APUNTES DE ELECTRICIDAD - Escuela Técnica Raggio web/pagina de practicos... · 2020. 6. 28. · Escuela Técnica RAGGIO GENERACIÒN Y DISTRIBUCIÒN DE LA ENERGÍA Área ELECTRICIDAD

APUNTES DE

GENERACIÒN Y

DISTRIBUCIÒN DE LA

ENERGIA Para 6to año de la carrera ELECTRICIDAD

CENTRALES ELÉCTRICAS

Christian G. MORALES

ESCUELA TECNICA RAGGIO

Escuela Técnica RAGGIO GENERACIÒN Y DISTRIBUCIÒN

DE LA ENERGÍA Área ELECTRICIDAD CENTRALES ELÉCTRICAS

Christian G. MORALES - 1 -

CENTRALES ELECTRICAS

Llamaremos central eléctrica al conjunto de máquinas motrices, generadores, aparatos de maniobra y protección, etc., que sirven para la producción de energía eléctrica. Las centrales en la actualidad explotan tres fuentes básicas de energía: las de origen termoquímico (67%), las termonucleares (13%) y las de origen hidráulico (19%). Para la producción del restante 1% de energía eléctrica, se emplean fuentes llamadas no convencionales, tales como la eólica, solar y geotérmica.

Clasificación de las centrales eléctricas.

Las centrales se pueden clasificar según el origen de la energía utilizada o según el tipo de operación de la central. En el primer caso se considera las actuales fuentes normales de energía utilizadas para la producción de electricidad, siendo estas:

Térmica

Vapor Turbo gas Diesel Nucleares

Hidráulica

Acumulación Alta presión

Media presión Baja presión

Pelo de agua

Mareomotriz Bombeo

Eólica

Geotérmica

Solar

La segunda clasificación implica los diferentes modos habituales de operar cada tipo de central en un sistema interconectado, a fin de complementar sus usos y disminuir el costo de producción. Teniendo en cuenta que la energía eléctrica no puede almacenarse como corriente alterna, ésta debe ser generada y entregada simultáneamente; por lo tanto, la capacidad de generación de una central eléctrica debe ser tal, que sea capaz de satisfacer inmediatamente la demanda cuando se produzca.




Gráfico de carga. Como la demanda no es muy simple de precisar, ya que no se puede determinar puntualmente (debido a la variación de la luz natural durante el día para las distintas estaciones del año y al uso intermitente de la iluminación artificial); el estudio y la determinación se realiza estadísticamente en función del pasado y la esperanza de evolución de la economía en su conjunto. Por lo general se grafica la demanda mediante una curva de demanda diaria (o gráfico de carga).

De esta curva se aprecia que la potencia demanda por un sistema típico tiene dos máximos o picos durante un día hábil. El primero se da alrededor de las 10 horas y es producido, básicamente, por la demanda comercial e industrial; el segundo, más importante, alrededor de las 19 horas, provocado fundamentalmente por la demanda residencial y la iluminación urbana. El área encerrada debajo de la curva representa la energía eléctrica consumida por la red durante el día. Es en base a estos gráficos que se realiza esta segunda clasificación: 1. Centrales de base:

1.1. Hidráulica de pasada o pelo de agua. 1.2. Nuclear. 1.3. Térmica de turbina de vapor (nuevas y de alto rendimiento.

Las centrales de base son destinadas a suministrar la mayor parte de la energía eléctrica de forma continua. 2. Centrales de pico:

2.1. Hidráulica de bombeo. 2.2. Turbogas. 2.3. Hidráulica de acumulación. 2.4. Diésel.

HORAS DEL DIA

PO

TE

NC

IA D

EM

AN

DA

DA

MW

MAXIMO

MINIMO

6 12 18 24




Las centrales de pico están proyectadas para cubrir periódicamente las demandas de energía eléctrica en las horas pico. 3. Centrales de reserva:

3.1. Hidráulica de acumulación. 3.2. Turbogas obsoleta. 3.3. Vapor obsoleta. 3.4. Diésel.

Las centrales de reserva tienen por objeto sustituir total o parcialmente a las centrales de base que hayan salido de servicio.

