UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FIM DISEÑO PLANTA TERMICA DE CICLO COMBINADO CON COGENERACION A GAS NATURAL Y CARBON REGION: ANCASH- HUANUCO - UCAYALI Profesor: Ing. Aguilar Vizcarra Duilio Leoncio Alumnos: Reaño Segura, Walter Jimenez Navarrete, José Málaga Luyo, Federico Nina Ochoa, Carlos 2011 - II
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FIM
DISEÑO PLANTA TERMICA DE CICLO COMBINADO CON COGENERACION A GAS NATURAL Y CARBON
REGION: ANCASH- HUANUCO - UCAYALI
Profesor: Ing. Aguilar Vizcarra Duilio Leoncio Alumnos: Reaño Segura, Walter Jimenez Navarrete, José Málaga Luyo, Federico Nina Ochoa, Carlos
2011 - II
INDICE
INTRODUCCION
OBJETIVO
MARCO TEORICO
ANALISIS DE LA POSIBILIDAD DE LAS REGION
ESTIMACION DE LA POTENCIA REQUERIDA
ESTABLECR EL TIPO DE PLANTA
SELECCIÓN DE EQUIPOS QUE CONSTITUYEN UNA PLANTA TERMICA
TURBINA
CALDERA
IINTERCAMBIADORES DE CALOR
BOMBA
TUBERIAS PARA VAPOR
VALVULAS
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFIA
ANEXSOS
CATALOGO DE TURBINAS A GAS SIEMENS
CATALOGO DE TURBINAS A VAPOR SIEMENS
MANUAL DE BOMBAS
INTRODUCCION
La transformación de energía constituye una de las áreas más importantes en
la formación del Ingeniero Mecánico, por lo tanto el futuro profesional deberá
desarrollar la habilidad para evaluar y decidir cual ha de ser la planta térmica
más apropiada para el aprovechamiento de la energía que se libera al quemar
un combustible con base en aspectos económicos, sociales, tecnológicos y
ambientales. También debe tener criterios de evaluación y de análisis de los
parámetros de operación de centrales termoeléctricas para permitir la
optimización del proceso de aprovechamiento energético.
OBJETIVO GENERAL
Poder determinar las magnitudes térmicas que definen los procesos para
satisfacer una necesidad de energía mediante una planta de gas, y de vapor
combinadas que trabajen en condiciones de máximo rendimiento o máxima
producción. Adicionalmente el estudiante podrá identificar los equipos que
constituyen una planta térmica, explicar su principio de funcionamiento y
evaluar la eficiencia de cada uno de los elementos componentes considerando
su efecto en el rendimiento térmico del ciclo y valorando el impacto ambiental
de cada elemento de la planta estudiada.
Para las regiones de ANCASH - HUANUCO - UCAYALI
MARCO TEORICO
COGENERACION La cogeneración es un proceso mediante el cual se
generan dos o más formas de energía de manera simultánea, agotando
únicamente una fuente principal de energía.Cogeneración significa producción
simultánea de dos o más tipos de energía. Normalmente las energías
generadas son electricidad y calor, aunque puede ser también energía
mecánica y calor (y/o frío).
La producción simultánea supone que puede ser utilizada simultáneamente, lo
que implica proximidad de la planta generadora a los consumos, en
contraposición al sistema convencional de producción de electricidad en
centrales termoeléctricas independientes, donde también se desprende calor,
pero éste no es aprovechado y ha de ser eliminado al ambiente. Recordemos
que la termodinámica obliga a la evacuación de una cierta cantidad de calor en
todo proceso térmico de producción de electricidad, ya que todo el calor
absorbido no puede transformarse en trabajo. El objetivo de la cogeneración es
que no se pierda esta gran cantidad de energía.
PRINCIPALES CARACTERISTICAS
Analizando lo que antecede podemos señalar las principales características
diferenciales de la cogeneración, a saber:
Debido a estas características, la cogeneración contribuye de forma importante
a la seguridad del abastecimiento energético y a la protección del medio
ambiente los cuales se describe a continuación.
a) Mayor seguridad del abastecimiento energético
Al ser un sistema distribuido de producción de electricidad (muchas
plantas de pequeña potencia cerca de los centros de consumo), se
producen diversas ventajas:
Un ahorro de inversión en líneas de transporte y distribución.
Una disminución de las pérdidas de las líneas de transporte y
distribución.
