TECNOLOGIAS ENERGETICAS Docente : Ing. Robert Guevara Chinchayan Postgrado en Uso Eficiente y Ahorro de Energia MARCO REFERENCIAL La presente asignatura tiene el propsito de brindara los estudiantes de la Escuela Acadmico Profesional de Ingeniera en Energa los conocimientos cientfico tecnolgicos de los sistemas energticos actuales en lo referente a generacin y autoabastecimiento de energa , existentes en el mercado nacional e internacional, as como los tpicos de cogeneracin ,trigeneracion , plantas de licuefaccin de gases , balances exergeticos y principios de termo economa, bajo el criterio de alto rendimiento tcnico y control del medio ambiente. PROGRAMACION POR UNIDADES PRIMERA UNIDAD: Generacin de Energa. SEGUNDA UNIDAD: Autoabastecimiento de Energa. TERCERA UNIDAD: Tpicos Selectos. DE LAS PRACTICAS : Visita Tcnica N 1 a la Central Termoelctrica de Ciclo combinado Kallpa , Refinera de Petroper La Pampilla , Planta de Licuefaccin de Pisco y al Instituto Peruano de Energa Nuclear o Central Trmica de Malacas , Refinera de Talara y Planta Criognica de Parias. Visita Tcnica N2 al Complejo de la Empresa SIDERPERU . Planta Criognica de Oxigeno de Messer Gases. 1 UNIDAD : GENERACION DE ENERGIA Semana N1: Ciclos Combinados. Descripcin Tcnica. Arreglos. Factores de Ponderacin. Eficiencia . Pitch Point. Adicin suplementaria de combustible . Generacin Dual y Trial de Vapor. Semana N 2: Arreglos eficientes de Ciclos Combinados de Alta Eficiencia. Disposicin 2*2*1 y 3*3*1 . Diseo Tcnico Econmico de una central de Generacin de Ciclo Combinado con GN. Semana N 3:Caractersticas de Ciclos Combinados de gasificacin Integrada GICC. Integracin de la Unidad de Gasificacin, Planta de oxigeno y Planta de Generacin de Ciclo Combinado con Gas de Carbn. Semana N 4:Centrales de Generacin Especiales: Centrales Nucleoelctricas ( arreglos y disposiciones) , Instalaciones Magneto hidrodinmicas y Pilas combustibles. Semana N 5: Formacin de los Precios de Energa , Precio de barra . Caractersticas del despacho econmico de energa mediante teora de costos marginales. Semana N 6: Examen de la I Unidad. Presentacin de Trabajo Monogrfico de I Unidad. 2 UNIDAD : AUTOABASTECIMIENTO DE ENERGIA Semana N 7: Sistemas de cogeneracin de Energa. Caractersticas .Tipos . Arreglos. Normatividad Peruana. Generacin de Energa Distribuida. Semana N 8: Diseo de Sistemas de Cogeneracin de Energa con Turbinas de Vapor y Grupos Electrgenos. Rentabilidad. Visita Tcnica N 1. Semana N 9: Sistemas de refrigeracin por absorcin . Arreglos. Sistema Amoniaco agua , sistema bromuro de litio-agua. Absorcin de gases. Capacidad Trmica necesaria. Semana N 10 : Trigeneracion de Energa. Autoabastecimiento de Calor, Energa Elctrica y Frio. Diseo de un Sistema de Trigeneracion. Semana N 11 : Examen de la II Unidad. Presentacin de Trabajo Monogrfico deII Unidad. 3 UNIDAD : TOPICOS ESPECIALES Semana N 12: Plantas de licuefaccin de gases. Ciclos de cascada con refrigerante mixto para GLP y GN. Visita Tcnica N 2. Semana N 13: Plantas de licuefaccin de gases a temperaturas criognicas. Arreglos y disposiciones. Semana N 14: Balances Exergeticos. Principios y aplicaciones de la 2 Ley de la Termodinmica. Semana N 15: Principios Bsicos de termo economa. Semana N 16: Examen de la III Unidad. Presentacin de Trabajo Monogrfico deIII Unidad. Semana N 17: Exmenes Sustitutorios y Entrega de Actas. 1 UNIDAD TECNOLOGIAS ENERGETICAS DE GENERACION DE ENERGIA CENTRALES DE GENERACION DE ENERGIA CONVENCIONALES Centrales Ciclo Rankine : Petroleo , Carbon , Nucleares , Solares fototermicas , Geotermicas. Centrales- Ciclo Joule Brayton : Gas Natural , Diesel. Centrales Ciclo Diesel . Centrales Ciclo Combinado : Gas Natural , Diesel. CICLOS DE POTENCIA CON TURBINAS A VAPOR El esquema representa los equipos y componentes de unainstalacinqueverificaunciclodepotencia Rankine: DetallesEl rendimiento global del ciclo ser tanto ms alto cuanto: Mayor sea la temperatura del vapor de entrada a la turbina. Menor sea la presin de condensacin del vapor, a la salida de la turbina. Mayor sea la presin del vapor de entrada a la turbina. Mayores sean los rendimientos