Monografia Fuerza Motriz Termica - Diseño de una central Termica

CALCULO, DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS DE UNA PLANTA DE CICLO COMBINADO CON COGENERACION MN-153-A FUERZA MOTRIZ TERMICA

09/05/2013 2013-1

Ing. Dulio Aguilar

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad De Ingeniería Mecánica → Chocce

Rios Jesus 20090290H

→Monroy Espinoza 20107018I

→ Sandoval Chavez Henry 20092006E

Calculo, dimensionamiento y selección de equipos de una planta de ciclo combinado con cogeneración

MONOGRAFIA

MN 153 – FUERZA MOTRIZ TERMICA

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MONOGRAFIA


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CONTENID CONTENIDO O................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. ................................2 ...............2 I.-FUNDAMENTO I.-FUNDAMENTO TEORICO ................................ ................................................ ................................. ................................. ..........................3 ..........3 II.-ANALISIS DE LOS RECURSOS POTENCIALMENTE APROVECHABLES ................8 ................8 III.-CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL COMBUSTIBLE A EMPLEAR (GAS LICUADO DE PETROLEO)................................ ................................................ ................................. .................................. ........................... ..........12 IV.-POBLACION E INDICADORES ENERGETICOS POR REGION A TRAVES DE LOS AÑOS .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ........................ ........12 V.- CÁLCULO DE LAS NECESIDADES DE ENERGÍA PROYECTADA A PARTIR DE LA SITUACIÓN ACTUAL ............................... ................................................ .................................. ................................. .................................. ....................19 VI.-CALCULO DEL CICLO TERMODINAMICO TERMODINAMICO ............................... ................................................ .............................. .............25 VII.-SELECCIÓN DE EQUIPOS ................................. .................................................. ................................. ................................. .....................42 VIII.- BIBLIOGRAFIA.................................. .................................................. ................................. ................................. .................................. .................... 44 IX.-ANEXO ............................... ................................................. .................................. ................................. ................................. ................................. .....................44


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I.-FUNDAMENTO TEORICO CICLO DE VAPOR - BRAYTON 1. GENERALIDADES 1.1.

Parámetros de diseño de una Central de Cogeneración

Para establecer un sistema de cogeneración en una planta industrial se requiere considerar los siguientes aspectos: 





Consumo o requerimiento requerimiento de energía energía eléctrica (E) expresado expresado en kilowatios. La empresa industrial que quiera instalar un sistema de cogeneración debe requerir y consumir energía eléctrica. Consumo o requerimiento requerimiento de energía primaria (Qs) expresado expresado en kilowatios térmicos. La empresa industrial que quiera instalar un sistema de cogeneración debe requerir y consumir energía primaria para generar energía térmica útil. Normalmente ésta la provee un combustible como el gas natural, combustóleo o diesel, entre otros. Consumo o requerimiento de energía térmica útil (Q=Qu) expresado expresado generalmente en términos de kilowatios térmicos. La empresa industrial que quiera instalar un sistema de cogeneración debe requerir y consumir energía térmica útil para la elaboración de sus productos bienes o servicios, por lo regular en forma de un fluido flu ido caliente, ya sea vapor o gases calientes. Esta energía térmica útil es autogenerada por las empresas industriales en el seno de su empresa a través de equipos de combustión (calderas o calentadores a fuego directo).

Esta energía térmica se relaciona directamente con el combustible suministrado (Qs) con la siguiente fórmula: =

h

  (ℎ  ℎ ) = …(1)  ( )

= Eficiencia de generación de la caldera (%)

Qu

= Calor útil proporcionado por el vapor generado (KJ)

Qs

= Calor suministrado por el combustible quemado (KJ)

mv

= Flujo de vapor (kg/h)

hv

= Entalpía de vapor (kJ/kg)


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Calculo, dimensionamiento y selección de equipos de una planta de ciclo combinado con cogeneración ha

= Entalpía de agua de alimentación (KJ/kg)

PCI mc

= Poder calorífico del combustible (KJ/m3)

= Flujo de combustible (m/h)

En la figura se representan los tres requerimientos antes descritos que son requisitos para instalar un sistema de cogeneración.

Figura 1. Suministro de energéticos a usuarios sin un sistema de cogeneración.

1.2.

CICLO RANKINE

El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.  

Desde el punto de vista netamente termodinámico, bajamos la temperatura de la fuente fría, mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo. Desde el punto de vista mecánico, la presión en el condensador es muy inferior a la atmosférica, lo que hace que la máquina opere con un salto de presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.


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El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera. Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional.

Figura 2. Diagrama T-S Ciclo Rankine

2. ANÁLISIS MATEMÁTICO 2.2. Condensador


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El condensador termodinámico es utilizado muchas veces en la industria de la refrigeración, el aire acondicionado en la industria naval y en la producción de energía eléctrica, en centrales térmicas o nucleares. Adopta diferentes formas según el fluido y el medio. En el caso de un sistema fluido/aire, está compuesto por uno tubo de diámetro constante que curva 180° cada cierta longitud y unas láminas, generalmente de aluminio, entre las que circula el aire. Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (o extractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera. Condensando el vapor del extractor de la turbina de vapor, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina de vapor, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina de vapor, por conversión de poder mecánico. ̇ ̇

̇ ̇ Figura 3. Condensador

BA LA NCE TÉRMICO

̇ (ℎ  ℎ ) = ̇ (ℎ  ℎ ) …(2) 2.5. Bomba El agua condensada es bombeada con la ayuda de las bombas de condensado a un tanque pulmón de alimentación del tren de generación de vapor llamado tanque de agua alimentación. Las bombas empleadas deben aumentar la presión del agua lo suficiente como para alcanzar el tanque de agua de alimentación, situado a gran altura, y para superar la pérdida de carga que produce atravesar diversos equipos.