Una importante contribución a la estabilidad del sistema (muchas
plantas, pequeñas y muy distribuidas).
b) Mejora la protección del medio ambiente
Permite un ahorro de energía primaria de 900.000 tep/año
Evita 8,5 Millones de toneladas de CO2 al año
Sin la cogeneración el incumplimiento de España con su
compromiso de Kioto sería un 5% superior al actual.
TURBINA A GAS
Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un
compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan
en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es
mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante.
El gas caliente producido por la combustión se le permite expanderse a través
de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas
con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa
comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad,
impulsar un dispositivo mecánico, etc.
TURBINA A GAS
La máquina está compuesta de los siguientes elementos: 1. Un compresor de flujo axial 2. Una o varias cámaras de combustión (según el fabricante) 3. La turbina a gas 4. Sistemas auxiliares para su operación: a) Sistemas de lubricación b) Sistema de alimentación de combustible c) Sistema de regulación de velocidad d) Sistema de puesta en marcha y parada e) Sistemas de protección de máquina f) Sistema de acoplamiento hidráulico g) Sistema de virado (virador)
5. Motor de lanzamiento (motor Diesel, o motor eléctrico)
VENTAJAS DE LAS TURBINAS A GAS
a) Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño b) Bajo costo de instalación c) Rápida puesta en servicio d) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los movimientos roto alternativos de los motores de combustión interna) e) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente perfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativos f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión interna) g) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento h) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente i) Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja presiones) j) El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constante en la cámara de combustión (diferente a los motores de combustión interna) k) Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión y turbina propiamente dicha l) No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un condensador) m) Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene, gasoil, gas natural, carbón pulverizado, siempre que los gases de combustión no corroan los álabes o se depositen en ellos
n) El par motor es uniforme y continuo
DESVENTAJAS DE LAS TURBINAS A GAS
Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a: 1. Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura de salida de los gases de escape por chimenea, entre 495ºC a 560 ºC 2. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial, en el orden de las ¾ partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina. Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en: 1. Turbinas a gas de acción 2. Turbinas a gas de reacción En las turbinas de acción la caída total de presión de los gases de combustión se produce en las toberas que están ubicadas antes del/los estadios móviles y fijos de la misma. De esta manera se produce una transformación de energía de presión a energía de velocidad (energía cinética) en los gases. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, permanece constante. En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gases de combustión se produce tanto en las toberas, como en los estadios móviles y fijos que componen la misma. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, va disminuyendo. También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadios móviles, en cuyo caso pueden ser: 1.-Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil)
2.- Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles)
Admisión de aire
El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire.
Compresor de aire
La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la turbina pero que normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina.
El control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del compresor. A mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la turbina. Este método se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas, como se verá más adelante.
Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeración de álabes y de la cámara de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin.
Cámara de combustión
En ella tiene lugar la combustión a presión constante del gas combustible junto con el aire. Esta combustión a presión obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de presión adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar.
Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del
aire teórico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar las partes más calientes de la cámara. Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia
las paredes de la cámara de combustión para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra parte se hace circular por el interior de los álabes de la turbina, saliendo por orificios en los bordes que crean una
película sobre la superficie de los álabes
Turbina de expansión
En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpía), a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje). Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor.
Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una presión de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600ºC. Esa alta temperatura hace que la energía que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN, que consiste en utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cámara de combustión) o bien, como es más habitual, para generar vapor en una caldera de recuperación. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor consiguiéndose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).
CICLO TERMODINAMICO BRAYTON TEORICO
El ciclo termodinámico teórico por el cual funcionan todas las turbinas a gas es
el Ciclo BRAYTON.
Las transformaciones teóricas que se realizan en el ciclo son las siguientes: La compresión 1-2 representa la compresión isoentrópica del aire que se realiza en el compresor axial. La transformación 2-3 representa el proceso de combustión a presión constante donde se produce el aporte de calor (Q suministrado) del medio al sistema debido a la oxidación del combustible inyectado en el punto 2. La transformación 3-4 representa la expansión isoentrópica de los gases de combustión que se desarrolla en la turbina. No existe la transformación 4-1. En los diagramas se representa solo a modo de cerrar el ciclo ya que el ciclo BRAYTON es en realidad, como se ha explicado anteriormente, un ciclo abierto. Podemos interpretar que del punto 3 a 4 se produce la devolución de calor (Q devuelto) del sistema al medio, es decir la pérdida de calor al ambiente a través de los gases de escape de la turbina.
TRABAJO TEORICO REALIZADO POR LA TURBINA
El trabajo teórico realizado por la turbina a gas (trabajo positivo) está representado en el diagrama “p – v” de la Fig. 9 por el área comprendido entre la adiabática de expansión y el eje de ordenadas, es decir por el área rayada:
(a-3-4-b).
