo y sujeto a fuertes presiones al alza, especialmente en situaciones de

demanda alta. Hasta ahora el precio de mercado del KWh lo fijaba la competencia entre

el carbn y el gas, afectados por el precio de los derechos de emisin de CO2. En caso

de que se reduzca la capacidad de generacin con carbn, la moderacin de precios que

puede introducir el carbn puede verse afectada.

El segundo riesgo que amenaza al futuro de la generacin de electricidad y que es el

ms preocupante, es la interrupcin del suministro. La creciente dependencia de los

pases consumidores de las importaciones de petrleo y gas procedentes de un pequeo

nmero de pases productores amenaza con exacerbar riesgos de seguridad energtica a

corto plazo. Un aumento de la dependencia de las importaciones en un pas no quiere

decir necesariamente un suministro menos seguro, nicamente la autosuficiencia

garantiza un suministro ininterrumpido. En realidad, el mayor intercambio comercial

podra proporcionar mayores beneficios econmicos para todas las partes implicadas.

Sin embargo, tambin podra conllevar un riesgo de mayor inseguridad energtica a

corto plazo para todos los pases consumidores, a media que se reduce la diversidad de

la oferta geogrfica y aumenta la dependencia de rutas de suministro vulnerables.

En Espaa, como se ha dicho anteriormente, solo se ha crecido en capacidad de

generacin convencional en plantas de gas natural. A lo largo de 2012, el mercado

espaol se abasteci de un conjunto de diez pases. El principal suministrador es

Argelia, con un porcentaje del 42,4%, por lo tanto se cumple con el lmite del 50% de

importaciones procedentes de un mismo pas, establecido en el Real Decreto 1766/2007.




- La participacin en los aprovisionamientos de Argelia ha aumentado desde un

38% en 2011 a un 42% en 2012, siendo el principal pas de origen de los aprovisionamientos de gas al mercado espaol.

- El segundo pas es Nigeria, que ha bajado su participacin en la cesta de aprovisionamientos en 4 puntos porcentuales, pasando del 19,4% en 2011 al 15,4% en 2012.

- La tercera fuente de aprovisionamiento es el Emirato de Catar en Oriente Medio, que ha disminuido sus exportaciones de GNL a Espaa en un 13% con respecto a 2011, en busca de otros mercados como el ingls o el asitico.

- El cuarto pas aprovisionador por volumen de gas natural importado es Noruega, que tiene una cuota del 11%, con aprovisionamientos tanto por gasoducto como por GNL.

- Trinidad y Tobago alcanza una cuota de la cesta del aprovisionamiento en torno al 7%, manteniendo un volumen de importaciones similar a 2011.

- Por ltimo, Per ha sustituido a Egipto como quinto pas aprovisionador con un 7% de las importaciones de origen peruano por el 1,6% de las egipcias.

Con respecto a la procedencia de los aprovisionamientos de gas a Espaa por reas

geogrficas, cabe destacar que ms del 55,6% procede de los pases MENA (Oriente

Medio y Norte de frica).

La otra tecnologa de gran crecimiento en la ltima dcada ha sido la energa elica. El

problema con la energa elica es precisamente su inseguridad de disponibilidad.

Cuando ms se necesita es precisamente cuando no est disponible por no haber viento.

Como ejemplo en 2012 en Espaa con unos 22722 MW instalados, se ha pasado de

puntas de produccin de 16.636 MW a 318 MW. Esto necesariamente obliga a disponer

de una gran capacidad de energa fsil rodante y disponible para el caso de que amaine

el viento.

Finalmente, a modo de conclusiones se pueden establecer las siguientes:

- El carbn es una energa fsil, muy abundante en la naturaleza, con costes de

produccin razonable y repartida en muchos pases de economas de mercado y regmenes democrticos.

- El carbn tiene el inconveniente de la contaminacin, pero actualmente existen tecnologas que permiten la captura y eliminacin de los subproductos contaminantes.




- En Espaa existe una gran tradicin de produccin y uso del carbn y en

distintas ocasiones que pareca que otras tecnologas iban a tomar el relevo, al final, diversas crisis hicieron que se volviera al carbn.

- A pesar de que Espaa actualmente no puede prescindir del carbn como fuente de energa primaria en la generacin de la electricidad, en los ltimos, ms de quince aos no se ha construido ninguna central de este combustible.

- Las centrales trmicas cuyo combustible es el carbn an son de vital importancia para el correcto funcionamiento del Sistema Elctrico Espaol, aunque su proyeccin a medio y largo plazo es ser sustituidas paulatinamente por las centrales de ciclo combinado, debido a que estas ltimas tambin son centrales de base, con el aliciente de que tienen mejores rendimientos energticos y un nivel de emisiones contaminantes menor.

- Si se quiere mantener un parque de centrales de carbn moderno y eficiente se debera fomentar la sustitucin de las centrales antiguas existentes por otras del mximo rendimiento y equipadas con los sistemas ms modernos de eliminacin de residuos contaminantes.

- Actualmente, el prescindir del carbn como fuente de energa primaria en la generacin de la electricidad, supone incrementar riesgos de aumento de costes y de seguridad de suministro.