Reserva de generación de energía eléctrica. De la curva de demanda se deduce que para diseñar una central eléctrica, esta no puede proyectarse para cubrir la potencia máxima demandada, ya que en este caso, la mayoría del tiempo trabajaría con carga reducida, logrando un bajo rendimiento, por lo que la explotación no resultaría económica. Además, para garantizar una continuidad del servicio, se deben contemplar factores básicos como: ❖ Paradas programadas de los grupos para su mantenimiento. ❖ Salidas accidentales de servicio de alguna máquina o central. ❖ Crecimiento futuro del sistema.

Es por ello que es necesario contar con algún margen extra de capacidad de generación, suficientemente amplio para hacer frente a la salida o la parada de centrales y/o generadores, pero lo suficientemente ajustado para minimizar el capital invertido en energía generada sin aprovechar. A estos márgenes extra se los conoce como reserva de energía, la que se puede clasificar en: a) Reserva rotante o caliente: es la potencia de generación que debe estar en

funcionamiento (rotando), lista para entregar energía a la red de inmediato y así suplir el eventual déficit, producto de la salida accidental de cualquier otro generador conectado al sistema.

b) Reserva pasiva o fría: es la potencia de generación extra que se debe tener para

hacer frente a las paradas programadas de las máquinas, según un plan de mantenimiento.




Máquinas generadoras.

El movimiento proveniente de las máquinas primarias en las centrales eléctricas convencionales se aplica a alternadores sincrónicos trifásicos. La frecuencia de las corrientes alternas que produce un alternador está vinculada a la velocidad de giro a través e la expresión:

60

pnf

= con

Por ejemplo para 50 Hz.:

NUMERO DE POLOS

2 4 6 8 10 12 14 16 20 24 32 40 48 64 80

VELOCIDAD EN rpm

3000 1500 1000 750 600 500 428.6 375 300 250 187.5 150 125 93.7 75

Los alternadores empleados en las centrales se conectan generalmente en estrella y el centro de la estrella se vincula a tierra para tener un sistema estabilizado.

Sistemas de excitación. Como la calidad de un servicio eléctrico depende, entre otras cosas, de la constancia de la tensión en bornes de los consumidores, la regulación de esta es un problema técnico de importancia. Esto obliga a una corrección de los valores de la tensión de generación en varios puntos de la red eléctrica. Las diferentes longitudes de las líneas causan distintas caídas de tensión, por lo que hay que regular la tensión de salida de esas líneas en forma adecuada para lograr en el extremo un valor de tensión constante que llegue a los usuarios. Estas regulaciones parciales se logran por medio de reguladores incorporados a los transformadores, pero de todos modos, a la salida de la central, la energía eléctrica debe ser de tensión constante, para facilitar esta regulación.

f frecuencia n velocidad de giro p número de pares de polos del rotor




La tensión de salida de los alternadores se regula mediante la variación de la corriente de excitación Iexc. Un sistema de excitación clásico sería:

El alternador tiene en su eje mismo acoplado a dos máquinas de corriente continua que giran conjuntamente. A la salida, transformadores de tensión y transformadores de intensidad de corriente, se encargan de detectar el estado de a tensión y de la corriente de salida, por intermedio de magnitudes adecuadamente reducidas. Estos registros ingresan a un mecanismo regulador de tensión que actúa sobre la corriente de excitación de la excitatriz piloto, un generador de corriente continua conectado en “derivación”, el que genera una tensión que se aplica al bobinado de campo de la excitatriz principal, que es un generador de corriente continua de “excitación independiente”. La corriente de excitación que entrega este segundo generador se aplica al rotor del alternador a través de anillos rozantes.




Con el fin de eliminar las delgas y escobillas necesarias para la conmutación de la corriente en los generadores de corriente continua se utiliza muy a menudo un sistema de excitación estático:

En este caso la corriente de excitación principal Iexc se obtiene de un grupo de diodos rectificadores que se alimenta desde un alternador auxiliar excitado a su vez por un alternador de imanes permanentes. Al rotar el eje, el inductor permanente induce una corriente alterna en el estator del alternador de imanes permanentes, que regulada a través de tiristores es aplicada al alternador auxiliar. Este genera una corriente alterna que rectificada por diodos de silicio, en rotación con todo el conjunto, alimenta al inductor del alternador principal. Una tercera variante sería utilizar los denominados “alternadores sin escobillas”:




Características de los alternadores utilizados. En las centrales térmicas, debido a la alta velocidad de rotación (1500 rpm o 300 rpm) el número de polos de los alternadores es reducido (4 ó 2 polos) por lo que los rotores se construyen del tipo liso o cilíndrico, para reducir los esfuerzos mecánicos originados por las fuerzas centrífugas de rotación. Estos alternadores se denominan turboalternadores y son siempre de eje horizontal. Los alternadores utilizados en las centrales hidroeléctricas son generalmente de polos salientes, ya que al rotar a velocidades que oscilan en un rango de 1000 rpm a 71 rpm, necesitan gran cantidad de pares de polos para lograr los 50 Hz. de la red. En este caso la disposición del alternador es de eje vertical. La refrigeración de los alternadores tiene como objeto reducir las pérdidas de la máquina que se manifiestan en forma de calor. La refrigeración de los conductores y circuitos magnéticos puede efectuarse a circuito abierto o a circuito cerrado. La refrigeración en circuito abierto toma aire del exterior y lo impulsa a través de los órganos principales para expulsarlos posteriormente. En circuito cerrado, el aire es enfriado y vuelto a introducir en la máquina y para potencias superiores a 100 MVA se utiliza hidrógeno presurizado. Dentro de los generadores, los del tipo a rotor de polos salientes, por su forma constructiva, tienen más superficies en contacto con el medio ambiente y permiten una mejor evacuación del calor. Pero los generadores de rotor liso, particularmente los alternadores de gran potencia, presentan poca superficie de evacuación, por lo que a refrigeración debe ser más enérgica. Por ello los generadores de las centrales hidroeléctricas, generalmente de baja velocidad y gran diámetro, se enfrían por aire, y los turboalternadores de las centrales térmicas de gran tamaño se enfrían por medio de hidrógeno.

1 EJE VERTICAL

2 RUEDA POLAR

3 CORONA DE LA RUEDA POLAR

4 ESTATOR

5 CABEZAS DE BOBINA DEL ESTATOR

6 RADIADORES DE ENFRIAMIENTO

7 COJINETE PRINCIPAL DE EMPUJE

8 VIGAS SOPORTE

9 EXCITATRIZ PRINCIPAL

10 EXCITATRIZ PILOTO

11 ALTERNADOR PILOTO




1 COJINETE LADO TURBINA

2 COJINETE LADO EXCITATRIZ

3 ROTOR LISO

4 ESTATOR

5 CONDUCTO DE REGRESO DEL AIRE CALIENTE

6, 7 REFRIGERADOR POR AGUA

8, 9 SALIDA DEL AIRE ENFRIADO

10, 11 CABEZA DE LA BOBINA DEL ESTATOR

12 EXCITATRIZ

13 TURBINA

14 DEPOSITO DE CO2 15 CONDENSADOR

16 INYECTORES DE CO2 17 CARCAZA DEL ALTERNADOR

18 TUBERIA DE CO2 19 BASE DEL ALTERNADOR

20 VENTILADOR DE ROTOR




CENTRALES HIDRAULICAS O HIDROELECTRICAS

Son las que tienen por objeto aprovechar la energía potencial de un salto de agua, para convertirla en energía mecánica de rotación en turbinas hidráulicas y de ahí en electricidad utilizando alternadores.

Clasificación de centrales hidroeléctricas. 1. De acumulación: son las centrales que acumulan agua frente a un dique de

contención, creando un importante desnivel artificial frente a la ubicación de la turbina. Esta gran acumulación de agua crea un lago de considerable volumen que hace las veces de reservorio para turbinar más caudal que el transportado normalmente por el río solo en momentos del día o del año conveniente para la generación de electricidad. Además dependiendo de la capacidad del embalse, permiten regular y aprovechar la energía generada en las crecidas extraordinarias del río, disminuyendo los riesgos por inundación. Son esencialmente centrales de punta.




Se clasifican en: 1.1. Centrales de Regulación: Esta clase de central de embalse se caracteriza por los

volúmenes de agua que son capaces de acumular en el embalse, los cuales representan períodos de aportes de caudales medios anuales, más o menos duraderos. Esta característica le da la posibilidad de asistir cuando los caudales se encuentran bajos, así como también cubrir eficientemente las horas pico de consumo.

1.2. Centrales de Bombeo o Centrales de Acumulación: Son centrales de embalse que aglomeran caudales a través del bombeo.

