Turbina de Vapor de Extracción – Condensación

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PROYECTO INTEGRADOR MAQUINAS TERMICAS

I.- TTULO:

TURBINA DE VAPOR DE EXTRACCIN CONDENSACIN

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II.- RESUMEN:

La turbina es un motor rotativo que convierte en energa mecnica la energa de

una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento bsico de la turbina es la

rueda o rotor, que cuenta con palas, hlices, cuchillas o cubos colocados

alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce

una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energa mecnica

se transfiere a travs de un eje para proporcionar el movimiento de una maquina,

un compresor, un generador elctrico o una hlice.

Las turbinas se clasifican en turbinas hidrulicas o de agua, turbina de vapor y

turbinas de combustin. Hoy la mayor parte de la energa elctrica mundial se

produce utilizando generadores movidos por turbinas.

El trabajo disponible en la turbina es igual a la diferencia de entalpia entre el vapor

de entrada a la turbina y el de salida.

El hecho de la utilizacin del vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada

energa disponible por unidad de kg de fluido de trabajo. Este ratio en el caso del

agua es tres veces mayor que en el caso del aire de forma para dos turbinas, una

de vapor y otra de gas con la misma potencia de salida se tiene que el gasto

msico de la turbina de vapor es tres veces menor que el de la turbina de gas.

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III.- INTRODUCCIN:

Una turbina de vapor es una turbo mquina que transforma la energa de un flujo

de vapor en energa mecnica. Este vapor se genera en una caldera, de la que

sale en unas condiciones de elevada temperatura y presin. En la turbina se

transforma la energa interna del vapor en energa mecnica que, tpicamente, es

aprovechada por un generador para producir electricidad.

La turbina de vapor no fue inventada por una nica persona, sino que fue el

resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de

los participantes ms notables en este desarrollo fueron el Britnico Charles

Algernon Parsons fue responsable del denominado principio de escalones,

mediante el cual el vapor se expanda en varias fases aprovechndose su energa

en cada una de ellas. De Laval fue el primero en disear chorros y palas

adecuadas para el uso eficiente de la expansin del vapor.

Dada la gran diferencia que se debe obtener entre la presin de entrada y de

salida de la turbina es necesario producir esta expansin en distintas etapas,

escalonamientos, con el fin de obtener un mejor rendimiento de la operacin.

Si slo se realizase la expansin en una etapa las grandes deflexiones a que

tendra que estar sometido el fluido provocaran prdidas inaceptables.

Las prdidas en una turbina de n escalones no son iguales a la suma de las

prdidas de n turbinas sino que son menores, ya que los escalones de la turbina

son capaces de recuperar parte de la energa degradada en el anterior escaln

para generar energa mecnica.

Sin embargo a medida que aumenta el nmero de escalonamientos la mquina se

encarece, por lo que hay que buscar un buen compromiso entre rendimiento y

costes.

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IV.- GENERALIDADES:

OBJETIVOS:

El objetivo principal del presente estudio es dar una idea de lo que es

una turbina de extraccin condensacin, su utilidad en una central

trmica.

Comportamiento de la turbina extraccin condensacin con

diferentes potencias de operacin y fabricante

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V.- MARCO TEORICO:

3.1.- ELEMENTOS DE UNA TURBINA DE VAPOR:

Los elementos principales de una turbina de vapor son:

a.- Rotor: Es el elemento mvil del sistema. La energa desprendida por el vapor

en la turbina se convierte en energa mecnica en este elemento.

Dado que la turbina est dividida en un cierto nmero de escalonamientos, el

rotor est compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por cada

escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente

al eje de la turbina movindose con l.

b.- Estator: El estator est constituido por la propia carcasa de la turbina. Al igual

que el rotor, el estator est formado por una serie de coronas de alabes,

correspondiendo cada una a una etapa o escalonamiento de la turbina.

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c.- Tobera: El vapor es alimentado a la turbina a travs de estos elementos. Su

labor es conseguir una correcta distribucin del vapor entrante/saliente al/desde el

interior de la turbina.