Captulo 2 DESCRIPCIN DE LA PLANTA

2.1. Situacin y Emplazamiento....23

2.2. Descripcin de la Planta.25

2.3. Equipos Principales del Grupo I...........27

2.4. Combustible.29

2.5. Carboneo y Almacenamiento de Combustible.30

2.6. Equipos de Molienda..32

2.7. Caldera.34

2.8. Precipitadores electrostticos.37

2.9. Chimeneas38

2.10. Sistema de extraccin de cenizas y escorias.39

2.11. Parque de cenizas y escorias..41

2.12. El ciclo agua-vapor y la produccin de electricidad...42

2.13. Sistema de condensado y agua de alimentacin..43

2.14. Turbinas..45

2.15. El sistema elctrico: alternador, transformadores de potencia y subestacin46

2.16. El uso del agua....48

2.17. Refrigeracin principal y secundaria. Sistema de agua de

circulacin50

2.18. Planta de agua de aportacin51

2.19. Planta de tratamiento de aguas negras52

2.20. Balsa de neutralizacin..53

2.21. Otras instalaciones de tratamiento previo...53

2.22. Sistema de tratamiento de vertidos lquidos53


Captulo 2: Descripcin de la Planta

Ingeniera Industrial. Intensificacin Tecnologas Energticas. Departamento de Ingeniera Trmica y de Fluidos. rea de Ingeniera Trmica Pgina 23

2.1.-SITUACIN Y EMPLAZAMIENTO La Central Trmica La Robla, propiedad de GAS NATURAL FENOSA (GNF)

(anteriormente UNION FENOSA generacin), esta situada en el Km 120 de la carretera

nacional N-630 de Gijn-Sevilla, en la comunidad autnoma de Castilla y Len, a 25

Km al norte de la capital de la provincia de Len, en el termino municipal de La Robla.

Las coordenadas geogrficas son: 42 47de latitud norte, 5 37de longitud oeste y 945

m. de altitud sobre el nivel del mar en la base de la edificacin.

La central se encuentra en un emplazamiento estratgico de buenas comunicaciones por

carretera y ferrocarril, que permite minimizar los costes de transporte de mercancas,

materias primas y productos:

- El carbn se recibe por carretera y cinta, en su mayor parte, desde las

cuencas mineras prximas de Santa Lucia Ciera Matallana.

- El agua, para usos de refrigeracin, se toma de la margen izquierda del ro

Bernesga, afluente del EslaDuero.

- La central se conecta a la red elctrica nacional de transporte en alta tensin

y enlaza con los ms importantes centros de generacin de energa de

Asturias y Len, convirtiendo su emplazamiento en uno de los ms impor-

tantes del noroeste de Espaa.




Figuras 2.1 y 2.2: Situacin y vista area del emplazamiento de la Central Trmica de la Robla




2.2.-DESCRIPCIN DE LA PLANTA La central dispone de 2 grupos:

- El grupo I, de 270 MW, fue acoplado a la red el 2 de septiembre de 1971.

Desde el mes de abril del ao 2000 la plena carga reconocida es de 284,2

MW.

- El grupo II, de mayor tamao con 350 MW, se puso en servicio el 10 de

noviembre de 1984. Desde el mes de enero del ao 2000, la plena carga es

de 370,7 MW.

La energa elctrica producida por la central es de origen trmico convencional. Se trata

de un motor trmico, continuo, de combustin externa, que mueve un generador

elctrico conectado a la red.

El proceso de produccin est basado en la transformacin sucesiva de energas

(qumica, calorfica, trmica, mecnica y elctrica), que se transfieren entre distintos

medios y fluidos (carbn, agua o vapor), por la accin coordinada de las mquinas que

componen el ciclo termodinmico (condensador, caldera, turbina, alternador y red). Las

transformaciones de energa que se producen, son:

1. La materia prima es la energa interna contenida en el combustible.

2. En el foco caliente del ciclo (caldera) se produce la primera transformacin: la

reaccin exotrmica de la combustin para generar calor.

3. Esta energa se transfiere de medio, de los gases de combustin al fluido activo del

ciclo principal agua-vapor.

4. Cuando el vapor alcanza la entalpa suficiente, se conduce a la turbina, donde se

expansiona en los distintos cuerpos y etapas. La energa trmica se transforma en

mecnica de rotacin del conjunto formado por la turbina y el alternador

(turbogenerador).

5. En las bornas del alternador se obtiene, como producto, la energa elctrica que

llegara a la red y al consumidor.




6. Por otro lado, el vapor de salida (escape) del cuerpo de baja presin de turbina,

cambia de fase en lo que constituye el foco fro del ciclo (condensador). Mediante

bombas y calentadores se consigue que el agua aumente la presin y temperatura,

para que pueda alimentar de nuevo la caldera y cerrar el ciclo. El calor disipado en

el condensador se evacua a la atmsfera en forma de vapor, por medio del circuito

de refrigeracin principal y sus torres caractersticas.

En definitiva, una central es una maquina trmica que produce un trabajo mecnico,

que resulta de la diferencia del calor aportado al sistema en la caldera y el que se

disipa en el condensador.




