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ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA “VILLA DE REYES” A
DIFERENTES CARGAS PARCIALES
Adriana Santamaria Padilla a, Raúl Lugo Leyte a, Edgar V. Torres González a, Israel E. Hernández Mora a, A. Torres Aldaco a
a
Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, Universidad Autónoma Metropolitana-Unidad Iztapalapa,
Av. San Rafael Atlixco No. 186. Col. Vicentina, 09340, Iztapalapa, D.F., México, e-mail: adri_energy08@outlook.com
Resumen
En este trabajo, se realiza un análisis energético a diferentes cargas parciales 100, 75, 50 y 25% con
datos actuales de operación de la Central Termoeléctrica Villa de Reyes, del año 2014. La importancia
de analizar la flexibilidad de operación de la planta radica en que, en temporada de lluvias se disminuye
la carga de la planta al 30%, debido a que las presas que alimentan a las hidroeléctricas de la región se
encuentran en su máxima capacidad y entonces se aprovecha para generar potencia con esta tecnología.
Los resultados muestran que aumentando la carga de 50 a 75%, el consumo térmico unitario disminuye
de 8,015.85 kJ/kWh a 7,978.76 kJ/kWh, mientras el flujo de combustible aumenta de 9.71 kg comb /s a
14.51 kg comb /s, respectivamente. Por otra parte, la presión de recalentamiento es determinante, ya que si
esta presión es mayor, la eficiencia térmica aumenta, siempre y cuando, al final de la expansión de la
turbina de baja presión no se tengan calidades menores a 0.88. Por esta razón, a bajas cargas se tiene una
menor eficiencia térmica y un CTU mayor, debido a que la operación de la planta es inestable y debe
estar por arriba de la línea de Wilson (calidad de 0.88). Además, al operar a bajas cargas, el combustóleo
tiene un mayor costo por cada kWh generado, de tal manera que, aumentando la carga de 30% a 50% se
tiene una disminución en el costo en temporada de lluvia (Julio, Agosto y Septiembre) de 1.68 $/kWh a
1.65 $/kWh, teniendo un ahorro de 1.76%.
Nomenclatura
CEC
CEV
CTU
DTT
h
P
PCI
q
s
T
mnsm
x
w
Abreviaturas
CT
consumo específico de combustible; [kg comb /kWh],
consumo específico de vapor; [kg vap /kWh],
consumo térmico unitario; [kJ/kWh],
diferencia de temperatura terminal; [°C],
entalpía por unidad de masa; [kJ/kg],
presión; [bar],
poder calorífico inferior; [kJ/kg comb ],
calor por unidad de masa; [kJ/kg],
entropía por unidad de masa; [kJ/kg K],
temperatura; [°C],
eficiencia; [%],
metros sobre nivel del mar; [m],
flujo másico; [kg/s],
calidad,
trabajo por unidad de masa; [kJ/kg],
potencia; [MW],
volumen específico, [m3/kg].
central termoeléctrica,
GE
GV
LC
VSC
generador eléctrico,
generador de vapor,
líquido comprimido,
vapor sobrecalentado.
Subindices
AP
BP
C
comb
cond
sum
rech
m
vap
th
T
B
H
alta presión,
baja presión,
frio,
combustible,
condensación,
suministrado,
rechazado,
motor,
vapor,
térmica,
turbina,
bomba,
caliente.
Introducción
En el mercado energético actual, existe una alta competitividad entre los productores de potencia
eléctrica, es por esto que se deben tener estrategias adecuadas en la operación de las CT, es decir, se
requiere una flexibilidad en cargas parciales durante la operación de éstas, con la finalidad de satisfacer
la demanda de los usuarios y producir energía, principalmente en las horas pico, cuando el precio de la
electricidad es más alto. Generalmente, esta estrategia de operación se hace a todas las plantas de
potencia, no solamente a las que regulan su carga y consideran la demanda en las horas pico, sino
también en las plantas diseñadas para cubrir la carga al 100%. Como consecuencia, se tienen mayores
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ingresos a corto plazo, pero existe una reducción en la vida útil de los componentes de la planta, tales
como el tren de calentamiento o los álabes de la turbina, debido al desgaste térmico y mecánico por la
variación de cargas [1, 2]. Por otra parte, J. M. Muñoz de Escalona et al [3]. realizan un estudio de la
operación de un ciclo combinado a diferentes cargas y proponen tres diferentes estrategias para controlar
la variación de carga: con el consumo de combustible, en el aire requerido para la combustión y en la
velocidad de la flecha de potencia. P. Regulagadda et. al [4] analizan una carboeléctrica a diferentes
cargas (32% a 100%) encontrando que, la eficiencia térmica aumenta con la carga, así como, al
disminuir la presión de condensación, al incrementarse la temperatura y la presión del vapor vivo.