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Figura 6. Bomba de condensado BA LA NCE TÉRMICO

 = ̇ (ℎ  ℎ )

2.3. Turbina de 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 estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator 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.


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̇

̇

Figura 4. Turbina a Vapor BA LA NCE TÉRMICO

 = ̇ (ℎ  ℎ )  : Eficiencia de la turbina  = . ̇ (ℎ  ℎ ) II.-ANALISIS DE LOS RECURSOS POTENCIALMENTE APROVECHABLES Nuestra planta de cogeneración tendrá que estar ubicado en alguno de estos departamentos: Arequipa, Moquegua, Tacna o Puno. Para ello se analizara el potencial de estos departamentos:

AREQUIPA Localización La ciudad se encuentra localizada a una altitud 2328 msnm, la parte más baja de la ciudad se encuentra a una altitud de 2041 msnm en el sector denominado el Huayco en el distrito de Uchumayo y la más alta se localiza a los 2810 msnm. La parte central de la ciudad es atravesada por el río Chili de norte a suroeste que a su paso forma un valle, denominado el valle de Arequipa o valle de Chili, que es protegido al norte y al este por la faja cordillerana andina y hacia el sur y oeste por las cadenas bajas de cerr os. El valle juega un papel determinante, el valle de Arequipa abierto a la costa y a la sierra conforma a junto con su condición de oasis entre el desierto arenoso y la puna serrana una opción intermedia y razonable de articulación de los sistemas de comunicación y desarrollo propio, la ubicación actual misma que permite articular de manera estratégica la costa y la sierra siendo una ciudad en medio de ambas regiones.Desde la ciudad se observan una serie de conos volcánicos que forman nevados como


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el Misti, Chachani y Pichu Pichu, su territorio es accidentado debido a la presencia de l a Cordillera de los Andes de la parte occidental del continente; se caracteriza por las gruesas capas de lava volcánica que cubren grandes extensiones de su geografía.

Clima El clima de la ciudad es predominantemente seco en invierno, otoño y primavera debido a la humedad atmosférica, es también semiárido a causa de la precipitación efectiva y templado por la condición térmica. Es carente de los rigores de invierno y los abrumadores estíos de la costa, situación que asegura la presencia de un sol vital y un cielo diáfano con 300 días de sol al año y una cifra récord de 4000 horas de exposición al sol al año que justifican el apodo de «Ciudad del eterno cielo azul» que recibe.

Temperatura A lo largo del año presenta temperaturas que no suben de 25 °C y muy rara vez bajan de los 10 °C. La temporada húmeda se extiende de diciembre a marzo y se traduce por la presencia de nubes en la tarde y escasas precipitaciones. En invierno (junio, julio), el clima se torna un poco más frío y la temperatura desciende hasta una media de 10 °C, pero el clima seco ayuda a sentir el frío con menor intensidad.

Humedad La humedad relativa promedio es de 46 %, con una máxima promedio de 70 % en la estación de verano y una mínima promedio de 27 % durante las estaciones de otoño, invierno y primavera de acuerdo a los datos de la estación meteorológica del Hospital Goyeneche. Los vientos están influenciados por un sistema de vientos locales y por el paso de sistemas frontales de baja presión atmosférica, los cuales están condicionadas por la configuración topográfica que rodea al valle donde se halla la ciudad. La ocurrencia de vientos se presenta principalmente en horas de la noche y primeras horas del día, se presentan brisas de montaña que presentan una dirección Nor-Este y en el transcurso del día predominan las brisas de valle con una dirección Sur-Oeste. La velocidad del viento a lo largo del día fluctúa entre 1,5 m/s y 2,5 m/s.

Radiación solar La radiación solar global registrada en la ciudad oscila entre 850 a 950

W/m2 (vatio/metro

cuadrado), considerado como uno de los más altos índices de radiación de Sudamérica y el más alto registrado en el Perú. Este fenómeno se debe a su cercanía a la zona de influencia del desierto de Atacama y la contaminación en todas sus etapas.

Ríos más importantes: Los principales son: Tambo, Ocoña, Majes y Chili.


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MOQUEGUA Localización Hacia el norte limita con Puno y Arequipa; hacia el sur con Tacna y el mar de Grau; hacia el este con los departamentos Puno y Tacna; hacia el oeste con Arequipa y el mar de Grau (océano Pacífico que corresponde al Perú). Situado en la región suroeste, tiene regiones de costa y sierra. Ubinas, su inquietante volcán, es el único en actividad en todo el Perú. En sus faldas, la tierra es fecunda, en contraste con la desolación de sus cumbres.

Clima Su clima es subtropical y desértico soleado, con una temperatura de 20,5°C, una máxima de 33°C y una mínima cercana a los 9°C. La ciudad de Moquegua tiene un clima templado y seco, con escasas lluvias, con un intenso y benigno sol.