2.3.-EQUIPOS PRINCIPALES DEL GRUPO I

Figura 2.3: Equipos principales del Grupo I

A continuacin se enumeran las instalaciones principales que constituyen el Grupo I de

la Central Trmica de La Robla:

1.- Almacenamiento de carbn 8.- Condensador 2.- Tolvas de almacenamiento 9.- Alternador 3.- Molinos 10.- Torre refrigeracin 4.- Quemadores 11.- Tubera condensador / Torre 5.- Caldern 12.- Transformador 6.- Hogar caldera 13.- Calentadores agua ciclo 7.- Turbina 14.- Precipitador electrosttico 15.- Chimenea




Figura 2.4: Planta de la C.T. de La Robla




2.4.-COMBUSTIBLE La central est diseada para quemar combustibles minerales fsiles, slidos y

lquidos. Se trata principalmente de hullas y antracitas pobres para usos trmicos,

de caractersticas: alta ceniza (estril), bajo poder calorfico y bajo voltil

(reactividad).

El carbn en su mayor parte procede del mercado nacional, de las cuencas

carbonferas prximas del centro-norte de la provincia de Len. En la actualidad

se completa el suministro con partidas de carbn internacional, de importacin.

Principales suministradores nacionales de carbn y porcentaje de suministro:

S.A. Hullera Vasco Leonesa (Ciera Matallana) 65%

Carbones la Valcueva (La Magdalena) 6%

Hullera de Sabero y Anexas, S.A. (Sabero) 6%

Otros pequeos suministradores 23%

Los combustibles lquidos se emplean ocasionalmente para apoyar y estabilizar la

combustin (fuelleo) y en los arranques fros (gasleo). nicamente con este

combustible se puede alcanzar el 30 % de la carga trmica de caldera.

CARACTERSTICAS DEL COMBUSTIBLE DE DISEO PARMETROS DE ANLISIS GRUPO I

Carbono (% en peso sobre seco) 65,1 Hidrgeno (%, s/s) 2,9 Nitrgeno (%, s/s) 1,4 Azufre (%, s/s) 1,9 Cenizas (%, s/s) 25,5 Humedad (%, s/b) 12,0 Poder calorfico sup (Cal/g, s/s) 6.000

Tabla 2.1: Tabla de caractersticas del combustible de diseo de La C.T. de La

Robla Grupo I




Figura 2.5: Vista de la C.T. de La Robla desde el Parque de carbn

2.5.-CARBONEO Y ALMACENAMIENTO DE COMBUSTIBLE El almacenamiento y movimiento de carbn se hace en un parque comn para los

dos grupos. El sistema esta diseado con un tamao que permite mover el carbn

necesario para la alimentacin diaria de los grupos (carboneo) en un solo turno de

trabajo.

El carbn local se entrega mediante cinta transportadora (capacidad para 900 t/h)

y el de otras procedencias, nacional o internacional, se sirve en camin.

Despus de los controles de recepcin, se destina a la alimentacin de los grupos

o su apilado. Para este trabajo, existen varias maquinas destacadas:

- La rotopala con capacidad media de 1.100 t/h y mxima de 1.320 t/h.

Tiene dos modos de trabajo: recogida y apilado, en direcciones contrarias.

El apilado se emplea cuando el carbn que entra en la central est

demasiado hmedo o necesita ser homogeneizado. Las zonas activas de las




parvas que atiende la rotopala pueden alcanzar una longitud de ms de 300

m. y una capacidad de 120.000 t, a cada lado.

- El apilador circular sirve la zona de descarga de emergencia, con una

capacidad de 40.000 t.

- Tambin se usan palas, bulldozers y camiones, de tamao medio, para

labores de limpieza, almacenamiento, extensin y arrastre de carbn. En la

zona pasiva, servida por medios discontinuos se puede almacenar hasta

700.000 t.

Los modos de funcionamiento del parque permiten distintas funciones:

- Recepcin externa y apilado en el parque o alimentacin directa de los

grupos.

- Recogida interna del parque para alimentar los grupos, mediante la

rotopala u otros medios discontinuos, empujando el carbn hacia las tolvas

subterrneas.

Es posible la combinacin simultnea de cualquiera de las operaciones anteriores

con gran versatilidad, pues existen 15 itinerarios o caminos posibles distintos.

Todas las cintas pueden trabajar en manual o automtico.

Para el control de la calidad y cantidad de los combustibles manejados, existen

distintos puntos de toma de muestras para su anlisis posterior en el laboratorio y

cintas integradoras que miden el peso de carbn que transportan.

Los combustibles lquidos se almacenan en tanques:

- El fuelleo tiene un nico tanque, comn para los dos grupos, con

capacidad de 6.000 m3.




- El almacenamiento de gasleo se realiza en un tanque enterrado de 30 m3,

para el grupo I. Adems se ha aadido una nueva reserva adicional con un

tanque areo de 75 m3 que puede emplearse en ambos grupos por medio de

trasiegos (gravedad o bombeo).