Según sea la altura del salto de agua existente, o desnivel, las centrales también pueden clasificarse en:

1.2.1. Centrales de baja presión: Se consideran como tales, las centrales que poseen saltos hidráulicos inferiores a 20 m. Suelen asentarse en valles amplios de baja montaña y cada turbina está alimentada por caudales que superan los 300 m3/s. Debido a las alturas y a los caudales deben utilizarse turbinas de tipo Francis y Kaplan.

1.2.2. Centrales de media presión: Los saltos hidráulicos que forman estas centrales, poseen una altura de entre 200 y 20 m aproximadamente. Esta característica les permite desaguar caudales de hasta 200 m3/s por cada turbina. El funcionamiento de estas centrales está condicionado por embalses de gran tamaño, formados en valles de media montaña. En estas centrales, las turbinas empleadas son de tipo Francis y Kaplan; en el caso de los saltos de mayor altura, puede que sean utilizadas turbinas Pelton.




1.2.3. Centrales de alta presión: Son aquellas centrales que tienen un valor de salto hidráulico mayor a los 200 m aproximadamente. Los caudales desalojados a través de estas centrales son pequeños, de solo 20m3/s por máquina. El lugar de emplazamiento suele ser en zonas de alta montaña, debido que aprovechan el agua de torrentes que desemboca en los lagos naturales. Estas centrales sólo emplean turbinas Pelton y turbinas Francis, las cuales reciben el agua mediante conductos de extensa longitud.

1.3. Centrales de Pasada (o de pelo de agua): Esta clase de centrales utiliza el agua mientras ésta fluye normalmente por el cauce de un río. Se sitúan en los lugares en que la energía hidráulica ha de emplearse en el momento mismo que se tiene disposición de ella (ríos de llanura), con el fin de accionar las turbinas hidráulicas. El caudal suministrado varía dependiendo de las estaciones del año. Cuando las precipitaciones son abundantes (temporada de aguas altas), estas centrales producen su máxima potencia y el agua excedente sigue de largo. En la temporada de aguas bajas, cuando el tiempo es seco, la potencia desarrollada disminuye notablemente. Por lo tanto la obra civil tiene por objeto ganar solo algo de altura y conducir el agua hacia las turbinas, sin poder regular las crecidas ni modificar las horas de turbinado del río. Son esencialmente centrales de base.




CENTRALES TÈRMICAS

Una central térmica transforma la energía química (poder calorífico) de un combustible (gas, carbón, fuel oil) en energía eléctrica. Es una instalación donde la energía mecánica que se necesita para mover el generador y por tanto para obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al elevar la temperatura del agua en una caldera. El agua líquida pasa a transformarse en vapor. Como este vapor es húmedo y poco energético, entonces se sobrecalienta y este se vuelve seco, hasta altas temperaturas y presiones. El vapor sobrecalentado pasa por un sistema de conducción y se libera hasta una turbina, provocando su movimiento a gran velocidad. La turbina está acoplada a un alternador que, finalmente, produce energía eléctrica. En esta etapa final, el vapor se enfría, se condensa y regresa al estado líquido. El agua líquida forma parte de un circuito cerrado y volverá otra vez a la caldera, previo calentamiento. Para refrigerar el vapor se emplea se recurre a agua de un río o del mar, la cual debe refrigerarse en torres de enfriamiento.

Todas las centrales térmicas tienen un ciclo de producción de vapor destinado al accionamiento de las turbinas que mueven el rotor del alternador y otro ciclo, de agua, para fines de refrigeración.




Clasificación de las centrales térmicas 1. Centrales convencionales de vapor (TV): En estas centrales, los combustibles

normalmente utilizados son: carbón en trozos o en polvo, diesel oil, fuel oil y gas natural.

Pueden construirse con o sin condensador, aunque esta última disposición se tiende a eliminar por razones de rendimiento de la instalación. Si no poseen condensador el vapor escapa a presión atmosférica. Con el condensador, el vapor es recuperado a una presión inferior a la atmosférica y transformado en agua. En estas instalaciones adquiere gran importancia el tratamiento del agua de alimentación, para eliminar sus durezas, y evitar así incrustaciones y corrosiones en toda la línea de vapor, que se traducen en mantenimiento y reposiciones que encarecen la generación de energía. Disponiendo de abastecimiento de agua y combustible, estas centrales no tienen limitación de potencia instalada, lo que resulta una característica muy ventajosa de las mismas. Operan como centrales de base de los sistemas de energía.