Trabajo teórico turbina = h3 – h4 Donde: h3 = entalpía de los gases de combustión a la entrada a la turbina (kcal/kg)
h4 = entalpía de los gases de combustión al salir de la turbina (kcal/kg
TRABAJO TEORICO ABSORBIDO POR EL COMPRESOR
El trabajo teórico absorbido por el compresor axial (trabajo negativo) está representado en el diagrama “p – v” de la Fig. 10 por el área comprendida entre
la adiabática de compresión y el eje de ordenadas, o sea por el área (a-2-1-b)
Trabajo teórico del compresor = h2 –h1 Donde: h1 = entalpía del aire a la entrada del compresor (kcal/kg)
h2 = entalpía del aire al salir del compresor (kcal/kg)
TRABAJO UTIL TEORICO ENTREGADO POR LA TURBONA
El trabajo útil teórico o trabajo neto teórico que entrega la turbina es la diferencia entre el trabajo teórico de turbina menos el trabajo teórico del
compresor
Gráficamente el trabajo útil teórico entregado por la turbina está representado por el área (1-2-3-4) de la Fig. 11 Del trabajo total producido por la turbina, el compresor axial absorbe aproximadamente el 70 %, quedando solamente el 30 % disponible como
trabajo útil.
RENDIMIENTO TEORICO DE LA TURBINA A GAS
Supongamos que en el ciclo BRAYTON, representado en la figura, las evoluciones (1-2) y (3-4) son adiabáticas, con lo cual nos apartamos ligeramente de la realidad, ya que las evoluciones reales son politrópicas de exponente variable: El calor aportado por el medio a través del combustible que se oxida es:
Q1 = Cp( T3 – T2)
Q2 = Cp( T4 – T1 )
η = ( Q1 –Q2 )/ Q1 r = P2/P1= P3 / P4 ( relacion de presion )
η = 1- ( 1/ ε^(k-1) )
Es decir que el rendimiento térmico teórico del ciclo depende exclusivamente
de la relación de presiones (r), o bien, de la relación de volúmenes (ε) entre
los
cuales se comprime.
RENDIMIENTO REAL DE LA TURBINA A GAS
Sabemos que en toda máquina térmica el rendimiento y la potencia del ciclo real siempre son inferiores a los del ciclo teórico por varias razones, tales como: 1. La compresión no es isoentrópica 2. La expansión no es isoentrópica 3. En todo el sistema se producen pérdidas de presión 4. El proceso de la combustión es incompleto, por lo cual no toda la energía química contenida en el combustible es liberada en ella como energía calórica, debido a la presencia de inquemados 5. Existen pérdidas por radiación y convección a través de todo el cuerpo de la máquina 6. Existen pérdidas de energía cinética a través de los gases de escape la
cual no se utiliza en las máquinas industriales
De todas estas pérdidas solo consideraremos las pérdidas en la compresión y en la expansión por ser las más significativas, pudiendo despreciar el resto frente a estas. Por lo tanto para obtener el rendimiento térmico real debemos tener presente que la compresión del aire en el compresor no es isoentrópica como estudiamos anteriormente, sino que esta es politrópica. Además y de igual modo deberemos tener presente que la expansión de los gases en la turbina no es isoentrópica como supusimos, sino que esta es también politrópica.
Los diagramas representan las transformaciones reales
A efectos del análisis a realizar, llamaremos: Ltt = Trabajo teórico de la turbina Ltc = Trabajo teórico del compresor El trabajo útil teórico de la máquina (Ltm) está dado por la diferencia entre el trabajo teórico de la turbina menos el trabajo teórico del compresor, es decir: Ltm = Ltt – Ltc = Trabajo útil teórico de la máquina Ahora bien, el trabajo útil real de la máquina (Lrm) está dado por la diferencia entre el trabajo real de la turbina (Lrt) y el trabajo real del compresor (Lrc):
Lrm = Lrt – Lrc = Trabajo útil real de la máquina.
El rendimiento real de la turbina ηt está dado por la relación entre los trabajos
real y teórico de la turbina: ηt = Lrt/ Ltt Lrt = ηt * Ltt
Lo que nos dice que el trabajo real que entrega la turbina es menor que el
teórico. El rendimiento de una turbina actual ηt es del orden del 0,95 (95%).