Los circuitos de gasleo y fuelleo tienen calentadores y bombas para mover el

combustible hasta el anillo de quemadores de la caldera, y su posterior retorno a

los depsitos de almacenamiento. Todas las lneas de fuelleo estn aisladas

trmicamente y utilizan vapor de acompaamiento para ms fcil fluidizacin y

trasiego.

Figura 2.6: Rotopala para el carboneo de la C.T. de La Robla

2.6.-EQUIPOS DE MOLIENDA Despus del parque, el carbn llega a la caldera, pasando por los componentes

principales de un circuito constituido por tolvas de almacenamiento, alimentadores,

trituradores, molinos, clasificadores y quemadores:

- Las tolvas tienen una capacidad de 5.000 t en el grupo I (autonoma de 36

horas para el consumo a plena carga con las 8 tolvas llenas).




- Desde las tolvas (2 por molino), el carbn fluye hacia los alimentadores

volumtricos de cintas de velocidad regulada, que permiten dosificar el

carbn necesario para atender la demanda de carga de caldera.

- En el grupo I hay 4 molinos, pudindose alcanzar la plena carga con un

molino en reserva. Todos los molinos son de bolas, con carcasa cilndrica

horizontal abierta por los extremos para que salga el carbn y el aire de

arrastre. Estn accionados por motores elctricos de media tensin. En el

molino se produce la pulverizacin final por el choque continuo con las

bolas, en la rotacin de todo el conjunto.

- Cuando se alcanza una granulometra muy fina, la mezcla de carbn y aire

primario de arrastre, pasa a los clasificadores situados en los extremos del

molino. All se separan las partculas ms gruesas, que retornan al molino

para completar la molienda.

- El transporte se realiza por arrastre neumtico en conductos especialmente

protegidos contra la abrasin. Finalmente, el polvo de carbn, que tiene un

comportamiento fluido semejante al de un gas, es conducido a los

separadores ciclnicos y quemadores.

- A travs de los quemadores de turbulencia que permiten una mezcla

intima carbn - aire, instalados en el techo de la caldera, se introduce el

combustible al interior del hogar para su combustin.




Figura 2.7 y 2.8: Separadores ciclnicos y molinos de bolas 2.7.-CALDERA En la caldera, o generador de vapor, se produce el vapor que ha de alimentar las

turbinas, as como vapor auxiliar para usos diversos. Dicha caldera tiene las siguientes

caractersticas.

- Fue diseada para permanecer a la intemperie, sin edificio de proteccin.

- El plano de simetra longitudinal es perpendicular al eje de los

turbogeneradores. En la direccin de flujo aire-gases se disponen los

elementos principales: ventiladores de tiro forzado, hogar, zona de

recuperacin de calor, precalentadores, precipitadores, ventiladores de tiro

inducido y chimeneas.

- Dispone de dos etapas de sobrecalentamiento y recalentamiento (primario

y final).

- La caldera est formada por paredes de agua tubulares, cerrando un recinto

estanco donde se produce la combustin (hogar). Toda la caldera, como




una unidad rgida, se encuentra suspendida de un marco de vigas y

soportes del techo, que permiten la dilatacin libre hacia abajo.

- El hogar es de tiro equilibrado (presin ligeramente inferior a la

atmosfrica), con ventiladores de tiro forzado e inducido.

- Los quemadores se encuentran dispuestos en dos lneas transversales

(paredes anterior y posterior), para formar la zona de radiacin. Por la

forma de la llama, que hace un recorrido de bajada y subida, se dice que

los quemadores son del tipo en W. Esta zona se reviste de material

refractario para proteger los tubos y aumentar la temperatura del hogar.

As se favorece la combustin de los carbones de baja reactividad. En los

mismos quemadores existen lanzas concntricas para inyectar los

combustibles lquidos atomizados con aire o agua.

- En la parte inferior del hogar esta la tolva, que termina en el desescoriador

y un sistema de sello hidrulico para el cierre inferior de la caldera.

- Hay unos precalentadores regenerativos de aire dispuestos en los

conductos de salida de gases para aprovechar el calor residual de los gases

de combustin y calentar el aire nuevo de alimentacin a la caldera.

- Los materiales utilizados en los tubos son aleaciones altamente resistentes

a las temperaturas y los desgastes producidos por los gases de combustin.

- La caldera del grupo I, de tecnologa Foster, tiene un gran volumen de

agua, especialmente en el caldern donde se produce la separacin de fases

aguavapor. En consecuencia este grupo tiene gran inercia trmica y lenti-

tud en las variaciones de carga.

- El grupo I es de circulacin natural. La fuerza motriz que mueve el agua

en el interior de los tubos de las paredes de agua, es la disminucin de

densidad que se produce como consecuencia del calentamiento y




evaporacin en la zona ascendente. Se necesita una seccin de tubera

grande y volumen de agua considerable.

- El grupo I no requiere una especial calidad qumica en el agua de

alimentacin.

- El grupo I tiene una disposicin de las zonas de recuperacin de calor

(zonas de conveccin) que obliga a los gases al cambio de direccin en

forma de U invertida.