Humedad La humedad relativa promedio es de 48% en invierno y 66% en verano.

Ríos importantes: Su único río es el río Moquegua de corto recorrido formado por la unión de pequeños cursos de agua de los ríos Torata, Huaracane y Tumilaca, después de pasar por la ciudad, desemboca en un cañón llamado Osmore, que limita a Ilo de Pacocha,

TACNA Localización El departamento de Tacna está localizado en el extremo sureste del país. Limita por el suroeste con el océano Pacífico, por el norte con Puno, por el noroeste con Moquegua, por el este con la República de Bolivia y por el sureste con la República de Chile. Su capital es la ciudad de Tacna. En las dos terceras partes de su espacio comprende una de las porciones más áridas del desierto costero, surcado por estrechos ríos. El tercio restante corresponde a la puna andina, una porción elevada de la agreste cordillera de los Andes al sur de la meseta del Collao. Está ubicado en las coordenadas 18° 03’ 88’’ de latitud sur y 70° 31’ 25’’ de longitud oeste

Clima La región Tacna posee un clima de naturaleza mayormente árida. Según la clasificación climática de Köpenn por temperatura y precipitaciones, a Tacna le corresponderían 4 tipos de climas:


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







BWh - Desértico cálido: Este tipo de clima se encuentra en la zona costera propiamente dicha. La temperatura media anual está por encima de los 15 °C. y corresponde a las zonas de Ite, Puerto Grau, Los Palos. BWk - Desértico frío: Se ubica en zonas alejadas del mar. La temperatura media anual está por debajo de los 18° C. BSk - Estepario frío: En la zona andina propiamente dicha. La temperatura media anual está por debajo de los 18 °C. A este clima corresponden los pueblos de Candarave, Palca y Tarata. Eh - Alta montaña: Son climas condicionados por la altura.

Humedad relativa La humedad relativa promedio de Tacna alcanza un promedio de 71%.

Ríos principales: Los principales ríos de la región de Tacna son: Rio locumba, Rio Sama, Rio Caplina, Rio Uchusuma y Rio Maure. PUNO Localización Puno es un departamento del Perú situado en el sureste del país. Ocupa 67 mil km² de territorio conformado por la mitad occidental de la Meseta del Collao, al oeste del lago Titicaca, y las yungas amazónicas al norte. Limita al este con territorio boliviano, al suroeste con los departamentos de Tacna, Moquegua y Arequipa, al oeste con el del Cuzco y al norte con Madre de Dios.

Clima En general el clima de Puno se halla frío y seco, al ubicarse a orillas del lago el clima es temperado por la influencia del lago. Las precipitaciones pluviales son anuales y duran generalmente entre los meses de diciembre a abril, aunque suelen variar en ciclos anuales, originando inundaciones sequías, generalmente las precipitaciones son menores a 700 mm. La temperatura es muy variable, con marcadas diferencias entre los meses de junio y noviembre y con oscilaciones entre una temperatura promedio máxima de 21 °C y una mínima de -25 °C.

Humedad relativa La humedad relativa promedio de Puno alcanza un promedio de 60%.

Ríos más importantes: Suche, Huancané, Ramis, Coata, Ilave, Desaguadero y San Gabán.


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III.-CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL COMBUSTIBLE A EMPLEAR (GAS LICUADO DE PETROLEO) El GLP es un producto compuesto por Propano (C3H8), Butano o una mezcla de ambos. Existen dos tipos de GLP comercial, comúnmente llamados Propano (propano comercial) y Butano (butano comercial). El propano comercial es una mezcla de propano, propileno y otros compuestos minotarios (etano, butano, etc). Puede tener hasta un máximo de 30% de butano. El butano comercial es una mezcla de butano, butilenos y otros compuestos minotarios (propanos, pentanos, etc). Puede tener un máximo de 50% de propano. Una gran ventaja que posee el GLP es que no son toxicos, no son corrosivos con los materiales usuales ( acero, cobre, etc)

IV.-POBLACION E INDICADORES ENERGETICOS POR REGION A TRAVES DE LOS AÑOS En esta parte utilizaremos diversos datos históricos recopilados del MINEN las cuales nos mostrara algunos datos importantes para tomar en cuenta en el diseño de nuestra planta de cogeneración, teniendo el criterio de que nuestra planta cubrirá la demanda insatisfecha en las región Arequipa, Moquegua, Tacna y Puno. En los siguientes se mostrara como se ha ido comportando los principales indicadores energéticos a través de los años, y a por medio de ello haremos proyecciones para lograr cubrir una demanda futura con nuestra planta de cogeneración con ciclo combinado. MN 153 – FUERZA MOTRIZ TERMICA

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Para el 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) mas 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 percápita a nivel nacional en el 2005 alcanzó los 823 kW.h/hab, siendo Moquegua el departamento con mayor consumo percápita (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.