Por otra parte, en México, el 25% de la generación de energía eléctrica se realiza mediante Centrales
Termoeléctricas convencionales, de las cuales la mayoría utiliza combustóleo. En el caso particular de
estudio, la CT Villa de Reyes, ubicada en San Luis Potosí, utiliza combustóleo y durante el año no
siempre opera al 100% de carga. En épocas de lluvia, se disminuye la carga de esta termoeléctrica
debido a que las presas están a su máximo nivel de agua y se aprovecha para generar potencia en las
centrales hidroeléctricas del estado [3].
Metodología
En relación a los balances térmicos de la Unidad 1 de la CT Villa de Reyes, a cargas parciales de 100,
75, 50 y 25%, que generan 350 MW, 262.5 MW, 175 MW y 87.5 MW, respectivamente, se hizo una
macro en Excel con el uso de la herramienta STEAM, donde se calcularon los estados termodinámicos
del ciclo, a partir de éstos se obtiene: el trabajo de las bombas y de la turbina, eficiencia térmica, flujo de
combustible, flujo de vapor, consumo térmico unitario, calor suministrado, calor rechazado, consumo
específico de vapor y consumo específico de combustible.
La Figura 1 muestra el diagrama esquemático de la Unidad 1 de la CT Villa de Reyes. Esta unidad opera
con un ciclo de vapor regenerativo con recalentamiento, cuenta con 6 calentadores cerrados y uno
abierto (deaereador); en la Tabla 1 se muestran las condiciones de operación para una carga al 100% [7].
Por otra parte, en la Tabla 2 se muestran los modelos matemáticos de la eficiencia térmica, consumo
térmico unitario, flujo de combustible, flujo de vapor, consumo específico de combustible y vapor.
Tabla 1.- Condiciones de operación de la
planta al 100% de carga.
Condiciones de operación
0.9
T 1 (°C)
538
SIT
0.78
P
(bar)
166.6
1
B
0.214
P cond (bar)
0.111
P 2 /P 1
(MW)
350
0.05
DTT AP
m
(°C)
2.74
PCI
40089
DTT BP
(kJ/kg comb )
(°C)
Tabla 2.- Parámetros a evaluar de la planta.
Eficiencia térmica
th
CTU
w q
m
sum
CTU
3600
CEC
CEC
CEV
3600m comb W
CEV
3600m vap W
Flujo de vapor
m
m
W
Flujo de combustible
vap
comb
th
w
m q
m
vap
sum
PCI
El PCI del combustóleo se midió experimentalmente en el equipo IKA® Calorimeter System C 2000 del
Laboratorio Divisional de Procesos Termodinámicos (T-041) de IPH, UAM-I y se obtuvo el valor de
40,089 kJ/kg comb .
La altitud a la que se encuentra la CT Villa de Reyes es a 1820 msnm, con una presión atmosférica de
0.822 bar y una temperatura promedio de 20.8 °C. En la Tabla 3 se muestran los estados termodinámicos
del ciclo de vapor a las condiciones de diseño y al 100 % de carga.
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ë ¿´ è ¼» Ó¿§± ¼» îðïëô Ý¿²½ ²ô Ï« ²¬¿²¿ α±ô Ó ¨ ½±
600
1 2
19 0 2
400
18 2 1
1
1
1
11 5 6 27 3
300
4 2
2 3 32 5
2001 1 9 7 2
1
2
2
100 2 13 1 22
25 7 2 4
03 2 7 2 6
3
1 1 9 30 8
0
1
2
Figura 1.- Diagrama esquemático de la Unidad 1 de la
central termoeléctrica Villa de Reyes.
3
1
500
4
5
1
k
gm
m
2
m
4
m
5
m
6
m
7
m
8
9
2
6
7
8
9
1
0
5
s (kJ/kgK)
10
Figura 2.- Diagrama Temperatura-entropía del ciclo de vapor al
100% de carga.