El agua de alimentacin de caldera realiza un largo recorrido: economizador, tubos de

unin, calderin, colectores inferiores, las paredes del hogar (zona de radiacin), paredes

membrana, tubos soporte, etc. hasta formar vapor, que se calienta en las dos etapas del

sobrecalentador primario y final (zona de conveccin).

Tras la expansin parcial del vapor sobrecalentado (principal) en la turbina de alta

presin, vuelve a la caldera para recuperar su temperatura inicial en dos recalentadores.

La regulacin de la temperatura del vapor principal y recalentado se realiza mediante

dos etapas sucesivas de atemperacin con agua de alimentacin.

Figura 2.9: Caldera tipo Foster de la C.T. de La Robla -Grupo I




2.8.-PRECIPITADORES ELECTROSTTICOS Los precipitadores son filtros que se encargan de reducir la emisin a la atmsfera, de

partculas de la corriente de gases de combustin.

El principio de funcionamiento consiste en la creacin de un campo elctrico de alto

potencial, capaz de cargar negativamente las partculas de ceniza en la propia corriente

de gases y, por atraccin electrosttica, depositarse en las placas colectoras de polaridad

positiva.

A intervalos regulares unos martillos golpean unos yunques montados sobre los marcos

de las placas colectoras y cae la ceniza a las tolvas inferiores. De aqu se extrae

mediante transporte neumtico para llevarla a los silos de almacenamiento provisional.

Los precipitadores tienen un sistema de control electrnico que permite optimizar su

funcionamiento para reducir las emisiones y el consumo elctrico.

A la salida de los filtros, sobre lo propios conductos de gases, unos equipos de medida

de la opacidad informan continuamente a la sala de control del estado de

funcionamiento de los precipitadores. Todos estos controles aseguran que, en

condiciones normales, los rendimientos de los filtros sean muy altos (superiores al 99,5

%) y la concentracin de partculas en gases de emisin inferiores a los limites

permitidos.

Existen precipitadores en cada grupo, con dos cuerpos simtricos en los conductos de

gases que abandonan la caldera.

En el grupo I se instal originalmente un precipitador de 4 campos, que fue

ampliado posteriormente con 6 nuevos campos, para mejorar el rendimiento.




Figura 2.10: Precipitadotes electrostticos de la C.T. de La Robla Grupo I 2.9.-CHIMENEAS Los gases de escape de la combustin, una vez enfriados en los precalentadores hasta

cerca de 130C y filtrados en los precipitadores, son aspirados por los ventiladores de

tiro inducido y descargados a la atmsfera por las chimeneas.

La construccin de las chimeneas es de doble pared: la interior con tramos de idntica

seccin y altura, construida con material refractario, y el fuste exterior de hormign de

seccin decreciente y construido en una sola pieza por fraguado continuo.

Las chimeneas son diseadas para asegurar, en todo momento, que los gases emitidos

no van a afectar la calidad del aire ambiente, a nivel del suelo. El clculo de la altura de

la chimenea se realiza mediante modelos matemticos, en funcin de los requerimientos

ambientales de emisin e inmisin. La dispersin y difusin de gases hace reducir la

concentracin de contaminantes a valores muy bajos. Esto se logra por la sobrelevacin

del penacho en la alta atmsfera, favorecido por la temperatura, la velocidad de los

gases y la altura de la chimenea (120 m en el grupo I).




En las chimeneas existen distintos equipos automticos que permiten el control de las

emisiones de manera continua y automtica, as como orificios para medidas manuales

ocasionales con sondas isocinticas.

Figura 2.11: Chimenea de la C.T. de La Robla Gupo I 2.10.-SISTEMA DE EXTRACCIN DE CENIZAS Y ESCORIA Los residuos de la combustin del carbn estn formados por materiales inertes que

reciben el nombre de ceniza o escoria en funcin de su densidad, granulometra e

instalaciones de recogida. Cuanto ms alto es el contenido en ceniza del carbn, mayor

ser la cantidad de residuos inertes generados, por unidad de produccin.

La ceniza es un residuo que resulta de la combustin del carbn y su composicin

elemental esta formada por xidos y sales de metales (mayoritariamente silicio,

aluminio y hierro) estabilizados en su estado de oxidacin mas alto. La ceniza volante

esta formada por partculas muy finas y ligeras arrastradas por la corriente de gases de

combustin.




Tras su separacin, la ceniza se extrae de los precipitadores electrostticos y transporta

hasta los silos de almacenamiento temporal (2 por grupo, de 2.000 m3 de capacidad) por

va neumtica.

Los silos disponen de filtros de mangas autolimpiantes para separar el aire de transporte

de las partculas de ceniza, compresores de aire auxiliar, sistemas para la fluidificacin

y deslizamiento, etc. Para reducir la emisin difusa de partculas, la descarga al camin

se hace por va seca o hmeda, con una conexin telescpica de dos tubos concntricos,

que permite recuperar el aire desplazado de la cisterna en el momento de la descarga.

El destino final de la ceniza es el reciclado, alcanzando un valor comercial importante

en la industria cementera. El resto se deposita en el vertedero controlado de la central.

La escoria, por el contrario, es un material menos abundante, de mayor densidad y

formado por agregados voluminosos que resultan de la fusin de partculas de cenizas.