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Para el Año 2006 Al término del año 2006, el Perú contó con una población de 27,6 millones de habitantes,de la cual Lima concentró el 30%, seguida 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 uso propio (1 756 GW.h) más la venta de energía a cliente final (22 290 GW.h), ascendió a 24 046 GW.h, donde Lima, Moquegua, Ica, Ancash, Callao y Arequipa fueron las regiones con mayor consumo, y participaciones de 42%. 7%, 6%, 6%, 5% y 5% del total, respectivamente. El consumo de energía eléctrica percápita a nivel nacional en el año 2006 alcanzó los 872,1 kW.h/hab, siendo Moquegua la región con mayor consumo percápita (9 761,1 kW.h/hab), seguido de Ica, Pasco, Callao, Ancash, Lima y Arequipa con menores niveles. El número de usuarios llegó a 4,17 millones, de los cuales Lima concentró 1,59 millones, seguido de Arequipa, La Libertad y Piura con alrededor de 248 , 236 y 231 mil usuarios, respectivamente.


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Para el Año 2007 El consumo total de energía eléctrica ascendió a 26 344 GW.h, de los cuales 24 621 GW.h corresponden a la venta de energía a cliente final y 1 723 GW.h a la energía generada para uso propio. Las regiones de mayor consumo en dicho periodo fueron Lima, Arequipa, Moquegua, Ancash, Callao e Ica cuyas participaciones en el consumo total alcanzaron 41%, 8%, 6%, 7%, 5% y 5%, respectivamente. El consumo de energía eléctrica percápita a nivel nacional en el año 2007 alcanzó los 943,1 kW.h/hab 1, siendo Moquegua la región con mayor consumo percápita (10 288,6 kW.h/hab), seguido de Ica, Pasco, Arequipa, Callao, Ancash, Lima y Junín con menores niveles del citado indicador. El número de usuarios llegó a 4,4 millones, de los cuales Lima concentró 1,6 millones, seguido de Arequipa con 262 mil, La Libertad con 251 mil y Piura con 242 mil usuarios.


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Para el Año 2008 El Perú tiene una población de 28,8 millones de habitantes y cuenta con 25 regiones, entre ellos se destaca la Región Lima que concentra el 31% del total de habitantes seguida 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 uso propio (1 888 GW.h) más la energía vendida a cliente final (26 964 GW.h), ascendió a 28 853 GW.h. Del consumo total, Lima tuvo 41% de participación, Arequipa 8%, Moquegua e Ica tuvieron una participación similar de 6% cada región, mientras Ancash y Callao han consumido 5% del total, respectivamente. El consumo de energía eléctrica percápita a nivel nacional es otro indicador importante, en el año 2008 alcanzó los 1 001,6 kW.h/hab, siendo Moquegua la región con mayor consumo percápita, 10 539,7 kW.h/hab, seguida de Ica, Pasco, Arequipa, Callao, Ancash, Lima y Junín con menores niveles.

.


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Para el Año 2009 El Perú tiene una población de 29,1 millones de habitantes y cuenta con 25 regiones, entre ellos se destaca la Región Lima que concentra el 30,8% del total de habitantes seguida de Piura, La Libertad y Cajamarca con porcentajes de entre 6,0% y 5,0% 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 uso propio (2 023 GW.h) más la energía vendida a cliente final (27 087 GW.h), ascendió a 29 110 GW.h. Del consumo total, Lima tuvo 41,1% de participación, Arequipa 7,8%, Moquegua e Ica tuvieron una participación similar de 6% cada región, mientras Callao y Ancash han consumido 5,2% y 5,0% del total, respectivamente. El consumo de energía eléctrica percápita a nivel nacional es otro indicador importante, en el año 2009 alcanzó los 999,2 kW.h/hab, siendo Moquegua la región con mayor consumo percápita 10 590,8 kW.h/hab, seguida de Ica, Pasco, Arequipa, Callao, Lima, Ancash y Loreto. El número de clientes finales llegó a 4,9 millones, de los cuales Lima concentró 1,7 millones, a continuación de Arequipa con 292 mil, La Libertad con 286 mil y Piura con 273 mil usuarios.


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Para el Año 2010 El Perú tiene una población de 29,5 millones de habitantes y cuenta con 25 regiones, entre ellos se destaca la Región Lima que concentra el 30,9% del total de habitantes seguida de Piura, La Libertad y Cajamarca con porcentajes de entre 6,0% y 5,0% 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 uso propio (2 362 GW.h) más la energía vendida a cliente final (29 436 GW.h), ascendió a 31 798 GW.h. Del consumo total, Lima tuvo 42,1% de participación, Arequipa 7,7%, Ica 6,1% y Moquegua 5,7%, mientras Callao y Ancash han consumido 5,1% y 4,7% del total, respectivamente. El consumo de energía eléctrica percápita a nivel nacional es otro indicador importante, en el año 2010 alcanzó los 1 079,3 kW.h/hab, siendo Moquegua la región con mayor consumo percápita 10 666,4 kW.h/hab, seguida de Ica, Pasco, Arequipa, Callao, Lima, Ancash y Loreto. El número de clientes finales llegó a 5,2 millones, de los cuales Lima concentró 1,8 millones, a continuación de La Libertad con 309 mil, Arequipa con 308 mil, Piura con 293 mil y Junín con 251 mil usuarios.