2. Centrales turbo gas (TG): El combustible normalmente utilizado es gas natural.

Generalmente son de mediana potencia, de construcción compacta y de arranque muy rápido, lo que les permite atender las demandas pico adecuadamente.




3. Centrales de motores Diésel (DI): Los generadores son accionados por motores alternativos tipo diesel y se usa en instalaciones de potencia reducida como es el caso de centrales rurales aisladas, o en el caso de industrias que poseen su propia generación. Son muy utilizados como grupos generadores de emergencia en centrales eléctricas o en industrias. La energía producida es cara, dado el consumo de combustible, incidencia de mano de obra, gran mantenimiento. En funcionamiento normal originan grandes vibraciones que se trasladan a la estructura, lo que obliga a ejecutar fundaciones especiales y costosas. Además son muy ruidosos. Pueden tomar carga en tiempos breves.

4. Ciclo combinado (CC): Esta central térmica genera energía eléctrica mediante la utilización conjunta de dos turbinas: un turbogrupo de gas y un turbogrupo de vapor. En primer lugar aire es comprimido a alta presión pasando a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible. Luego, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje. Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional. A la salida de la turbina el vapor se condensa, transformándose nuevamente en agua, y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.




CENTRALES NUCLEARES

La producción de energía se logra mediante la transformación previa de la energía nuclear. Un combustible nuclear, el uranio, y un reactor nuclear reemplazan a los combustibles y a la caldera de la central térmica. En el reactor tiene lugar la fisión del uranio (rotura en cadena de los núcleos de los átomos de este elemento químico), que al liberar una gran cantidad de energía origina el calor preciso para la obtención del vapor de agua. Las centrales nucleares utilizan las turbinas de vapor como maquinas motrices. El reactor y los sistemas de instalación deben ser sometidos a una continua refrigeración, por lo tanto, la localización de estas centrales depende de la disponibilidad de caudales de agua de valor determinado y regular. Generalmente, los Reactores Nucleares contienen miles de tubos metálicos de zirconio, los cuales interiormente poseen pastillas de óxido de uranio con diferentes grados de enriquecimiento. Estos son arreglados en conjunto, que denominamos ensambles de combustible y son colocados dentro del reactor. Dentro del mismo y cercano a los ensambles de combustible se localizan las barras de control, las cuales son de boro o de cadmio.

Clasificación de las centrales nucleares. Los reactores se clasifican de acuerdo a la sustancia que utilicen como moderador y refrigerante, los más comunes son: 1. PWR (Pressurized Water Reactor) reactores con agua liviana a presión como

refrigerante y moderador.

2. PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor) reactores con agua pesada a presión como

refrigerante y moderador.

http://www.google.com.ar/url?sa=i&rct=j&q=reactor+nuclear+BWR&source=images&cd=&cad=rja&docid=H_8VoOO5M0_bqM&tbnid=lk5zVlmleGjF1M:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fhyperphysics.phy-astr.gsu.edu%2Fhbase%2Fnucene%2Freactor.html&ei=Hv-fUcHMJYTk9gTbqIGYCg&bvm=bv.47008514,d.dmQ&psig=AFQjCNG4zLXsgmrrm9ljPX5XbsLnrCpOLA&ust=1369526338186938




3. BWR (Boiling Water Reactor) reactores de agua liviana en ebullición como refrigerante y moderador.

4. GCR (Gas Cooled Reactor) reactores refrigerados por gas y moderados con grafito. 5. LWGR (Light Water Graphite Reactor) reactor refrigerado con agua liviana y moderado

con grafito.
http://www.google.com.ar/url?sa=i&rct=j&q=reactor+nuclear+BWR&source=images&cd=&cad=rja&docid=H_8VoOO5M0_bqM&tbnid=JJzec5AzGupxNM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fhyperphysics.phy-astr.gsu.edu%2Fhbase%2Fnucene%2Freactor.html&ei=8P6fUYmCIoyc8wTc8YDIDQ&bvm=bv.47008514,d.dmQ&psig=AFQjCNG4zLXsgmrrm9ljPX5XbsLnrCpOLA&ust=1369526338186938

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