La escoria se forma en el hogar a altas temperaturas y se precipita por gravedad, en la

parte baja de caldera (desescoriador). Se extrae por arrastre con agua, hasta los silos de

almacenamiento provisional. El destino final tambin es el reciclado en porcentajes

crecientes o el vertido a escombrera.

Figura 2.12: Silos de cenizas y escoria de la C.T. de La Robla Grupo I




2.11.-PARQUE DE CENIZAS Y ESCORIAS El vertedero se sita frente a la central, a 500 m de la margen derecha del ro Bernesga,

limitado al sur por el arroyo Rebocn (o Remedios) y al norte por el monte cuya ladera

suroccidental se encuentra ocupada por el depsito.

La ceniza y escoria en su mayor parte se recicla en la industria cementera. Al vertedero

llega slo la cantidad no aprovechada comercialmente.

El transporte hasta el vertedero se hace en camin de baera cerrada. Se ha previsto un

sistema de explotacin en terrazas, con recubrimiento de tierra para evitar que se levante

polvo. nicamente en el frente activo, y en las operaciones directas de descarga de

camiones, se genera polvo. Para paliar el problema se ha previsto la humidificacin de

la zona con camin de riego. Las superficies que no van a cubrirse en fases futuras de la

explotacin o las zonas de ladera, se estabilizan con tierra vegetal y se plantan especies

vegetales autctonas, para su recuperacin paisajstica.

Los terrenos recuperados tambin se destinan a actividades recreativas. As, en la cima

de la zona ms antigua de la escombrera se ha creado un campo de tiro al plato.

En el ao 1.998 se realiz la revisin del plan de explotacin, cuyo objetivo fue la

introduccin de mejoras ambientales, teniendo en cuenta la caracterizacin

hidrogeolgica, inventarios geolgicos, climticos, edafolgicos, vegetacin, fauna,

paisaje, etc.

De este plan result la nueva obra (ao 1.999) para la recogida de aguas de escorrenta

de lluvias, con una red de drenaje a distintos niveles y dos balsas de decantacin de gran

capacidad (2.500 m3 tiles). El tamao de las balsas asegura la calidad del agua vertida,

pues estando llenas y a un rgimen de precipitacin mximo diario (periodo de retorno 2

aos), el tiempo de residencia mnimo es de 16 horas.




Figura 2.13: Parque de cenizas y escoria de la C.T. de La Robla 2.12.-EL CICLO AGUA-VAPOR Y LA PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD El ciclo aguavapor es de tipo regenerativo tradicional, constando de una etapa de

recalentamiento en el vapor y siete calentadores en el agua de alimentacin de caldera.

Las unidades estn diseadas para seguir cualquier programa de variacin de carga,

modificando la apertura de las vlvulas de control de entrada a la turbina (presin

constante) o variando la presin del agua de alimentacin de caldera (presin

deslizante), alcanzando el mximo rendimiento a la carga nominal de diseo.

Figura 2.14: Calentador dplex




2.13.-SISTEMA DE CONDENSADO Y AGUA DE ALIMENTACIN La lnea de agua en baja presin, desde el condensador hasta el desgasificador, incluidos

cinco calentadores, forma el sistema de condensado. En la direccin del flujo de agua

continua el sistema de agua de alimentacin, formado por la lnea de alta presin, desde

las bombas de alimentacin hasta el economizador (caldera), incluidos los dos

calentadores restantes. En el grupo I los calentadores de alta presin estn dispuestos en

dos lneas paralelas del 50 % (total 4).

Los principales elementos de estos sistemas de agua, son:

- El condensador est formado por paquetes horizontales de tubos de aleaciones

de cobre, dispuestos en cajas (2), zonas (4) y haces tubulares (8) para lograr un

mejor rendimiento. Por el lado interior de tubos pasa el agua de circulacin para

refrigeracin (dos pasos) y por el lado carcasa se condensa el vapor de escape de

la turbina de baja presin.

Las cajas estn comunicadas interiormente y se mantienen a una presin muy

baja (40 80 mm de Hg). Esta variable de funcionamiento es muy importante

para el rendimiento del grupo y se asegura con sistemas de eyectores.

- Las bombas de condensado (2 x 100%) son verticales, multietapa, con siete

rodetes montados sobre el eje y aspiracin e impulsin simple. Estn accionadas

por motores elctricos de media tensin.

- El calentamiento del agua se realiza en siete calentadores en serie. Los cuatro

primeros corresponden a los calentadores de baja presin, del sistema de

condensado, que se atienden desde extracciones de vapor de la turbina de baja

presin. Los dos calentadores siguientes (desgasificador y calentador de agua de

alimentacin) utilizan vapor de las extracciones correspondientes de la turbina

de media presin. El ltimo calentador utiliza vapor recalentado fro de salida de

la turbina de alta presin.




Los calentadores son de superficie, permitiendo el intercambio de calor a travs

de las paredes metlicas de los tubos que separan el vapor de las extracciones y

el agua (condensado o alimentacin). Los calentadores tienen una disposicin de

tubos en U, horizontales o verticales (alta presin). El material de los tubos es

de admiralty en los de baja presin y acero al carbono en los de alta.