Realizando los balances de energía en los calentadores se obtienen las expresiones para obtener las
fracciones másicas de las extracciones de vapor de la turbina, éstas se presentan en la Tabla 4:
Tabla 4.- Fracciones másicas de las extracciones de vapor de la turbina.
m
m
m
( h19
4
(h17
h
h
16
)
(1
6
h
h
18
2
)
m
19
m (h
h )
(m 2
4
6
m m m )(h h ) m (h
(h h )
2
4
5
h
23
22
)
m
(m 6
8
m )(h
7
29
h
23
m )(h
h )
4
h
16
24
)
m
9
(m 6
16
5
15
14
7
m m m )(h
(h h )
2
(1
7
21
2
(h 4
(h 5
5
m
h
h
20
2
16
h
)
(1
28
(h 8
m m )(h h
7
8
31
30
27
h
26
)
27
m m m )(h
h )
2
4
5
14
h
13
)
29
) (1
(h 9
6
m m m )(h h
2
4
5
13
12
)
h31)
)
15
25
Una vez obtenidas las fracciones másicas, se obtienen los parámetros de funcionamiento para una carga
del 100%, como se muestra en la Tabla 5. Además, los flujos másicos de vapor de las extracciones de la
turbina se muestran en la Tabla 6. Estos flujos se obtienen con el producto de la fracción másica de la
extracción y el flujo másico del vapor vivo.
Tabla 5.- Parámetros obtenidos a una carga del 100%.
1316.632
270.71
w T [kJ/kg]
vap [kg vap /s]
w B [kJ/kg]
w m [kJ/kg]
q rech [kJ/kg]
q sum [kJ/kg]
th [%]
23.743
1292.889
1555.372
2848.26
45.39
CEV [kg vap /kWh]
comb [kg comb /s]
CEC [kg comb /kWh]
CTU [kJ/kWh]
2.7844
19.2336
0.1978
7930.875
Tabla 6.- Flujos másicos al
100% de carga.
Flujos másicos (kg vap /s)
17.69
2
9.69
4
11.49
5
11.70
6
10.05
7
10.77
8
10.28
9
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Edo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
P
166.6
35.76
35.76
21.39
11.96
6.15
2.85
1.16
0.4
0.11
0.11
11.96
11.96
11.96
11.96
11.96
Tabla 3.- Propiedades termodinámicas de la planta para el 100% de carga.
T
h
s
x
Edo
P
T
h
s
538 3399.07 6.4167 0.01994 VSC 17 11.96 187.8 797.89 2.215
312.4 3008.8 6.4918 0.06893 VSC 18 166.6 191.2 820.34 2.2257
538 3536.91 7.2571 0.06613 VSC 19 166.6 213 916.77 2.4285
459.3 3376.77 7.2815 0.10228 VSC 20 166.6 241 1044.4 2.6837
378 3214.18 7.3095 0.15478 VSC 21 35.76 243.8 1055.78 2.7368
294.5 3050.32 7.3418 0.15293 VSC 22 21.39 215.8 1055.78 2.7478
209.9 2886.98 7.3797 0.24669 VSC 23 21.39 215.8 924.38 2.479
125.7 2726.71 7.4248 0.24326 VSC 24 11.96 187.8 924.38 2.4894
75.8 2568.41 7.4752 0.41899 0.97 25 6.15 159.8 674.86 1.9411
47.8 2401.55 7.5329 0.41213 0.922 26 2.85 131.8 674.86 1.9518
47.8 200.41 0.6761 0.77027 LC
27 2.85 131.8 554.26 1.6541
47.9 201.92 0.6772 0.75526 LC
28 1.16 103.8 554.26 1.6657
75.8 318.27 1.0245 1.56476 LC
29 1.16 103.8 435.35 1.3503
103.8 435.95 1.3489 1.52826 LC
0.4 75.8 435.35 1.3634
30
129.1 543.2 1.6243 3.87668 LC
0.4 75.8 317.57 1.0259
31
157 663.17 1.9126 3.8464 LC
32 0.11 47.86 317.57 1.041
12.26271
12.15942
0.00101
0.00101
0.00101
0.00102
0.00104
0.00106
0.00109
0.00113
0.00112
0.00112
0.00116
0.00121
0.00123
0.00763
x
LC
LC
LC
LC
LC
0.07
LC
0.063
LC
0.055
LC
0.052
LC
0.05
LC
0.049
Resultados
Para T 1 = 538°C, P 1 = 166.6 bar, P cond
sit =0.9 y
B =0.78, se realiza el análisis paramétrico
a las diferentes cargas, obteniendo como resultado la eficiencia térmica, consumo térmico unitario, flujo
de combustible, consumo específico de combustible y consumo específico de vapor, tal y como se
muestra en las Figuras 3, 4 y 5.