de la turbina de vapor y bombas del ciclo. La presin del vapor de entrada a la turbina estar limitada por el consecuente contenido de humedad en su vapor de salida. La mxima temperatura del vapor de entrada a la turbina depender de la calidad de los materiales empleados en los equipos del ciclo que estn en contacto con el fluido. La presin de condensacin del vapor, ntimamente relacionada a la temperatura obtenible del mismo a la salida de la turbina, estar relacionada a la temperatura del medio refrigerante disponible (agua o aire). Latemperatura de condensacin del vapor, ser del orden de los 60 C si el enfriamiento es con aire y del orden de los 30 C si se refrigera con agua. Recursos tecnologicos para mejorar el rendimiento-Recalentamiento Recursos tecnologicos para mejorar el rendimiento-Regeneracion Ciclo de Rankine con recalentamiento. 47,60% de mx. obtenible Rendimiento de los Ciclos de Turbinas a Vapor CICLOS DE POTENCIA CON TURBINAS A GAS El esquema representa los equipos y componentes de una instalacin que verifica un ciclo de potencia Joule Brayton Abierto : Rendimiento EldiseodeunciclodeTGpermitedefinirdosparmetros bsicosdefuncionamientodelequipamientoquelo especifica: La relacin de compresin que el compresor le imprime al aire de entrada. La temperatura de entrada de la turbina (mxima del ciclo). Elrendimientodelcicloylapotenciaespecfica sondependientes de estos parmetros. EFECTOS DE LA MAXIMA TEMPERATURA DE CICLO EVOLUCION DE LA MAXIMA TEMPERATURA DEL CICLO VALORES MAXIMOS ALCANZADOS DEL RENDIMIENTOY TRABAJO ESPECIFICO EFECTOS DE LA RELACION DE COMPRESION La relacin de compresin se definir de acuerdo a la utilizacinque se har de la turbina: Ser elevada para obtener los mejores rendimientos del ciclo, objetivo para el empleo en centrales elctricas de base o en aviones. Ser baja en usos como los siguientes: cuando el objetivo sea lograr elevadas potencias especficas como es el caso de las centrales elctricas de punta con la finalidad de poder reducir los costos de inversion y cuando se requiera una elevada temperatura de los gases de escape de la turbina, por ejemplo en un ciclo combinado o en una planta de cogeneracion. Evolucin del rendimiento y potencia especfica deacuerdo a la relacin de compresin: ARREGLOS PARA UNA MEJORA DEL CICLO Las posibilidades de mejoras en un ciclo Joule Braytonparaincrementar su eficiencia son: Recalentado:esteprocesodividelaexpansindelosgasesenvarias etapas de la turbina, aportando energa trmica adicional entre ellas. Interrefrigerado:eselenfriamientodelaireentreetapasdelcompresor, reduciendo la demanda de trabajo para su compresin. Regeneracin: se precalienta el aire de salida del compresor con los gases deescapedelaturbina,resultandounahorrodeenergatrmicade aporte en la cmara de combustin. El rendimiento y el trabajo especfico en una C.T.G Comparacin entre ciclos: El rendimiento y el trabajo especfico en una C.T.G Rendimiento deciclos con temperatura entrada enla turbina de gas: QUE ALTERNATIVAS ENERGETICAS SURGEN? REPOTENCIACION EN SERIE DETALLES Es el proceso convencional de repotenciacin de una planta trmica del tipo TV, con el objeto de aumentar su rendimiento y potencia. Se agrega una TG en cabecera de un ciclo Rankine. LapotenciadelaTGresultadelordendel10al30%delapotenciatotaldelnuevoCC obtenido. Los ciclos Rankine preexistentes son muy regenerativos. En este tipo de repotenciacin, este recurso de mantiene ya que contribuye a aumentar el rendimiento de su ciclo, dado que en este caso la mayor parte de la energa trmica se aporta a la caldera del ciclo Rankine con la combustin del combustible utilizado en la planta antes de la repotenciacin. En estos esquemas, se sustituye parcialmente el aire para la combustin en la caldera del ciclo de la TV por los gases calientes de salida de la TG. La temperatura de los gases calientes de salida de la TG eleva la temperatura del comburente de la caldera convencional. Por ello, no tiene sentido la utilizacin de un precalentador deaire, habitualmente presente en las calderas de ciclos TV. Esta energa no empleada en el precalentador de aire se utiliza para mejorar