El lado de vapor est dividido en varias zonas: desrecalentado, condensacin y

subenfriamiento de drenajes. El condensado resultante se conduce en cascada al

calentador anterior, hasta llegar finalmente al desgasificador o al condensador.

- El desgasificador, o desaireador, tiene 3 funciones principales:

o Almacn de agua en un tanque cilndrico horizontal, que asegura el funcionamiento estable de las bombas de agua de alimentacin.

o Calentador, mediante el vapor de la extraccin que se distribuye por tubos perforados situados debajo del nivel de agua.

o Desgasificador del condensado entrante, que se atomiza y cae, encontrndose en contracorriente el vapor saturado que sale a la

atmsfera arrastrando los gases disueltos incondensables.

- La energa que utilizan las bombas de agua de alimentacin es elctrica. Las

motobombas estn compuestas por varios elementos en serie:

o Bomba de refuerzo de velocidad constante, cuya misin es aumentar la presin en la aspiracin de la bomba principal.

o Motor elctrico horizontal o Variador de velocidad, que acta segn la demanda de carga. o Bomba principal, centrifuga horizontal, de aspiracin simple y 5 etapas

de impulsin. Alcanza una velocidad mxima de 5.000 rpm.




2.14.-TURBINAS La turbina principal esta dispuesta en tandem de tres cuerpos independientes unidos por

un eje comn. En el primer cuerpo se aloja la turbina de alta presin, de un solo flujo

axial. El segundo y tercer cuerpo lo forman las turbinas de media y baja presin, de

doble flujo.

- El cuerpo de alta presin es de doble estator. El rotor es de acero forjado en una

sola pieza. Para un mejor rendimiento trmico a cargas parciales, este cuerpo

dispone de una seccin de accin pura, compuesta por una corona de toberas en

el estator y su correspondiente corona de paletas (rueda Curtis) en el rotor. Las

dems secciones de expansin (20 etapas) son de reaccin.

- El rotor del cuerpo de media presin es de acero forjado de una sola pieza. El

estator, de fundicin aleada, tiene doble cmara axial partida: la entrada de vapor

se realiza por el centro y se desplaza hacia los extremos, para equilibrar las fuer-

zas axiales. Las etapas de expansin (18 en cada sentido) son de reaccin.

- El cuerpo de baja presin tiene un triple estator de acero. Al ser vapor de menor

presin, los alabes son de gran tamao alcanzando en la ultima corona 868,5

mm. En el escape de la carcasa interior se disponen difusores aerodinmicos

para reducir las perdidas en el camino del vapor al condensador.

La turbina dispone de un cojinete de empuje alojado entre el cuerpo de alta y media que

absorbe los empujes axiales transitorios y sirve de punto de control de la posicin del

rbol. Los cojinetes radiales (6) absorben esfuerzos en direccin radial y estn

dispuestos en los extremos de cada cuerpo.

Para la proteccin y control de la turbina a cargas parciales, existen varias vlvulas

combinadas, de cierre y control, a la entrada del cuerpo de alta (4) y en el de media (2).

El cierre de los cuerpos cilndricos con el exterior se realiza con paquetes de anillos, a

modo de laberinto, para minimizar las fugas de vapor.




En la cabeza del eje de turbina est montado un virador hidrulico, accionado por aceite

del sistema de lubricacin. El sistema virador consiste en un motor, en este caso

hidrulico, que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en funcionamiento. Esto

evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansin trmica, en parada.

Figura 2.15: Cuerpo de alta presin de la turbina de La C.T. de La Robla Grupo I 2.15.-EL SISTEMA ELCTRICO: ALTERNADOR, TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y SUBESTACIN El alternador va directamente acoplado al eje de la turbina, girando solidariamente a

3.000 rpm con ella. Tiene devanados en el estator y el rotor, refrigerados por hidrogeno.

El sistema de aceite de sello asegura la estanqueidad de los cierres. La excitacin del

generador es del tipo de diodos giratorios sin escobillas, con una excitatriz piloto de

imn permanente, acoplada al eje del turbogenerador.

Los interruptores de generacin son de mando neumtico y refrigeracin forzada de

aire. Estn compuestos de tres polos separados. Su posicin es intercalada en el

conducto principal de barras de fase aislada, entre el generador y el transformador

principal. El interruptor es capaz de cortar las intensidades de cortocircuito producidas

en caso de falta de cualquiera de sus lados. La sincronizacin de los grupos con la red

exterior de 400 kV se realiza desde la sala de control con equipos de sincronizacin

automtica o manual, que cierran el interruptor en el momento en que el grupo alcanza

las condiciones de tensin y frecuencia requeridas por la red.




Los transformadores son de doble arrollamiento de entrada y salida, baados en aceite y

refrigerados por ventilacin forzada de aire. Se distinguen los transformadores:

- Principal, formado por una unidad trifsica en el grupo I. Est situado en la

fachada principal del edificio de turbina. Las salidas de alta tensin se conectan

al parque de 400 kV.