3.2.- TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR:

3.2.1.- Por la direccin del flujo de vapor en el interior de la turbina:

Una primera clasificacin de las turbinas de vapor puede

desarrollarse haciendo referencia a movimiento de la corriente de

vapor dentro de cuerpo de la turbina. Segn este criterio existen dos

tipos de turbinas:

a.- Radiales. La circulacin de vapor se establece en un plano

perpendicular al eje de la turbina.

b.- Axiales. La circulacin de vapor transcurre paralelamente al eje de la

turbina.

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3.2.2.- Por su mecanismo de funcionamiento:

A) Turbina axial:

Desde el punto de vista de su funcionamiento las turbinas axiales se

pueden dividir en tres clases segn el grado de reaccin que presentan.

Se define grado de reaccin de una turbomquina a la relacin

Rh= hrotor

Ht escalon

Es decir a la disminucin de entalpa en el rotor dividida por la

disminucin de entalpa total (entalpa ms energa cintica especfica)

en el escalonamiento.

Atendiendo a esto se tienen los tres casos caractersticos siguientes:

Turbina axial de accin con presin constante en el rotor.

La presin disminuye completamente en el estator mientras que se

mantiene constante en el rotor donde la velocidad del fluido no vara

apenas salvo una leva disminucin por la friccin.

R 0 (Negativo ligeramente debido a la disminucin de entalpa en el

rotor por la friccin).

Turbina axial de accin con entalpa constante en rotor.

La entalpa es constante en el rotor y se produce una expansin en el

estator con aumento de la velocidad del gas. En el rotor, sin embargo,

la velocidad relativa es constante. Se produce una pequea cada de

presin que no provoca un aumento de la velocidad debido a que es

debida a la friccin.

R=0

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Turbina axial de reaccin.

La expansin se produce en el estator y en el rotor con una disminucin

de entalpa en el estator debido a la expansin y un aumento de la

velocidad. En el rotor tambin se produce expansin aumentando la

velocidad relativa del fluido.

R>0 (frecuentemente en torno a 0,5)

B) Turbina Centrpetas:

Las turbinas radiales o mixtas presentan la siguiente evolucin:

En el estator se produce una expansin aumentando la velocidad,

dismuyendo la entalpa.

En el rotor se produce un aumento de la velocidad relativa debida a la

expansin donde adems se produce una cada de presin. R>0

(frecuentemente prximo a 0,5)

3.3.- TURBINAS DE VAPOR EXTRACCION CONDENSACIN:

Turbina de extraccin/condensacin, una parte del vapor puede extraerse en

uno o varios puntos antes de la salida al condensador, obteniendo as, vapor

a varias presiones, mientras que el resto del vapor se expande hasta la

salida al condensador.

Factor de Utilizacin de la Energa:

La medida ms simple de eficiencia es el factor de utilizacin de la energa

(FUE), que mide la relacin entre la suma de las energas producidas

(elctrica ms trmica) respecto a la energa aportada al sistema (primaria).

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Donde:

W es la potencia elctrica neta generada

Qu es la energa trmica (calor) til.

Q es la energa trmica recibida del foco caliente.

Factor de utilizacin de la energa ponderado:

Para tener en cuenta la diferencia entre las calidades de energa trmica y

elctrica, se utiliza el factor de utilizacin de la energa ponderado (FUEp)

La ponderacin, en este caso, es econmica, y viene definida por los

precios de ambos tipos de energa y del combustible

Donde:

F es la energa trmica primaria del combustible

Los precios p vienen con los subndices e, q, f, referidos respectivamente a la

electricidad, calor vendido, y combustible.

Rendimiento elctrico artificial:

Ahorro de Combustible:

ndice de Ahorro de Energa:

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Las alternativas existentes para la produccin elctrica son las siguientes:

Turbina de gas asociada con generador de vapor de recuperacin de calor

(GT-BRSG).

Turbina de vapor de contrapresin (BP-ST) con el vapor de descarga

dirigido a la desalacin.

Turbina de vapor de extraccin controlada-condensacin (EC-ST) donde el vapor

para desalacin se sangra de un punto en la turbina que se adapte a la presin de

vapor necesaria en desalacin.