Por su parte, el rendimiento real del compresor ηc está dado por el cociente
entre los trabajos teórico y real, resultando este último, mayor que el teórico: η c = Ltc / Lrc Lrc = Ltc / ηc Como se sabe, el compresor real absorbe mayor trabajo que el teórico para llevar el aire del estado (1) al (2). En la actualidad, el rendimiento de un
compresor axial de turbina ηc es aproximadamente del 0,87 (87%)
Reemplazando en la ecuación Lrm = Ltt *ηt – Ltc/ ηc
El rendimiento real o efectivo ηe de la máquina considerada como conjunto
compresor-turbina está dado por: ηe = ηtem* Lrm / Ltm = ηtem *( Ltt*ηt – Ltc / ηc) / (Ltt – Ltc ) ηe = ηtrm (ηt – Ltc / Ltt ηc ) / ( 1 – Ltc / Ltt ) El cociente Ltc / Ltt es la relación de los trabajos teóricos del compresor y de la turbina. Se lo indica mediante un coeficiente K que depende de la construcción de la máquina, pudiendo determinarse con solo conocer sus condiciones de operación: temperatura de trabajo de la turbina y relación de compresión.
TURBINA A VAPOR
Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estátor. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estátor también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.
El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes directores
Presión de vapor: con el objetivo de optimizar la potencia y rendimiento de la turbina de vapor, se parte de la máxima temperatura posible para el vapor y de la presión con la que se obtendría el máximo trabajo en la turbina, teniendo en cuenta las limitaciones impuestas por la presión en el condensador y el contenido máximo admisible de humedad en el último escalón de la turbina de vapor debido a la erosión de los álabes. La potencia en el eje de la turbina depende del gasto másico y el salto entálpico disponible en la turbina de vapor como se indica en la siguiente ecuación:
P = m * ∆h
La presión de vapor se selecciona de tal forma que el valor de la ecuación anterior sea el máximo posible pero siendo compatible con los parámetros económicos impuestos a la instalación:
Una presión de vapor elevada supondría una generación menor de vapor al aumentar la temperatura de saturación a medida que lo hace la presión, lo que implica una recuperación de calor inferior de lo gases de escape del ciclo de gas y un menor
rendimiento de la caldera de recuperación de calor.
• Sin embargo, pese a que presiones de vapor pequeñas provocarían una mayor
producción de vapor, una mayor recuperación de calor de los gases de escape y
consecuentemente un aumento del rendimiento de la caldera al ser la densidad menor
se originan mayores pérdidas internas en los equipos, encareciendo así los sistemas principales (caldera, tuberías, turbina, válvulas, condensador, etc.) y de toda la instalación en general. Desde el punto de vista termodinámico y con el objetivo de optimizar el salto entálpico,
la presión óptima para una temperatura determinada es aquella que, siendo lo más alta posible y compatible con la máxima recuperación de calor, no dé lugar al final de la etapa de expansión un contenido de humedad superior al máximo
admisible por el último escalón. La presión obtenida de forma teórica siempre será algo menor puesto que el salto real en la turbina no es isentrópico.
Temperatura de vapor: el valor máximo de la temperatura de vapor se fija de tal forma que sea igual o menor que la temperatura de los gases menos 25ºC teniendo en cuenta que el salto entálpico de la turbina mejora con la del caudal de vapor que se
produce aumentando la temperatura del vapor y el coste mayor de los materiales a utilizar en el sobrecalentador y tuberías de vapor a turbina. El incremento de la temperatura eleva ligeramente la potencia de la turbina puesto que
prevalece la mejora del salto entálpico frente al descenso en la producción de vapor al disminuir la energía de los gases disponibles para la vaporización. También, la mayor temperatura del vapor contribuye a aumentar el título del vapor en los álabes de los
últimos escalones, permitiendo aumentar el vacío en el condensador e incrementar aún más la potencia. Pinch point: es la diferencia entre la temperatura del vapor a la salida del
evaporador y la temperatura de los gases en esa zona. Cuanto menor sea el valor del pinch point, mayor cantidad de vapor generado, mayor es la superficie total de intercambio de calor requerida del evaporador y
sobrecalentador y por tanto se incrementa el coste de la caldera. Approach temperatura: es la diferencia entre la temperatura de salida en el calderín y la del fluido a la salida del economizador. Esta diferencia es
necesaria para evitar la evaporación en los tubos del economizador en la puesta en marcha, elevación de la carga y operación a carga parcial. Un valor pequeño de este parámetro supone un mayor
aprovechamiento del calor pero también un incremento de la superficie de intercambio en el economizador y puede que la necesidad de emplear materiales aleados en su última etapa para resistir sobrecalentamientos eventuales en el caso de que se produzcan vaporizaciones. Es crítico el valor
a carga parcial porque si es pequeño se pueden producir vaporizaciones que impidan el paso del fluido en las calderas horizontales de circulación natural Una vez fijadas la presión y temperatura los valores de pinch point y
approach determinan la producción de vapor. Sin embargo para una misma suma de ambos parámetros se obtienen superficies de caldera diferentes por lo que el óptimo de cada parámetro debe escogerse según la condición de
operación. Caída de presión en el evaporador: en función de la caída de presión variará la producción de vapor; cuanto mayores sean las pérdidas menor será dicha producción.