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V.- CÁLCULO DE LAS NECESIDADES DE ENERGÍA PROYECTADA A PARTIR DE LA SITUACIÓN ACTUAL Consumo Precipita (CP):

  =

 

Población sin electrificación (PSE):

   = (   ) ∗  Energia No Cubierta (ENC):

   =  ∗  Potencia Necesaria a Instalar (PNI):

    =

 

Energía Proyectada:

  =   ∗ ( + )

Potencia Proyectada:

  =   ∗ ( + )

Donde n es número de años e i es la proyección anual de la demanda.


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AREQUIPA

Población Año en Arequipa

Consumo Consumo Población sin de Energía Grado de Percápita electrificación Eléctrica Electrificación (KW.h/hab.) Arequipa (GW.h)

Energía No Cubierta (MW.h)

Potencia Necesaria a Instalar (MW)

2005

1187354

1111,83

936,2

95,80%

49869

46687,23

5,33

2006

1171934

1237,39

1055,9

96,40%

42190

44548,02

5,09

2007

1187170

2036,24

1715,2

97,00%

35615

61087,02

6,97

2008

1201788

2236,07

1860,6

97,60%

28843

53665,12

6,13

2009

1205317

2257,76

1873,2

98,20%

21696

40640,40

4,64

2010

1218168

2440,82

2003,7

98,80%

14618

29290,12

3,34

Cuadro 5: Población sin electrificación, Energía No Cubierta y Potencia necesaria

ENERGIA NO CUBIERTA AREQUIPA 700.00

y = -30.323x + 61333

0 0 1 * a t r e i b u c

600.00 500.00 400.00

o n a i g r e n E

300.00 200.00 100.00 0.00 2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Año

Figura 5. Energía No Cubierta vs. Año

Cálculo de Energía No Cubierta en Arequipa para 2013 (Año Actual)

    2013 = (30,323 ∗ 2013 + 61333) ∗ 100 = 29280 ℎ Cálculo de la Proyección Anual de la demanda (i ) Previamente determinaremos la Energía no cubierta en el año 2005.

    2005 = (30,323 ∗ 2005 + 61333) ∗ 100 = 53538ℎ


Página 20


MOQUEGUA

Consumo Población de Consumo Población sin Grado de Año en Energía Percápita electrificación Electrificación Moquegua Eléctrica (KW.h/hab.) Moquegua (GW.h)



2005

165806

1569,47

9465,7

86,80%

21886 207170,02

23,65

2006

163079

1591,83

9761,1

86,90%

21363 208529,79

23,80

2007

165199

1699,66

10288,6

87,00%

21476 220956,64

25,22

2008

168930

1780,47

10539,7

87,10%

21792 229680,83

26,22

2009

169365

1793,71

10590,8

87,20%

21679 229594,99

26,21

2010

171155

1825,61

10666,4

87,30%

21737 231852,18

26,47


ENERGIA NO CUBIERTA MOQUEGUA 2400.00 0 0 1 * a t r e i b u c o n a i g r e n E

2350.00

y = 55.809x - 109823

2300.00 2250.00 2200.00 2150.00 2100.00 2050.00 2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Año



    2013 = (55,809 ∗ 2013  109823) ∗ 100 = 252052 ℎ Cálculo de la Proyección Anual de la demanda (i ) Previamente determinaremos la Energía no cubierta en el año 2005.

    2005 = (55,809 ∗ 2005  109823 = 207404ℎ MN 153 – FUERZA MOTRIZ TERMICA

Página 21


PUNO

Consumo de Población Año Energía en Puno Eléctrica (GW.h)

Energía Consumo Población sin Grado de No Percápita electrificación Electrificación Cubierta (KW.h/hab.) Puno (MW.h)


2005

1296324

247,11

190,6

69,70%

392786 74865,04

8,55

2006

1327259

274,81

207,1

70,60%

390214 80813,35

9,23

2007

1344513

292,54

217,6

71,50%

383186 83381,32

9,52

2008

1347499

335,82

249,2

72,40%

371910 92679,90

10,58

2009

1340684

350,96

261,8

73,30%

357963 93714,62

10,70

2010

1352523

381,58

282,1

74,20%

348951 98439,06

11,24


ENERGIA NO CUBIERTA PUNO 1200.00 0 0 1 * a t r e i b u c

y = 47.392x - 94267

1000.00

o n a i g r e n E

800.00 600.00 400.00 200.00 0.00 2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Año



    2013 = (47,392 ∗ 2013  94267) ∗ 100 = 113309 ℎ


Página 22


Cálculo de la Proyección Anual de la demanda (i ) Previamente determinaremos la Energía no cubierta en el año 2005.

    2005 = (47,392 ∗ 2005  94267) ∗ 100 = 75396 ℎ TACNA

Año

Población en Tacna

Consumo Consumo Población sin de Energía Grado de Percápita electrificación Eléctrica Electrificación (KW.h/hab.) Tacna (GW.h)



2005

285695

134,21

469,8

97,60%

6857

3221,27

0,37

2006

280655

143,34

510,7

97,60%

6736

3439,93

0,39

2007

284303

153,34

539,4

97,60%

6823

3680,47

0,42

2008

301093

171,34

569,1

97,63%

7136

4061,04

0,46

2009

315534

182,39

578

97,65%

7415

4285,90

0,49

2010

320021

197,73

617,9

97,68%

7424

4587,59

0,52


ENERGIA NO CUBIERTA TACNA 50.00 0 0 1 * a t r e i b u c o n a i g r e n E

y = 2.7857x - 5553.6

45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Año



    2013 = (2,7857 ∗ 2013  55536) ∗ 100 = 5402 ℎ


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Cálculo de la Proyección Anual de la demanda (i ) Previamente determinaremos la Energía no cubierta en el año 2005.