VENTAJAS:

Alta eficiencia global.

Uso de tecnologa de punta.

Localizado cerca de los centros de consumo.

Ahorros econmicos en facturacin energtica para el usuario.

Ahorros y optimizacin de combustibles primarios para el pas.

Reduccin de emisiones contaminantes.

Alta confiabilidad en la disponibilidad de energa elctrica.

Reduccin de las prdidas de distribucin.

Optimizacin del proceso industrial.

DNDE?

Pulpa y Papel

Todas aquellas que necesiten energa trmica y elctrica

Azcar y Alcohol, gas

Qumica, minera, textiles

Petroqumica, metalurgia, industria alimenticia, maderera

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VI. CLCULOS:

CONVERSIN DE LAS UNIDADES:

P = 600 PSI

T = 371 C

P = 20 PSI

T = 423 F

P = 20 PSI

T = 302 F

P = 28.52Hg

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CALCULOS REALES: Mayor Consumo de Potencia

INSERTAR TABLA:

De las tablas obtenemos que:

Flujo de vapor a la entrada de la turbina es: 32250 lb/h

Flujo de vapor de extraccin es: 11000lb/h

Flujo de vapor de condensacin:

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CONVIRTIENDO DATOS:

Potencia en la extraccin:

Interpolando a vapor sobrecalentado

P = 4.0 Mpa

T = 371C

350 3092.5

371 H

400 3213.6

H = 3143.362 KJ/Kg

P = 4.5 Mpa

T = 371C

350 3080.6

371 H

400 3204.7

H = 3143.362 KJ/Kg

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P = 4.14 Mpa

4 3143.362

4.14 H

4.5 3132.722

H = 3140.3828 KJ/Kg

P = 0.14 Mpa

T = 150C

0.10 2776.8

0.14 H

0.20 2768.8

H = 2773.36 KJ/Kg

Pext = 1.39 Kg/s (3140.3828 2773.36) KJ/Kg

Pext = 510.16 KW

Potencia en la condensacin:

De tablas tenemos:

P = 0.1 Mpa h = 2675.5 KJ/Kg

Pcond = 2.67 Kg/s (3140.3828 2675.5) KJ/Kg

Pcond = 1241.23 KW

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Eficiencia en la turbina:

Eficiencia en la turbina exergtica:

Interpolando:

P = 4.0 Mpa

T = 371 C

350 6.5821

371 S

400 6.7690

S = 6.6605 KJ/Kg K

P = 4.5 Mpa

T = 371C

350 6.5131

371 S

400 6.7047

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S1 = S2i = 6.641760

1

2 2i

2r

2

41.37 bar

1.38 bar

S = 6.593572 KJ/Kg K

P = 4.14 Mpa

4 6.6605

4.14 s

4.5 6.593572

S = 6.641760 KJ/Kg K

De tablas obtenemos:

A 20C S = 0.2966 KJ/Kg K

H = 83.96 KJ/Kg


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S2i = 1.30 + 6.0568x

6.641760 = 1.30 + 6.0568x

5.34176 = 6.0568x

X = 0.8819

H2i = 417.46 + 0.88 (2258.0)

H2i = 2408.89 KJ/Kg

Rendimiento isontrpico:

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CALCULOS REALES: Menor Consumo de Potencia

INSERTAR TABLAS:

De las tablas obtenemos que:

Flujo de vapor a la entrada de la turbina es: 24100 lb/h

Flujo de vapor de extraccin es: 16500lb/h

Flujo de vapor de condensacin:

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CONVIRTIENDO DATOS:


Interpolando a vapor sobrecalentado

P = 4.0 Mpa

T = 371C

350 3092.5

371 H

400 3213.6

H = 3143.362 KJ/Kg

P = 4.5 Mpa

T = 371C

350 3080.6

371 H

400 3204.7

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H = 3143.362 KJ/Kg

P = 4.14 Mpa

4 3143.362

4.14 H

4.5 3132.722

H = 3140.3828 KJ/Kg

P = 0.14 Mpa

T = 150C

0.10 2776.8

0.14 H

0.20 2768.8

H = 2773.36 KJ/Kg

Pext = 3.03 Kg/s (3140.3828 2773.36) KJ/Kg

Pext = 1112.07 KW

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De tablas tenemos:

P = 0.1 Mpa h = 2675.5 KJ/Kg

Pcond = 0.95 Kg/s (3140.3828 2675.5) KJ/Kg

Pcond = 441.63 KW



Interpolando:

P = 4.0 Mpa

T = 371 C

350 6.5821

371 S

400 6.7690

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S = 6.6605 KJ/Kg K

P = 4.5 Mpa

T = 371C

350 6.5131

371 S

400 6.7047

S = 6.593572 KJ/Kg K

P = 4.14 Mpa

4 6.6605

4.14 s

4.5 6.593572

S = 6.641760 KJ/Kg K


A 20C S = 0.2966 KJ/Kg K

H = 83.96 KJ/Kg


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CLCULOS SEGN EL FABRICANTE

CONVERSIN DE LAS UNIDADES:

P = 36 KPa

T = 400 C

P = 20 PSI

T = 423 F

P = 14 KPa

T = 150C

P = 10 KPa

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De la grfica obtenemos que:

Flujo de vapor a la entrada de la turbina es:

Flujo de vapor de extraccin es: 8250Kg/h

Flujo de vapor de condensacin: 14000 Kg/h

CONVIRTIENDO DATOS:


De tablas obtenemos los siguientes datos:

P = 0.010 Mpa

T = 400C

H = 3279.6 KJ/Kg

P = 0.010 Mpa

T = 400C

H = 3278.9 KJ/Kg

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P = 0.036 MPa

0.010 3279.6

0.036 H

0.050 3278.9

H = 3279.145 KJ/Kg

P = 0.014 Mpa

T = 150C

0.010 2783.0

0.014 H

0.050 2780.1

H = 2782.71 KJ/Kg

Pext = 2.29 Kg/s (3279.145 2782.71) KJ/Kg

Pext = 1136.83 KW

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De tablas tenemos:

P = 0.01 Mpa h = 2584.7 KJ/Kg

Pcond = 3.89 Kg/s (3279.145 2584.7) KJ/Kg

Pcond = 2701.33 KW



Interpolando:

P = 0.010 Mpa

T = 400 C

S = 9.6077 KJ/Kg K

P = 0.050 Mpa

T = 400C

S = 8.8642 KJ/Kg K

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S1 = S2i = 9.1244

1

2 2i

2r

2

0.36 bar

0.14 bar

P = 0.036

0.010 9.6077

0.036 s

0.050 8.8642

S = 9.1244 KJ/Kg K


A 20C S = 0.2966 KJ/Kg K

H = 83.96 KJ/Kg


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S2i = 0.6493 + 8.8278x

9.1244 = 0.6493 + 8.8278x

8.4751 = 8.8278x

X = 0.96

H2i = 191.83 + 0.96 (2392.8)

H2i = 2489.03 KJ/Kg

Rendimiento isontrpico:

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VII.- RESULTADOS:

DATOS

CLCULOS REALES CLCULO SEGN

FABRICANTE

Menor Mayor

FLUJO MASICO TOTAL 3.03 Kg/s 4.06 Kg/s 6.18 Kg/s

FLUJO MASICO EXTRACCIN 2.08 Kg/s 1.39 Kg/s 2.29 Kg/s

FLUJO MASICO COND 0.95 Kg/s 2.67 Kg/s 3.89 Kg/s

POTENCIA EXTRACCIN 1112.07 KW 510.16 KW 1136.83 KW

POTENCIA COND 441.63 KW 1241.23 KW 2701.33 KW

EFICIENCIA TURBINA 21.23% 15.76% 14.80%

EFICIENCIA TURB EXERG 55% 41% 79%

CALIDAD 0.88 0.96%

EFICIENCIA ISONTROPICO 63% 87.80%

POTENCIA 1500 KW 2707 KW 3000 KW

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X.- ANEXOS:

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Turbina de Vapor de Extracción – Condensación

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