El motivo por el cual se produce esta disminución de vapor es porque para mantener el vapor a la entrada de la turbina, la presión y la temperatura de saturación deben ser mayores por lo que no se podrían aprovechar la energía de los gases con temperaturas
inferiores a saturación durante la evaporación. La eficiencia del evaporador así como las pérdidas de carga depende en gran medida de la geometría y diámetro de los tubos pero siempre hay que buscar un equilibrio entre coste y eficiencia.
Caída de presión en el economizador: tiene una influencia directa en el
consumo de las bombas del agua de alimentación, por lo que la geometría y diámetro
de sus tubos se escogen en función de su eficiencia y coste. Temperatura del agua de alimentación: el rendimiento de la caldera de recuperación se incrementa cuanto menor es la temperatura del agua a la entrada del economizador puesto que es la forma de reducir la temperatura de los gases de salida hacia la
chimenea. Por esta razón no existen calentadores de agua en ciclos gas-vapor, y el agua de alimentación sólo es calentada en el desgasificador o a través del sistema de vacío del condensador. Esta baja temperatura del agua de alimentación es una
característica de diferenciación de las centrales de ciclo combinado con respecto a las centrales de caldera convencional, consiguiendo estas últimas mayores eficiencias al calentar el agua de alimentación mediante extracciones múltiples de la turbina.
En ciclos donde las paradas y arranques son frecuentes se diseña para evitar corrosiones internas mediante aireación completa en el aporte de agua a la caldera, optimizando el condensador, la inyección de hidracina. La
temperatura en los tubos más fríos del economizador debe mantenerse por encima del punto de rocío de los humos para evitar condensaciones ácidas que provocarían corrosiones, lo cual se logra calentando el agua de
alimentación (inyectando vapor en el desgasificador).
CALDERAS DE RECUPERACION DE CALOR
Las calderas de recuperación aprovechan el calor de los humos producidos en procesos de combustión o de las corrientes de evacuación de procesos industriales para la generación de agua sobrecalentada o vapor saturado.
Las calderas de recuperación se emplean en un gran número de aplicaciones en combinación con turbinas de gas y plantas de cogeneración. Asimismo, considerando los costes energéticos en contínuo aumento, en los procesos industriales cada vez se
aprovecha más el calor generado a través de calderas de recuperación.
ESQUEMA DE PLANTA CICLO COMBINADO
• Comportamiento muy flexible y buena eficiencia a cargas parciales. • Combustible: gas natural o ciclos de gasificación de carbón.
• Calderas de recuperación más grandes que conveccionales (5 veces) pues sólo hay convección. • Calderas acuotubulares, con circulación natural, con economizador, generador de
vapor y sobrecalentador (tres niveles de P).
• Riesgo de corrosión ácida en economizador Emplea cogeneración por fiabilidad del
suministro y por la rentabilidad económica.
• Características energéticas del sector industrial frente a la cogeneración: – Consumos importantes y continuos. – RCE elevada.
– Q útil en forma de vapor o gases de escape. – La T del proceso determina el tipo de motor. – Tarifas de electricidad y combustibles ventajosas: gran consumo y continuo.
– En algunos procesos se instalan sistemas de cola.
La rentabilidad viene de la diferencia de precio entre la electricidad y los combustibles fósiles.
• Sectores más adaptables: alimentario, papel,refinerías, químico, textil, cerámico y madera. • Turbina de vapor: grandes consumidores de vapor.
• Turbina de gas: consumidores medios con procesos de secado. • Ciclos combinados: grandes consumidores con RCE bajos. • M.A.C.I.: consumidores pequeños y medianos con muchas paradas y variaciones de
carga. La cogeneración se usa en hospitales, hoteles, centros comerciales, edificios públicos, universidades, polideportivos,...