- Auxiliar. Hay un transformador trifsico, situado junto al principal,

compartiendo instalaciones contraincendios, prevencin y recogida de derrames.

La energa elctrica producida en los turbogeneradores se transmite a la red nacional a

travs de un parque de 10 calles, dividido por el ro Bernesga: 8 calles se encuentran en

la margen izquierda, frente a la central y otras 2 en la margen derecha, aadidas con la

construccin del grupo II por razones de espacio. La central esta interconexionada con

lneas de 400 kV a La Mudarra (2), Lada, Soto de Ribera, Compostilla y Guardo y con

lneas de 132 kV a Len (2), Barrios de Luna y Mansilla. El parque tiene una capacidad

para soportar un trafico de hasta casi 5.000 MW.

Figura 2.16: Transformador de potencia y subestacin de La C.T. de La Robla




2.16.-EL USO DEL AGUA En una central trmica el agua no es una materia prima que interviene para formar parte

del producto, sino que se utiliza como medio que soporta el proceso, con una gran

capacidad de reciclado. El diseo del ciclo del agua permite la utilizacin en cascada en

los distintos servicios y favorecer el menor consumo por unidad de produccin.

Con la construccin del grupo II y para asegurar el abastecimiento de agua de

refrigeracin a la central, se construy a 35 Km. aguas arriba, sobre el ro Casares,

afluente del Bernesga, una presa de gravedad de planta recta y un embalse til de 6,2

Hm3 (altura de la presa de 32 m.), ampliada a 35 Hm3 por la Confederacin

Hidrogrfica del Duero mediante una presa superpuesta.

La captacin de agua se hace en el ro Bernesga, mediante bombas que aspiran del azud

construido con el grupo I. El retorno al ro del agua no consumida, se hace 200 m aguas

abajo.

Dos tercios del total de agua captada por la central se consumen, fundamentalmente por

cambio de fase y transferencia a la atmsfera (aproximadamente 1.000 m3/h) que

resulta de los procesos de refrigeracin evaporativos. El resto se devuelve al ro con la

misma carga mineral de origen.

La captacin de agua ms importante es para atender:

- Circuitos semicerrados, como la reposicin de nivel en los circuitos de

refrigeracin.

- Circuitos abiertos sin consumo, de un solo paso, como el agua de servicios del

grupo II.

- Pequeas cantidades a circuitos sin retorno, como tratamiento de agua de

aportacin, agua cruda, riegos y baldeos.




Respecto a los efluentes, en la central existen distintos equipos y sistemas que utilizan

agua y generan corrientes residuales:

En general, el uso del agua no modifica los parmetros de calidad fsico-qumicos y las

aguas residuales se entregan, sin ningn tratamiento, a la red general de drenajes,

interna de la central.

- Cuando un circuito hace un uso del agua que produce alguna alteracin de sus

caractersticas, se realizan los tratamientos especficos locales para recuperar la

calidad perdida, antes del vertido a la red general de drenajes. Estos son los

casos de las aguas sanitarias que se procesan en la planta de tratamiento de aguas

negras o de los efluentes de regeneracin de las plantas de agua de aportacin y

condensado, recogidos y tratados en la balsa de neutralizacin, antes del vertido

a la red interior.

- Al final de la red se trata el 100 % del agua residual recogida en la central, en el

sistema de tratamiento de efluentes previo al vertido al ro Bernesga.

Figura 2.17: Presa de Casares de Arbas




2.17.-REFRIGERACIN PRINCIPAL Y SECUNDARIA. SISTEMA DE AGUA DE CIRCULACIN La torre de refrigeracin del grupo I tiene la particularidad de ser la primera

construccin de este tipo (hiperblica, de tiro natural) que se hizo en una central trmica

espaola.

Los circuitos de agua de circulacin o refrigeracin principales, son circuitos de agua

semicerrados, con los siguientes caudales importantes, por grupo y caractersticas:

- El volumen de agua existente en la balsa de la torre (10.000 m3) refrigera el

condensador y provoca en la torre la evaporacin necesaria para disipar el calor

retirado (alredor de 500 m3/h).

- Para que no se superen los lmites qumicos de estabilidad de las sales presentes,

que incrustaran y ensuciaran las superficies ms calientes donde se da el

intercambio de calor, hay que abrir la purga de desconcentracin (300 a 500

m3/h, segn la poca del ao).

- Por ultimo, para compensar los caudales anteriores perdidos y mantener un nivel

constante en la torre, se necesita un caudal de agua de reposicin que los

compense. El agua de aporte procede directamente del ro.

Ambas torres cuentan con sistemas de distribucin del agua por canales y tuberas que

permiten un reparto homogneo en su superficie. Para lograr la formacin de finas gotas

que aumente la superficie de contacto aguaaire y el rendimiento, se dispone de un

sistema que hace chocar los chorros de agua con difusores estticos y separadores de

gotas. Para su explotacin, tambin se dispone de sistemas de vaciado, rebosaderos,

purgas controladas con vlvulas automticas, sistemas de by-pass para bajas

temperaturas, rejillas de proteccin en las aspiraciones d

PFC Sergio Mier Santiso

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