    2005 = (2,7857 ∗ 2005  55536) ∗ 100 = 3173 ℎ Ahora sumaremos las energías no cubiertas de los 4 departamentos Energía 2013=29280+252052+113309+5402= 400043 MW.h Energía 2005=53538+207404+75396+3173= 339511 MW.h

Teniendo en cuenta que desde 2005 al 2013 pasaron 8 años, podemos decir:  Energía _ 2013   i   _ 2005 Energía    400043  i   339511  i



1 8

1 8

1

1

0,021

Si bien esta i (2,1%) determinada no es la proyección, esta nos dará el camino para determinar con mucho criterio la adecuada Proyección Anual de Demanda, por lo tanto podremos elegir una i del 3% para una proyección del 2010 al 2030.

Cálculo de la potencia Proyectada en la región sur para el 2030 Potencia _ Pr oyectada _ al _ 2033  Potencia _ No _ Cubierta _ al _ 2013* 1  i 

n

Sabiendo i =5% y n=20 años, entonces. Energía _ Pr oyectada _ al _ 2033  400043* 1  0.05

20

Energía _ Pr oyectada _ al _ 2033 1061433_ MWh 

Potencia _ Pr oyectada _ al _ 2033= ( Energía _ Pr oyectada _ al _ 2031) /8760 Potencia _ Pr oyectada _ al _ 2033=121.16MW

Es muy importante aclarar que esta Potencia Proyectada determinada, es la Potencia que va a cubrir la demanda

energética de la los departamentos

Arequipa, Moquegua, Tacna y Puno para el año 2033. Se elegirá 130 MW como el valor de la potencia que deberá tener nuestra planta de cogeneración. Además elegimos ubicar nuestra planta de cogeneración en el Departamento de Puno, ya MN 153 – FUERZA MOTRIZ TERMICA

Página 24


que en esa zona existe condiciones climáticas extremas (friaje) que necesitan de nuestro vapor para generar calefacción.

VI.-CALCULO DEL CICLO TERMODINAMICO El esquema del sistema adoptado se muestra en el siguiente gráfico:

Cálculos del ciclo: Datos de entrada: Departamento seleccionado:

Puno

Nivel de altura promedio:

 = 3827 

Temperatura del aire (promedio anual):

° = 8 ° = 281 

Presión Atmosférica: 

Relación física de cálculo de la Presión

 =  

   

Dónde:


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Po: Presión atmosférica a nivel del mar (P o = 101.325 KPa) HZ: Altura sobre el nivel del mar R: Constante universal de gases ideales (R=8.314 KJ/Kmol x K) g: aceleración de la gravedad

( g=9.81 m/s 2)

M: Peso molecular del aire

(M= 28.96 Kg/Kmol)

T: Temperatura del aire promedio (T=281 K)

Reemplazando:

 =  = 0.65  = 65.86 

Poder Calorífico Combustible 1 (GLP):

47 MJ/ Kg

Presión del Vapor: 140 bar Potencia requerida: 130 MW

Análisis del ciclo de Gas Joule – Brayton Abierto: Constantes del aire:

° = 281   = 1.0035

 

 = 1.4 

Potencia Nominal de la turbina de Gas:

 =  =


 



2  130 = 86.67  3

Página 26




Relación de compresión óptima:

Sabemos que la eficiencia ideal del ciclo es función de la relación de presiones. La eficiencia real depende además de la relación de presiones, relación de temperaturas T1 y T3 Además T1 debe ser lo más bajo posible (limitado por la temperatura atmosférica) y T3 (limitado por el material metalúrgico de la turbina; es decir la máxima temperatura que puede soportar por loa materiales constituyentes de la turbina)

T3 <1000 K°

(Temperatura de motores de combustión)

Según la curva I (Ciclo Joule – Brayton Básico): 

 = 13

Balance Estequiometrico en la Cámara de Combustión :

Asumiendo para el GLP 

Combustión Teórica:

0.29C 3 H 8



0.11C 4 H 10



bO2



3,76 N 2   aCO2



cH 2 O  dN 2

Balanceando: C: a=1.31 H: c=1.71


Página 27


O: 2b=2x (a+c)

b=2.165

N: 3,76 x b=d

d=8.1404

Por lo tanto la reacción teórica será: 0.29C 3 H 8

 0.11C 4 H 10 

2.165O2

 3,76 N 2

  1.31CO2  1.71 H 2O  8.14N 2

Combustión Real (asumiendo 200% del aire teórico):



0.29C 3 H 8



0.11C 4 H 10



1.5 * 2.165O2



3,76 N 2   xCO2



yH 2 O  zN 2



rO2

Balanceando: C: x=1.31 H: y=1.71 O: r=(2.0 x 2.165 x 2-1.31 x 2-1.71)/2=2.165 N: 3,76 x 2.0 x2.165=z

z=16.28

Por lo tanto la reacción real será: 0.29C 3 H 8  0.11C 4 H 10  2.0 * 2.165O2  3,76 N 2   1.31CO2  1.71 H 2O  20.35 N 2  1.0825O2