• Principal característica: en invierno,necesidades de electricidad y calor (calefacción) y en verano, de electricidad y frío (aire acondicionado). • Para que sea rentable el frío ha de producirse a partir de energía térmica: máquina
de producción de frío por absorción Þ sistema de trigeneración (producción simultánea de electricidad, calor y frío). Las leyes favorecedoras de la cogeneración surgen con la crisis del petróleo y la
necesidad de reducir la dependencia energética en él.
Uso del GNC en la planta de ciclo combinado con cogeneración
El gas natural se ha constituido en el combustible más económico para la generación
de electricidad, ofrece las mejores oportunidades en términos de economía, aumento
de rendimiento y reducción del impacto ambiental. Estas ventajas pueden conseguirse
tanto en las grandes centrales termoeléctricas así como en las pequeñas.
Una central de ciclo combinado a gas se basa en la producción de energía a través de
ciclos diferentes, una turbina de gas y otra turbina de vapor. El calor no utilizado por
uno de los ciclos se emplea como fuente de calor del otro. De esta forma los gases
calientes de escape del ciclo de turbinas de gas entregan la energía necesaria para el
funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy
eficiente empleo del gas natural.
La energía obtenida en estas instalaciones puede ser utilizada, además de la
generación eléctrica, para calefacción a distancia y para la obtención de vapor de
proceso.
La cogeneración es la producción simultánea de energía eléctrica y energía térmica
utilizando un único combustible como el gas natural.
Las plantas de Cogeneración producen electricidad y calor para aplicaciones
descentralizadas y donde se requieran. Estas plantas tienen una óptima eficiencia en
las transformaciones energéticas y con mínimas contaminaciones ambientales.
Usualmente la ubicación de estas plantas es próxima a los consumidores, con lo cual
las pérdidas por distribución son menores que las de una central eléctrica y un
generador de calor convencional.
La sustitución de centrales convencionales de carbón y diesel por centrales de ciclo
combinado que utilizan gas natural es una manera efectiva de contribuir a la reducción
del efecto invernadero. Por otro lado, la tecnología de ciclo combinado consume un
35% menos de combustible fósil que las convencionales, lo que aporta, de hecho, la
mejor solución para reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera y, por tanto,
contribuir a preservar el entorno medioambiental. Respecto al resto de contaminantes,
la emisión unitaria por kWh producido a través de plantas de ciclo combinado es, en
general, sensiblemente menor, aunque destaca especialmente la reducción de emisión
de dióxido de azufre, que es despreciable frente a la de una central alimentada por
carbón o fuel.
En cuanto a los costos; en una planta de ciclo combinado, la inversión necesaria para
instalar un módulo es del orden de 50% en relación a la inversión en una planta con
carbón importado; el tiempo de construcciones, aproximadamente, 30 % menor. La
repercusión, en términos de costos de capital, sobre el precio final del kWh producido
en una planta de ciclo combinado es la tercera parte que en el caso de utilizar carbón
de importación. También resulta significativa la menor cantidad de agua que se utiliza
en el proceso, ya que la turbina de gas no precisa de refrigeración alguna y
únicamente se requiere agua para el ciclo de vapor, lo que supone que una central de
ciclo combinado con gas natural necesita tan sólo un tercio del agua que se precisa en
un ciclo simple de fuel o de carbón.
USO DEL CARBON COMO COMBUSTIBLE EN EL CALDERO RECUPERADOR
ASPECTOS GEOLÓGICOS DE LAS MINAS ESTUDIADAS
Las minas estudiadas en el departamento de La Libertad corresponden a la cuenca del
Alto Chicama, donde el yacimiento de carbón ocurre en una extensión de 750 km2
(INGEMET, 1983). El carbón se presenta a saber en 10 mantos, de los cuales 6 son
económicamente explotables, y con diversos rumbos y buzamientos (de 50° a 80°),
debido al tectonismo de los andes, viéndose afectados por diversas fallas y
deformaciones. Las rocas encajonantes por lo general son ortocuarcitas. Las reservas
de carbón en esta cuenca superan los 250 000 000 TM, con poder calorífico que varía
entre 7000 y 7500 Kcal/Kg. Tal como se detalla en el Cuadro N.° 3, el mismo que
muestra las características de los carbones por tipos en el territorio nacional y las
reservas estimadas en cada zona (“Inventario preliminar del carbón en el Perú”,
INGEMMET, 1983).
En la cuenca del Santa se visitó la mina Tarica, que comprende las provincias de
Pallasca, Corongo y Huaylas del departamento de Ancash. En esta cuenca el
afloramiento del carbón se extiende por 300 km2. Los mantos tienen potencias que
van de 0,60 m a 3,00 m con buzamiento de 20° a 75°, se considera que existen una
secuencia de 6 mantos con valor económico. El poder calorífico del carbón de esta
cuenca está por el orden de 6000 a 7500 Kcal/Kg.
