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CICLO COMBINADO U. A. G. R. M. Junio 2015 Ing. J. Augusto Valdivia Mendez El mundo industrializado depende, directamente de la energía eléctrica. La Generación de Energía Eléctrica en el mundo entero sigue dependiendo en gran parte de la quema de combustibles fósiles: petróleo, gas y carbón que prod...

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CICLO COMBINADO U. A. G. R. M. Junio 2015 Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

El mundo industrializado depende, directamente de la energía eléctrica. La Generación de Energía Eléctrica en el mundo entero sigue dependiendo en gran parte de la quema de combustibles fósiles: petróleo, gas y carbón que producen

gases que son altamente contaminantes para nuestro medio ambiente. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

• El consumo de electricidad y desarrollo son prácticamente sinónimos en el mundo industrializado. • Las comunicaciones, el transporte, el abastecimiento de alimentos, servicios para los hogares, oficinas y fábricas, dependen de un suministro fiable de energía eléctrica. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

BALANCE ENERGETICO

CICLO BRAYTON

Para un gas ideal, el trabajo neto puede escribirse como: W net = Wt - Wc

W net = mCp(T3 -T4) – mCp(T2 – T1)

• El calor suministrado por el agregado de combustible por unidad de masa será:

Qs = mCp(T3 - T2)

La eficiencia térmica del ciclo Brayton es la relación entre el trabajo neto desarrollado y el calor consumido o suministrado:

η = mc (T p

–T4) - mcp(T2 –T1) mcp(T3 –T2) 3

La eficiencia del ciclo depende de la relacion de compresion y y de la temperatura Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

CICLO DE RANKINE • El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo mecánico, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. • El ciclo Rankine es representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

• Mediante la quema de un combustible, es producido vapor de agua en una caldera a alta presión, para luego ser llevado a una turbina donde se expande generando trabajo mecánico en su eje. • El vapor con baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, donde el vapor condensa y cambia de estado de gas a líquido. • 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.

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión Cte. Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.

CICLO DE RANKINE

Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobre calentamiento del vapor a la entrada de la turbina o el de regeneración.

• En el primer tramo del proceso el fluido se calienta hasta la temperatura de saturación. • Luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. • Este vapor sobrecalentado de alta presión es utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

COMO MEJORAMOS EL CICLO • Reducción de la presión del condensador. • Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija. • Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina. • Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión.

• Realizar extracciones de vapor en la turbina, para calentar el agua de alimentación a la caldera. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

Las Variables del Proceso están representadas por: Qin Qout m

W η h

Potencia térmica suministrada. Potencia térmica cedida. Caudal másico (masa por unidad de tiempo) Potencia mecánica Rendimiento térmico del ciclo Entalpías de los estados del ciclo Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

EFICIENCIA ENERGETICA • El término eficiencia es como la relación entre los insumos invertidos y los productos obtenidos.

• La búsqueda de eficiencia energética debe ser un objetivo permanente de las Personas, la Sociedad, Empresas y el mismo Estado. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

• Si hablamos de eficiencia energética, entonces nos referimos a la relación entre la cantidad de energía que se invierte para producir una determinada cantidad de bienes o servicios Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

CO GENERACION • La cogeneración es la producción combinada de energía eléctrica y energía térmica. • El objetivo es obtener el máximo rendimiento energético del proceso de transformación de la energía. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

• el combustible se transforma en energía eléctrica (energía con alto valor para la industria e incrementar la productividad). • La energía térmica del escape, que es un “desperdicio” de la primera transformación, es recuperada, transformada y utilizada. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

• La cogeneración consiste en producir electricidad y calor simultáneamente, a partir de una sola fuente de energía primaria, en este caso una turbina de gas o de un motor de combustión interna. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

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• Si comparamos la eficiencia en la producción de la energía eléctrica en las centrales termoeléctrica, observamos que con la cogeneración se obtiene una eficiencia en la utilización en el combustible del 30-40%. • Esto significa un ahorro económico y la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

Disminuye el período de retorno de la inversión: – Si aumenta el número de horas de funcionamiento de la Unidad. – Si aumenta el precio de la electricidad. – Si aumenta el rendimiento total de instalación de cogeneración. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

CICLO COMBINADO • El ciclo combinado esta asociado a la combinación de turbinas a Gas y de Vapor para la generación de Energía Eléctrica. • Recuperando el calor de los gases de escape de la turbina a gas de ciclo abierto de 560 °C, este calor es utilizado en una recuperador de calor para la generación de vapor, el cual se expande en una segunda turbina de vapor.

Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

CICLO COMBINADO • La buena utilización del combustible se debe a que en el ciclo combinado se superponen las ventajas de :

- Turbina de Gas – Alta temperatura de Escape. - Turbina de Vapor – Baja temp. de Escape Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

• En el caso de la Turbina de Gas la potencia aportada corresponde a los dos tercios de la potencia total. • La potencia adicional de un tercio es aportada por la Turbina de Vapor. • En la actualidad en los Ciclos Combinados se obtienen rendimientos por encima del 60% Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

CICLO COMBINADO

TURBINA DE CICLO SIMPLE CALDERA DE RECUPERACION Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

CICLO COMBINADO

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CALDERA DE RECUPERACIÓN • Las calderas de recuperación de calor pueden clasificarse en: - Calderas con o sin postcombustión. - Calderas horizontales o verticales. - Calderas convencionales y de nueva tecnología

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El HRSG (Heat Recovery Steam Generator) • El recuperador de calor o HRSG (Heat Recovery Steam Generator) no es mas que una caldera con tecnología convencional y es el elemento encargado de recuperar y aprovechar la energía de los gases de escape de la turbina de gas, facilitando transformando el cambio de estado del agua. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

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• La caldera sin postcombustión es el tipo más común de caldera utilizada en los ciclos combinados. • Se pueden construir calderas con postcombustión, con quemadores y aporte de aire adicional. • La post combustión normalmente limita su instalación en el conducto de quemadores de gases a la entrada de la caldera. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

CALDERAS DE UN SOLO PASO OTSG • Calderas de un solo paso o OTSG (One Time Steam Generator). • En este tipo de calderas el agua pasa una sola vez por la caldera, dándo las condiciones de temperatura y presión definidas por el diseño. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

• La alimentación a los tubos del OTSG es continua y produce el vapor recalentado en una pasada del fluido. • La producción de vapor se mantiene mediante el control, de la válvula de caudal del agua de alimentación Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

El acero aleado permite el funcionamiento en seco del generador

• Con este tipo de instalación, se obtiene: - Menor mantenimiento y pérdida de energía.

- Menor tiempo de instalación. - Menor costos de fabricación (la unidad se construye y se envía prácticamente lista). - Los módulos y partes de presión, se someten en su totalidad a pruebas hidrostáticas en fabrica. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

• El acero aleado, permite el funcionamiento en seco del generador de vapor. • Sin paradas que consumen tiempo, ni energía del escape. • Flexibilidad y la facilidad de uso del 0% al 100% de la capacidad de vapor producido. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

La cogeneración

VENTAJAS • Las ventajas de una instalación de ciclo combinado. - Bajo costo específico de inversión. - Rendimiento térmico elevado. - Rapido retorno de la inversión. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

VENTAJAS ASOCIADAS • OTRAS APLICACIONES La energía calorífica residual del ciclo de vapor se puede aprovechar en: - Generación de vapor para otros procesos - Potabilización de agua de mar - Sistemas de calefacción. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

BOP (Balance of Plant) • El BOP (Balance Of Plant) está compuesto por todos aquellos sistemas auxiliares que forman parte de una central de ciclo combinado, que son imprescindibles para el correcto funcionamiento. • No forman parte del tren de potencia, la caldera, el ciclo agua-vapor y los sistemas eléctricos. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

Sistemas que forman el BOP • Sistema de Refrigeración Principal (MCW). • Sistema de Refrigeración de Equipos (CCW). • Planta de Tratamiento de Agua. • Estación de Regulación y Medida de Gas. • Sistema de Tratamiento de Vertidos. • Sistemas Contra Incendios. • Sistema de Producción de Aire Comprimido. Ing. J. Augusto Valdivia Mendez

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