Cálculo de la Relación Aire-Combustible Teórico



r a



c

2 * 2.165 * 32  3,76 * 28 0.29 * (3 * 12  8)  0.11 * (4 * 12  10)





35.82

Cálculo de Calor Específico a presión constante de los gases de combustión (Cpg)

Cpg   fm * Cp

Cpg 

1.31 26.617

* 0,8418 

1.71 26.617

*1,8723 

20.35 26.617

*1,0416 

3.247 26.617

* 0,9216

KJ Cpg  1 ,0705 Kg  K


Página 28


Balance de Energia en la Combustión:



0

0

Qentrada  PC * mc  ncomb



m a * Cpg * T 3



T 2r 

………………………….. (1)

o

m r

a



a



35.82

o c

m

c

Cálculos de P y T en el compresor:



Sabemos:

 

P 2

 13  P 2 

8.45bar

P 1

T 2i

 

, k  1.4  T 2i

k

T 2i

 T 1

T 2 r

 T 1

T 1

nc

k 1

 





0,88  T 2r





583.68K

624.95 K

Despejando en (1): 0

PC * mc

0



ma * Cpg * T 3 T 2 r  

Dónde:

 = 47 ⁄

PC: Poder Calorifico del GLP

 = 1850.65 ° = 1577.65 °


Página 29


Cálculos de P y T en la turbina :



Considerando Calentamiento Isobárico en la cámara de Combustión: P 2= P3 = 8.45 bar

 

P 3

 13  P 4 

P 4

T 3

 

 

T 4i

nt



0.65bar

k 1 k

, k  1.4  T 4i



890.94K

0,90  T 4 r



986.911 K

T 3

 T 4

T 3

 T 4i



Trabajo Teórico de la turbina a gas:



Asumiendo: nmec = 0.90 ngen = 0.98  =

2⁄ × 130 000 3  × 

 =

⁄ ×   = . ×.

98261.52 

 =  =  ×  × (    ) 98261.52 =  × 1.0705 × ( 1577.65  986.9)  = 106.27

 

Pero Sabemos:

 = 35.82 

   =    

 =  +  = 106.27


Página 30


Resolviendo:

 = 103.38  = 2.884 

 

 

Balance de Trabajo Neto del ciclo:

  =    Dónde:

 = 98261.52    =  ×  × (    )   = 103.38 × 1.0035 × ( 624.95  281)   = 35682.04 

  = 98261.50  35682.04 = 52579.46 



Calor entregado en la Combustión:

 ̇ =  ×  ×  Dónde: n comb = 0.95 PC= 47 MJ /Kg

 = 2.884

   ̇ = 118770.6 


Página 31




Eficiencia del ciclo Termodinámico :

 =

 52579.46 = = 40.8% 128770.6  ̇


Página 32


Análisis del ciclo de Vapor Se tiene como dato de entrada: Presión de vapor:

 =  = 140  = 14  Potencia en la Turbina a Vapor:  = 130  ×

 

= 43.33 

Consideraciones: Presión en el condensador: Temperatura de vapor antes de entrar a la turbina de alta presión: 500 °C. (Se tomó este valor como referencia al catálogo de la turbina a vapor) Eficiencia de las bombas: Eficiencias de las turbinas:

n Bomba = 0.90 n Turbinas = 0.92

Eficiencias mecánicas de las turbinas y del generador: nmec = 0.95 ngen = 0.98

Eficiencias del Caldero:

n caldero = 0.97

Puntos Termodinámicos del ciclo de Vapor: 

Punto 6 ( Entrada de Vapor):

 = 140  = 14  Asumiendo:  Temperatura que está limitada por los materiales en la fabricación de turbina de vapor (Anexo TG)


Página 33


 = 500 ° ℎ = 3328.51 /  = 6.443 

 .ᵒ

Punto 7 ( Extracción de Vapor para procesos):

Asumiendo: Presión Requerida en procesos de calefacción de 12 bar.

 = 12 = 1.2   =  = 6.767

 .ᵒ

 = 234.6 ° Entalpia Ideal: ℎ = 2898.7 /

Eficiencia de la turbina:

 = 0.92 =

 = 0.92 =

ℎ  ℎ ℎ  ℎ

3328.51  ℎ 3328.51  2889.7

Entalpia Real: ℎ = 2933.08 / 

Punto 8 ( Salida de Vapor – Entrada de Vapor Saturado a Condensador):

Asumiendo:

Nuestros cálculos serán basados en una Turbina de condensación, el

criterio utilizado es tener la presión de condensación lo más pequeña posible, aunque por motivos de rendimiento del condensador esta presión no debe ser inferior a 0.95 bar y una calidad del vapor saturado de 0.9


Página 34


 = 0.95  = 95   = 0.9  =  = 98.4 ° ℎ = 2446.24 /  = 6.767 

 .ᵒ

Punto 9 ( Salida del condensador - Liquido saturado):

 = 0.95  = 95   =  = 98.4 ° ℎ = ℎ = 412.87 / (Temperatura de Liquido saturado)  = 0.001042 3⁄



Punto 10 ( Salida de la Bomba de Alimentación I):

 = 14   =  = 1.2884

 .ᵒ

Entalpia Ideal: ℎ = 426.649 /

Pero de lo asumido : nb= 0.90 Eficiencia de la Bomba I:

 = 0.90 =


ℎ  ℎ ℎ  ℎ

Página 35


 = 0.90 =

426.64  412.87 ℎ  412.87

Entalpia Real:

ℎ = 428.17 / 

Punto 11 ( Salida del Proceso Industrial de Calefacción):

Asumiendo que el flujo que sale del proceso de calefacción es liquido saturado a una Presión de 1.2 Mpa

 = 1.2   =  = 188 ° ℎ = 798.51 /  = 2.2151

 .ᵒ

 = 0.001138 3⁄ 

Punto 12 ( Salida de la Bomba de Alimentación II):

 = 14   =  = 2.2151

 .ᵒ

Entalpia Ideal: ℎ = 812.287 /

Pero de lo asumido : nb= 0.90 ficiencia de la Bomba II:

 = 0.90 =


ℎ  ℎ ℎ  ℎ

Página 36


 = 0.90 =

812.287  798.51 ℎ  798.51

Entalpia Real:

ℎ = 813.81 / 

Punto 13 ( Salida de la cámara de Mezcla)

 = 14  Grafica del Proceso Termodinámico:

Balance Energético de la Turbina:



Trabajo Teórico de la turbina a Vapor:

Asumiendo: nmec = 0.95 ngen = 0.98


Página 37


 =

1⁄ × 130 000 3  × 

 =

⁄ ×   = . ×.



46544.93 

Trabajo de la Turbina con Extracción Intermedia:

 ̇  =  × ( ℎ  ℎ ) +  × ( ℎ  ℎ ) Pero: m proceso = 10.5 kg/s (Utilizado para la calefacción de Edificio)

 =   10 46544.93 =  × ( 3328.51  2933.08) + (  10) × ( 2933.08  2446.24) De esta Ecuación:  

 = 58.27

 

 = 48.27

 = 10 .5

 

Balance Energético de la Bombas I y II: 

Trabajo de la Bomba I:

Trabajo Específico:

 =  . (   )  = 0.001042 × (14000  95)  = 0.001042 × (14000  95) = 14.48

 

Trabajo Real:


Página 38


 ̇ = 48.27 

Trabajo de la Bomba II:

  × 14.48 = 690   

Trabajo Específico:  =  . (   )  = 0.001138 × (14000  1200)  = 0.001138 × (14000  1200) = 14.566

 

Trabajo Real:

 ̇ = 10.5

  × 14.56 = 152.8   

Balance Energético en la Camara de Mezcla:

 × ℎ +  × ℎ =  × ℎ

Dónde:  

 = 48.27

 =  = 10 .5  = 58.27

 

 

ℎ = 813.81

 

ℎ = 428.17

 

Reemplazando datos:

10.5 × 813.81 + 48.27 × 428.17 = 58.27 × ℎ


Página 39




Punto 13 ( Salida de la cámara de Mezcla)

 = 14 

ℎ = 501.334

 

 = 117.382  = 1.4847 Balance energético en el caldero:

 =

   

 × (ℎ6  ℎ13) =  ×  ×   × ( 4  5)

Dónde: ncaldero = 0.97 Reemplazando datos: 58.27 × ( 3328.51  501.334 ) = 0.97 × 168.52 1.0035 × (986.91  5)

 = 173.57 °

(Temperatura de los gases de Escape)

Considerando que el SO 3 y otros elementos del GLP, condensan a 160 °C consideramos este valor como el mínimo para la salida de los gases de escape. 

Trabajo Neto del Ciclo de Vapor:

 =       = 46544.9  690  152.8  = 42702.1 


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

Calor entregado al por los gases calientes :

 ̇ =  × (ℎ6  ℎ13)

 ̇ = 58.27 × (3328.51  501.33)  ̇ = 94739.77 



Eficiencias del ciclo de Vapor:

Eficiencia térmica de este ciclo

 =

  ̇

 =



. .

= 0.277 = 37.7 %

Eficiencias del Ciclo Combinado:

− =

  +    + 

Dónde:

  : Trabajo neto de la Turbina a Gas   : Trabajo neto de la Turbina a Vapor

− =

52579.46 + 42702.1 = 0.4603 = 46% 118770.6 + 94739.77


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VII.-SELECCIÓN DE EQUIPOS 1) Selección de la turbina a gas En un cuadro mostraremos las características y la turbina a gas calculada y seleccionada, justificando de esta manera nuestra elección:

Calculado seleccionada Potencia Flujo másico (kg/s) Relación de presión

98.26Mw

112Mw

160Kg/s

365 kg/s

13

12.1

Entonces la turbina a gas seleccionada para nuestro sistema será:

Marca siemens Modelo: STG6-2000E 2) Selección de la turbina a vapor En un cuadro mostraremos las características de la turbina a vapor calculada así como también de la seleccionada:

Calculado seleccionada Potencia Presión de entrada Temperatura de entrada


47.7Mw

65Mw

140 bar

140 bar

500 ᵒC

540 ᵒC

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Entonces la turbina a vapor seleccionada para nuestro sistema será:

Marca siemens Modelo: SST-400 3) Selección del compresor Compresor centrifugo serie H marca atlas copco.


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Monografia Fuerza Motriz Termica - Diseño de una central Termica

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