ASPECTOS MINEROS DE LAS MINAS DE CARBÓN
Una característica común de las minas de carbón a parte de la geológica, es la forma
de explotación: completamente artesanal, a excepción de la Cía. Black Hill Co. El
carbón se arranca con las herramientas más rudimentarias como pico, lampa,
carretilla, ocasionalmente vagones sobre listones de madera como rieles (figura 1) . Así
mismo, en las quebradas profundas se cruza el carbón de un bando a otro mediante
cables carriles, con vagones de ½ ton. En la mayoría de las minas, la explotación es al
azar sin ninguna perspectiva ni criterio, y sin las mínimas condiciones de seguridad ni
protección al personal; considerando además, que dichas labores cuentan con una
única galería de acceso de la superficie. La eficiencia de producción varía entre 0,5 a
1,5 TM/H-G, a un costo que oscila entre 20 a 35 s/TM, dependiendo de la dureza del
carbón y la consistencia de las cajas del manto. En la mayoría de los casos, los
trabajos de minado se hacen por contratos. Así mismo, para poder explotar la mina sin
problemas, algunos concesionarios mineros han optado por establecer convenios con
las comunidades, para que los propietarios de los terrenos superficiales sean los que
exploten la mina por contrato, con la condición que toda la producción de carbón sea
entregada al concesionario en cancha, fuera de la bocamina. Definitivamente, la
minería del carbón requiere una asesoría técnica y debe ser una preocupación a nivel
gubernamental, para evitar la minería informal, mediante su formalización.
Análogamente, los grandes consumidores de carbón deben evitar proveerse de esta
sustancia de los acopiadores, porque ellos son los que propician la minería informal del
carbón, traduciéndose en un alto costo social y alto riesgo para la subsistencia de las
minas. Bajo la premisa que una galería colapsada es más difícil rehabilitarla,
considerando además la capacidad financiera de los “mineros” informales.
Explotación en forma artesanal del carbón.
Para nuestro caso elegimos carbón antracita con un poder calorífico inferior de 23
MJ/Kg la cual se queda ubicada en Tarica - Yanac - Corongo – Ancash de la compañía
Minera Sol Sofía SAC.
UBICAREMOS NUESTRA PLANTA EN OTUSCO- Ancash
ESTIMACION DE LA POTENCIA REQUERIDA
Población Actual de UCAYALI-HUANUCO-ANCASH y Proyección a 20 Años
Para evaluar la población actual y su proyección hemos tomado como referencia los
datos proporcionados por el ministerio de Energía y Minas (MEM) y del Instituto
Nacional de Estadística e Informática (INEI), de los cuales hemos hecho un resumen
por año desde el 2002 hasta el 2007 debido a que solo hay referencia hasta el último
Censo Nacional que se dio en ese año.
Población en el UCAYALI-HUANUCO Y ANCASH (Fuente: Ministerio de Energía y Minas)
Año: 2002
Al término del 2002, el Perú cuenta con una población de 26,9 millones de habitantes;
Lima concentra el 32% de ellos, seguido de los demás departamentos con menores
porcentajes. El consumo total de energía eléctrica, conformado por la energía
generada para uso propio (7% del total generado)más la venta de energía a cliente
final (17605GW.h), ascendió a 19 168 GW.h, donde Lima, Junín, Moquegua, Ica y
Arequipa son los departamentos con mayor consumo, representando el 46%, 9%, 8%,
6% y 5% del consumo total respectivamente. El Consumo de Electricidad per cápita a
nivel nacional en el 2002 alcanzó los 713 kW.h/hab, siendo Moquegua el departamento
con mayor consumo per cápita (9 884 kW.h/hab), seguido de Pasco, Ica, Junín, Lima y
Arequipa con menores niveles. El grado de electrificación del país ascendió a 75,3% en
todo el Perú, encontrándose los índices más altos en Lima.
Tabla Nº1. Población estimada año 2002
Año 2003
Al término del 2003, el Perú cuenta con una población de 27,1 millones de habitantes;
Lima concentra el 32% de ellos, seguido de los demás departamentos con menores
porcentajes. El consumo total de energía eléctrica, conformado por la energía
generada para uso propio (7% del total generado) más la venta de energía a cliente
final (18 375 GW.h), ascendió a 19 168 GW.h, donde Lima, Junín, Moquegua, Ica y
Arequipa son los departamentos con mayor consumo, representando el 47%, 9%, 8%,
6% y 5% del consumo total respectivamente.