el rendimiento del CC. Es as que el caudal de agua que en los ciclos convencionales es precalentada en forma regenerativa en los precalentadores del ciclo Rankine, se divide en dos circuitos: uno que contina por los precalentadores y otro que precalienta el agua con los gases de escape de la caldera. REPOTENCIACION EN PARALELO VENTAJAS Esta propuesta tecnolgica se origin a comienzo de los aos 90, para resolver los problemas que la evolucinde las TG y las mayores exigencias medioambientales produjeron en los esquemas de repotenciacin en serie. En este tipo de repotenciacin la potencia de la TG es del orden del 10 al 40% de la potencia total del CC. Se combinan las caractersticas del CC TG+TV con HRSG y las de la repotenciacin enserie,permitiendolautilizacindecualquiercombustibleenlacaldera convencional. Enesteesquema,elaguacondensadadelcicloRankineseprecalienta,evaporay sobrecalienta en paralelo, por medio de los gases de escape de la TG en la HRSG y por la caldera convencional del ciclo Rankine. Seobtienenrendimientoscomparablesalosdelarepotenciacinenserieyla prolongacin de la vida til de la caldera convencional. Con la energa trmica de salida de la caldera del ciclo de Rankine se precalienta el aire de combustin. EstaconfiguracinnoprecalientaelaguadelciclodeRankineconlosgasesde salida de la caldera convencional (lo hace la HRSG). Por esto, es posible utilizar los SCRenlavenadegasescalientesdelacombustin,antesdelsistemade desulfuracin. CICLOS COMBINADOS Se denomina CICLO COMBINADO cuando una mquina de generacin o central emplean en su diseo ms de un ciclo termodinmico. Tambien suele identificarse como planta CCPP (Combined Cycle Power Plant), o planta CCGT (Combined Cycle Gas Turbine). Ciclos termodinamicos Esquema bsico CICLO SUPERIOR CICLOINFERIOR Relacion de Potencias 2/1 VENTAJAS Flexibilidad. Son capaces de operar en cualquier rgimen de funcionamiento, con gran rapidez de adaptacin a las variaciones de carga. Arranquerpido.Estnequipadascondispositivosquepermitentiemposde arranque muy cortos. Diseofiableyaltadisponibilidad.Eldiseoestprobadoy,normalmente,cada grupo cuenta con redundancias del 100% en los equipos auxiliares importantes. Altorendimiento.Lasmodernasturbinasdegasylasdevaporhacenquelos gruposdeciclocombinadotenganunrendimientomselevadoqueelde cualquierotracentral.Elrendimientoglobal,enenergaprimaria,puedeserun 57% superior. Costes de operacin bajos. Como resultado de las caractersticas y optimizacin de losnuevosgrupos,laoperacinesmssencillayloscostesdegeneracin, inferiores. Tiempodeconstruccinreducido.Debidoaquelosproyectossiguendiseos estndar, los plazos de construccin se reducen de forma muy importante. TIPOS DE DISPOCISIONES O ARREGLOS 1 Unidad Turbo Gas * 1 Unidad HRSG * 1 Unidad Turbo Vapor = 1*1*1 2 Unidades Turbo Gas * 2 Unidades HRSG * 1 Unidad Turbo Vapor = 2*2*1 3 Unidades Turbo Gas * 3 Unidades HRSG * 1 Unidad Turbo Vapor = 3*3*1 Los ciclos combinados de acoplamiento interno Son dos las posibilidades que se presentan para estos CC: En los de acoplamiento msico, los ciclos elementales comparten el mismo fluido de trabajo. Es el caso del ciclo Field, compuesto por un Brayton regenerativo y un Rankine regenerativo, con vapor de agua. Enlos de acoplamiento trmico, los ciclos elementales reciben energa trmica en un mismo punto. Se los suele mencionar como ciclos combinados en paralelo. Un ejemplo de este tipo de planta es el ciclo STIG. Los ciclos combinados de acoplamiento externo Este acoplamiento es siempre trmico, y en el mismo el ciclo de menor nivel trmico (de cola) aprovecha la energa trmica residual del ciclo de mayor nivel trmico (de cabecera). Estas configuraciones son las ms utilizadas en la actualidad, en un elevado nmero de configuraciones. Una de ellas en es el ampliamente construido CC TG+TV. Suelen denominarse ciclos combinados en serie. Pueden ser de diferentes tipos: El ciclo de cola funciona solamente con el calor residual del ciclo de cabecera. El ciclo de cola funciona con el calor residual del ciclo de cabecera al que se agrega el suministro directo de energa trmica (ej.: calderas de recuperacin con quemadores: postcombustin). Los ciclos combinados construidos En estos ciclos, se combinan ciclos y fluidos de trabajo para lograr altas temperaturas de entrada y bajas temperaturas de salida, resultando elevados rendimientos termodinmicos. Algunos de los ciclos combinados construdosson: Rankine mercurio + Rankine agua Rankine potasio + Rankine agua Rankine agua + Rankine amonaco Brayton aire (TG) + Rankine agua (TV), con varias alternativas. Acoplamiento serie paralelo de los ciclos Brayton y Rankine(STIG) Ciclos Brayton yRankine operando a 2 o 3 presiones, con acoplamiento msico interno y calentamiento en paralelo. Ciclos combinados TG + TV en serie Caso 1:Los gases de escape de la TG proveen la totalidad de la energa trmica del ciclo Rankine.El equipo de acoplamiento es un intercambiador de calor convectivo.Es la llamada caldera de recuperacin de calor o HRSG, que son las siglas de la denominacin en ingls (HeatRecoverySteamGenerator).Esta configuracin es la ms aplicada en los ciclos combinados en operacin.La TG tiene una potencia del orden del doble de la TV. Caso 2:Antes de su ingreso en la HRSG, los gases de escape de la TG reciben un aporte de calor adicional.El calor agregado resulta de la combustin de combustible fsil, aprovechando como comburente el exceso de aire en los gases de escape.El aporte trmico de los gases de escape sigue siendo el ms importante, aunque el aporte de calor adicional permite la utilizacin de una TV de mayor potencia.Tambin permite mayores grados de libertad en el diseo del ciclo de cola. Comparacion de precios llave en mano Eficiencias Netas segn la Potencia Tiempo de Construccion para varias Plantas Dependencia del Costo de Electricidad con las horas anuales de uso Costos Variables de Operaciny Costos de Mantenimiento Efecto de la Temperatura de salida de la Turbina de Gas Para la Eficiencia de un Ciclo Simple Joule Brayton Para la Eficiencia de un Ciclo Combinado GENERACION DE VAPOR CON UNICA PRESION 1. Compresor 2. Turbina de Gas 3. Sobrecalentador 4. Evaporador 5. Economizador 6. Domo 7. Turbina de Vapor 8. Bypass 9. Condensador 10. Bomba de Condensado 11. Tanque desareador 12. Bomba de agua 13. Enfriador de gases 14. Linea de vapor GVRC-HRSG Diagrama Energia y Temperatura para Generacion de Vapor a 1 sola presion El pitch point o punto de estriccion es la diferencia de las temperaturas entrelos gases de la combustiony el vapor de agua Diagrama Energia y Temperatura para Generacion de Vapor a 1 sola presion El pitch point o punto de estriccion es la diferencia de las temperaturas entrelos gases de la combustiony el vapor de agua EFECTOS DE LA PRESION DE VAPOR SOBRE LA EFICIENCIA DEL HRSG , POTENCIA DE LA TURBINA DE VAPOR Y % DE HUMEDAD DEL VAPOR A LA SALIDA DiagramaEnergia Temperatura para un Generador de Vapor Convencional DiagramaEnergia Temperatura para un Ciclo de Generacion de Vapor a 1 sola presion GENERACION DUAL DE VAPOR EN UN HRSG 1. Compresor 2. Turbina de Gas 3. SobrecalentadorHP 4. Evaporador HP 5. Economizador HP 6. Evaporador LP 7. Domo HP 8. Domo LP 9. Turbina de Vapor 10. Bypass HP 11. Bypass LP 12. Condensador 13. Bomba de Condensado 14. Tanque desareador 15. Bomba de agua LP 16. Bomba de agua HP 17. Precalentadores DIAGRAMATEMPERATURA ENERGIACICLO DUAL GENERACION TRIAL DE VAPOR EN UN HRSG 1. Compresor 2. Turbina de Gas 3. SobrecalentadorHP/IP 4. Evaporador HP 5. Economizador HPSobrecalentador IP 6. Evaporador LP 7. Economizador HP 8. Evaporador LP 9. Economizador IP 10. Domo HP 11. Domo IP 12. Domo LP 13. Turbina de Vapor 14. Bypass HP 15. Bypass IP 16. Bypass LP17. Condensador 18. Bomba de Condensado 19. Tanque desareador 20. Bomba de agua IP 21. Bomba de agua HP DIAGRAMATEMPERATURA ENERGIACICLO TRIAL Optimizaciondela TemperaturadelVapor para Ciclo Trial Efectos del Pitch Point del EvaporadorHP sobre la Potencia de la Turbo Vapor Diagrama Temperatura Energia para diversas temperaturas de los gases entrantes alHRSG Performance de comparacion Ciclo combinado con inyeccion de vapor en la camara de combustion del Ciclo Brayton % DESAGREGADOS DE COSTOS EN EL MONTAJE DE UN C.C Tabla comparativo combustibles