La Figura 3 muestra que el CTU disminuye al aumentar la carga, indicando un mejor desempeño de la
planta a mayor carga. Cabe mencionar, que en el rango de carga de 25% a 50% la diminución del CTU
es mayor en comparación con el rango de 50% a 100%, es decir, en el primer rango por cada 1% de
carga que se aumenta se tiene una disminución del CTU en 7.2 kJ/kWh y para el segundo rango por cada
1% de carga que se aumenta se tiene 1.9 kJ/kWh de disminución de CTU. Este cambio de pendiente se
debe a que, la planta operando al 25% de carga tiene una presión de recalentamiento de 13.11 bar, que es
baja en comparación con las presiones en otras cargas, de tal forma que, se busca mantener lo más
estable posible el equipo para no caer por debajo de la línea de Wilson (x=0.88) y entonces la calidad al
final de la expansión sube a 0.98.
La Figura 4 muestra que a medida que la carga aumenta el consumo específico de combustible
disminuye, mientras el consumo específico de vapor aumenta. Esto indica una mayor producción de
vapor con menor consumo de combustible por cada kWh generado.
8210
2.8
0.206
0.204
0.202
2.6
0.2
2.5
0.198
2.4
0.196
20%30%40%50%60%70%80%90%100%
2.7
8160
8110
8060
8010
% de carga parcial
7960
7910
20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110%
% de carga parcial
Figura 3. Consumo térmico unitario en función de las
cargas parciales de operación.
Figura 4. Consumo específico de combustible y de vapor en
función de las cargas parciales.
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En la Figura 5 se tiene el comportamiento del consumo de combustible y del costo del combustóleo por
cada kWh generado en función de las cargas parciales; se tiene que a medida que la carga aumenta el
consumo de combustible aumenta de forma lineal. Por ejemplo, cuando la planta opera con una carga
del 38% se tiene un consumo de combustible de 7.44 kg/s. Además, aumentando la carga del 25% al
50% hay un incremento de flujo de combustible del 48%, mientras que al aumentar la carga del 50% al
75% se tiene un incremento del 32% y por último, aumentando la carga del 75% al 100% se tiene un
incremento del 24%. Por otro lado, el costo de combustible por kWh disminuye de tal manera que,
aumentando la carga de 25% a 50% se tiene una disminución en el costo en temporada de lluvia de
1.68$/kWh a 1.65 $/kWh, teniendo un ahorro de 1.76% [6]. También para la operación al 100% de
carga, en Agosto se tiene un costo mayor de combustóleo para generar un kWh con respecto a Julio, es
decir, con un aumento de 0.83%.
1.7
1.69
1.68
1.67
1.66
1.65
1.64
1.63
1.62
8200
22
20
comb
18
16
14
12
10
Agosto
Septiembr 86
e
4
2
Julio
0
20%30%40%50%60%70%80%90%100%110%
8150
8100
Primavera
Verano
8050
Otoño
Invierno
8000
% Carga parcial
7950
7900
7850
7800
20%
Figura 5.- Costo de combustóleo por kWh generado y flujo de
combustible a diferentes cargas parciales.
40%
60%
80%
% carga parcial
100%
Figura 6.- Consumo térmico unitario y eficiencia a
diferentes cargas parciales, variando la temperatura
ambiente.
Para T 1 = 538°C, P 1
SIT =0.9 y
B =0.78, se realiza el análisis paramétrico variando la
temperatura ambiente estacionalmente [8], por consecuente cambia la presión y temperatura de
condensación para las diferentes cargas parciales.
La Figura 6 muestra el comportamiento del CTU en función de la carga parcial variando la temperatura
ambiente de acuerdo al periodo estacional (primavera, verano, otoño, invierno) del año 2014 [8]. Se
muestra que a mayores cargas, el CTU disminuye y entonces la eficiencia térmica aumenta, siendo
mayor en las estaciones de Otoño e Invierno. La variación del CTU entre las estaciones de PrimaveraOtoño y Verano-Invierno a 100% de carga es de 0.85% y 1.01%, respectivamente, mientras que para el
25% de carga se tiene una variación de 1.21% y 1.44%.