El Consumo de Electricidad per cápita a nivel nacional en el 2003 alcanzó los 734
kW.h/hab, siendo Moquegua el departamento con mayor consumo per cápita (9 568
kW.h/hab), seguido de Pasco, Ica, Junín, Lima y Arequipa con menores niveles.
Tabla Nº2. Población estimada año 2003
Año 2004
Al término del 2004, el Perú cuenta con una población de 27,5 millones de habitantes;
Lima concentra el 32% de ellos, seguido de los demás departamentos con menores
porcentajes. El consumo total de energía eléctrica, conformado por la energía
generada para uso propio (7% del total generado) más la venta de energía a cliente
final (19641 GW.h), ascendió a 21266GW.h, donde Lima, Junín, Moquegua, Ica y
Arequipa son los departamentos con mayor consumo, representando el 47%, 8%, 8%,
6% y 5% del consumo total respectivamente.
El Consumo de Electricidad per cápita a nivel nacional en el 2004 alcanzó los 772
kW.h/hab, siendo Moquegua el departamento con mayor consumo per cápita (9 722
kW.h/hab), seguido de Pasco, Ica, Junín, Lima y Arequipa con menores niveles.
Tabla Nº3. Población estimada año 2004
Año 2005
Al término del 2005, el Perú cuenta con una población de 27,2 millones de habitantes;
de la cual Lima concentra el 30% de ellos, seguido de Piura. La libertad y Cajamarca
con porcentajes de entre 5% y 6% del total,, lo cual muestra la alta concentración
poblacional del país en la capital. El consumo total de energía eléctrica, conformado
por la energía generada para su uso propio (1699 GW.h) más la venta de energía a
cliente final (20701 GW. H) ascendió a 22400 GW.h donde lima Moquegua, Ica,
Ancash, Cajamarca y Arequipa fueron las regiones con mayor consumo, y sus
participaciones fueron 44%, 7%, 7%, 6% y 5% del total, respectivamente.
El Consumo de Electricidad per cápita a nivel nacional en el 2005 alcanzó los 823
kW.h/hab, siendo Moquegua el departamento con mayor consumo per cápita (9 466
kW.h/hab), seguido de Ica, Pasco, Ancash, Lima y Arequipa con menores niveles.
El número de usuarios llego a los 3.98 millones, de los cuales Lima concentro 1.55
millones seguido de Arequipa y La libertad con alrededor de 230 mil usuarios cada uno.
Tabla Nº4. Población estimada año 2005
Año 2006
Al año 2006, el Perú contó con una población de 27,5 millones de habitantes, donde se
Observó que la región Lima, tuvo una mayor participación (29% del total), seguida de
Piura, La Libertad y Cajamarca con indicadores que fluctúan entre 5% y 6% del total
nacional. El consumo total de energía eléctrica, que incluye la venta de energía a
cliente final (22 290 GW.h) y la energía generada para uso propio (1 756 GW.h),
ascendió a 24 046 GW.h. Lima, Moquegua, Ancash, Ica, Callao y Arequipa fueron las
regiones con mayor consumo, y sus participaciones alcanzaron el 42%. 7%, 6%, 6%,
6% y 5% del total, respectivamente. El consumo de energía eléctrica per cápita a nivel
nacional en el año 2006 alcanzó los 872 kW.h/hab. En el ámbito regional, dicho
indicador fue mayor en la región Moquegua que tuvo un consumo per cápita de 9 761
kW.h/hab, seguido de Ica, Pasco, Callao, Ancash, Lima y Arequipa.
El grado de electrificación o la proporción de habitantes que reciben servicio de energía
eléctrica a nivel nacional en el año 2005 fue 78,7 %. Las regiones de Arequipa, Callao,
Ica, Junín, Lambayeque, Lima, Moquegua, Tacna y Tumbes superan en magnitud al
promedio de dicho indicador a nivel del nacional.
El número de usuarios llegó a los 4,17 millones, de los cuales Lima concentró 1,59
millones, seguido de Arequipa y La Libertad con alrededor de 240 mil usuarios.
Asimismo, del total, el 89% se encuentra en el sector Residencial, 10% en el Comercial
que incluye servicios y solo el 1% pertenece al sector Industrial.
Con relación a la capacidad instalada para el mercado eléctrico, entre las regiones con
mayor representatividad podemos mencionar a: Lima con 1 147,8 MW, Huancavelica 1