En las Figuras 7 y 8 se tiene el comportamiento del CTU en función de la carga parcial, la presión y
temperatura del vapor vivo. En éstas se tiene que a medida que aumenta la presión y la temperatura del
vapor vivo, el CTU disminuye, de tal manera que, la eficiencia térmica y el trabajo de la turbina se
incrementan. Por ejemplo, para la operación al 100% de carga, al subir la presión de 166.6 bar a 190 bar,
el CTU desciende en 52.87 kJ/kWh, representando una disminución del 0.66%. Mientras que variando la
temperatura del vapor vivo de 538°C a 580°C, a una operación del 100% de carga, el CTU desciende en
186.45 kJ/kWh, indicando una reducción del 0.23%.
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ë ¿´ è ¼» Ó¿§± ¼» îðïëô Ý¿²½ ²ô Ï« ²¬¿²¿ α±ô Ó ¨ ½±
8260
P1=140 bar
8210
8500
8400
P1=150 bar
8160
8110
P1=160 bar
8060
8010
P1=166.6 bar
7960
P1=180 bar
7910
7860
P1=190 bar
7810
20%
40%
60%
80%
T1=480 °C
8300
T1=500 °C
8200
T1=520 °C
8100
T1=538 °C
8000
T1=550 °C
7900
T1=560 °C
7800
T1=580 °C
7700
20%
100%
40%
60%
80%
100%
% carga parcial
% carga parcial
Figura 7.- Consumo térmico unitario a diferentes cargas
parciales, variando la presión del vapor vivo.
Figura 8.- Consumo térmico unitario a diferentes cargas
parciales, variando la temperatura del vapor vivo.
Conclusiones
Al ser la CT Villa de Reyes reguladora de carga, en muchas ocasiones opera por debajo del 50% de
carga, ocasionando que su CTU aumente y su eficiencia térmica disminuye.
Con el análisis paramétrico se encontró que el CTU disminuye al aumentar la carga, indicando un mejor
desempeño de la planta a mayor carga, es decir, el consumo específico de combustible disminuye y la
potencia generada aumenta. Además, en las estaciones de Otoño e Inverno se tiene la mayor eficiencia
térmica y el menor CTU. También, a medida que la carga aumenta el consumo específico de
combustible disminuye, mientras el consumo específico de vapor aumenta. Esto indica una mayor
producción de vapor con menor consumo de combustible por cada kWh generado. Por otro lado, el costo
de combustible por kWh disminuye conforme la carga aumenta.
Por último, a medida que aumentan la presión y la temperatura del vapor vivo, el CTU disminuye, la
eficiencia térmica aumenta y el trabajo de la turbina también aumenta.
Se puede tener una mejor eficiencia térmica al 25% de carga aumentando la presión de recalentamiento
de 13.117 bar a 20 bar, con una eficiencia térmica de 43.92% y 44.65%, respectivamente, teniendo un
aumento del 1.63%. Sin embargo, esta mejora en la eficiencia térmica no es factible, a pesar de que la
calidad es de 0.95, se tiene más probabilidades de caer por debajo de la línea de Wilson, por las
fluctuaciones reales del sistema.
Referencias
1. A Stoppato, A. Mirandola, G. Meneghetti, E. Lo Casto. “On the operation strategy of steam power plants working at
variable load technical and economic issues”. Energy, Vol. 37, p 228-236, 2012.
2. A. Mirandola, A. Stoppato, E. Lo Casto. “Evaluation of the effects of the operation strategy of a steam power plant on the
residual life of its devices”. Energy, Vol. 35 p 1024-1032, 2010.
3. J.M. Muñoz de Escalona, D. Sánchez, R. Chacartegui, T. Sánchez. “Part-load analisys of gas turbine & ORC combined
cycles”. Applied Thermal Engineering, Vol. 36, p 63-72, 2012.
4. P. Regulagadda, I. Dincer, G.F. Naterer. “Exergy analysis of a thermal power plant with measured boiler and turbine
losses”. Applied Thermal Engineering, Vol. 30, p 970-976, 2010.
5. Miriam Zuk, Veronica Garibay Bravo, Rodolfo Iniestra Gómez, María Tania López Villegas, L. Rojas Bracho e I. Laguna
Monroy. “Introducción a la evaluación de impactos de las termoeléctricas de México”. Secretaria de Medio Ambiente y
Recursos Naturales (SEMARNAT) e Instituto Nacional De Ecología (INE), ISBN: 968-817-804-7. México 2006
6. SENER: http://www.energia.gob.mx/.
7. Comisión Federal de Electricidad, “Prontuario Termoeléctrica Convencional Villa de Reyes”, México 2012.
8. CONAGUA, Servicio Meteorológico Nacional ó AccuWeather.com.
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