UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
CÁLCULO Y DISEÑO DE EQUIPOS PRINCIPALES DE
CENTRAL TÉRMICA DE SAN NICOLÁS DE 68.5MW DE
POTENCIA INSTALADA
DATOS INFORMATIVOS:
▪ Facultad
: Ingeniería
▪ Curso
: Fuerza Motriz y Centrales Eléctricas
▪ Ciclo de estudios
: IX
▪ Semestre académico
: 2023-I
▪ Docente responsable
INTEGRANTES:
: Ing. Olivera Hurtado Sergio
▪ Bravo Mendoza Alexandro
0201816006
▪ Castillo Flores Juan José
0201816012
▪ Cruz Vargas Fabrizzio Sebastian
0201816043
▪ Ruiz Castillo Wilson Jesús
0201816010
Nuevo Chimbote, 7 de julio del 2023
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a nuestro docente por
habernos brindado todas las orientaciones
para poder realizar este informe y por
habernos dado todos los consejos
necesarios durante todo el desarrollo del
curso, permitiéndonos llevar a cabo esta
investigación.
Agradecemos de igual forma a
nuestros padres y hermanos que confiaron
en nosotros y nos motivaron a siempre
dar lo mejor.
También a todos los integrantes del
grupo por su esfuerzo y dedicación para
el desarrollo del presente informe.
2
INTRODUCCIÓN
El presente informe titulada “CÁLCULO Y DISEÑO DE EQUIPOS
PRINCIPALES DE CENTRAL TÉRMICA DE SAN NICOLAS DE 68.5 MW DE
POTENCIA NOMINAL”, ha sido realizada para el curso de Fuerza Motriz y Centrales
Eléctricas, dentro del marco del cumplimiento de los lineamientos de Investigación
Formativa de la Universidad Nacional Del Santa.
Una central térmica es una instalación industrial diseñada para la generación de
electricidad a gran escala utilizando la energía térmica liberada por la combustión de
diferentes tipos de combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo o el gas natural. Este
tipo de centrales juegan un papel fundamental en la producción de energía de todo el país.
Pero nuestro producto estará enfocado principalmente a una central que es la de San
Nicolas. Por lo que este informe se encontrará basado teóricamente con los temas
estudiados durante el ciclo cursado. A su vez se planteará los usos y las adaptaciones de
este tema en el campo de la ingeniería, se representarán de una manera precisa y técnica.
Además, de también realizar una adaptación a escala menor una representación gráfica
de la central.
Por lo que en CAPÍTULO I abarcaremos los conceptos y la teoría base que será
necesaria para conocer cómo se compone, además de permitirnos distinguir los diversos
tipos de equipos y la manera en lo que estos se desarrollan para la producción de energía.
Para el CAPITULO II abarcaremos los cálculos que sean necesarios para la
selección de equipos de la central, calculando la potencia de nada equipo y principalmente
el consumo de combustible de la central.
En el CAPITULO III adjuntaremos el análisis de resultados, enfocándonos en la
mejora del rendimiento de la central, la evidencia de desarrollo de maqueta a escala y las
conclusiones correspondientes del trabajo.
Esperamos que este trabajo sirva de agrado y de motivación para prósperas
investigaciones, puesto que, el tema selecto es de gran interés para el mejoramiento de
las capacidades estudiantiles y se desea que cumpla las expectativas del público lector en
especial las de nuestro docente
3
INDICE
INTRODUCCIÓN......................................................................................................................3
OBJETIVOS ...............................................................................................................................5
a)
OBJETIVO GENERAL .................................................................................................5
b)
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................5
CAPITULO 1: MARCO TEÓRICO ........................................................................................6
1.1.
Antecedentes Históricos .............................................................................................6
1.2.
Tipo de Central ...........................................................................................................6
1.3.
Ubicación .....................................................................................................................6
1.4.
Empresa a Cargo ........................................................................................................7
1.5.
Fuente de Energía .......................................................................................................7
1.6.
Descripción de la central ............................................................................................7
1.6.1.
Proceso de generación de la Central Termoeléctrica San Nicolás .................11
CAPITULO II: CÁLCULOS DE LA CENTRAL .................................................................14
2.1.
Propiedades de operación ............................................................................................14
2.2.
Suposiciones de ciclo Rankine sin regeneración .........................................................14
2.2.1.
Trabajo neto del ciclo ...........................................................................................17
2.2.2.
Rendimiento térmico del ciclo: ............................................................................17
2.2.3.
Potencia del ciclo (1 Unidad)................................................................................18
2.2.4.
Diagrama T-s ciclo Rankine simple .....................................................................18
2.3.
Cálculos del ciclo Rankine regenerativo .....................................................................19
2.3.1.
Trabajo neto del ciclo regenerativo .....................................................................25
2.3.2.
Rendimiento térmico del ciclo: ............................................................................25
2.3.3.
Potencia del ciclo regenerativo (1 Unidad) .........................................................25
CONCLUSIONES ....................................................................................................................27
REFERENCIAS .......................................................................................................................28
4
OBJETIVOS
a) OBJETIVO GENERAL
•
Realizar el cálculo y diseño de los equipos principales de la central térmica de
San Nicolás
b) OBJETIVOS ESPECÍFICOS
•
Conocer el funcionamiento de los equipos principales que componen la central.
•
Analizar los ciclos termodinámicos con el cual opera la central.
•
Usar el software Termograf para realizar las gráficas T-s de la central y obtener
las propiedades del vapor.
•
Proponer ideas de mejora energética según el análisis de resultados de los
cálculos realizados.
5
CAPITULO 1: MARCO TEÓRICO
1.1. Antecedentes Históricos
En 1963, la planta térmica San Nicolás comenzó a operar con un primer grupo
de generación de 18,750 kW. Un segundo grupo del mismo tamaño se instaló en
1967, seguido de un tercer grupo en 1972, con una potencia de 25,000 kW (Shougang
Generación Eléctrica, 2023).
Cuando SHOUGANG CORPORATION adquiere la Empresa Hierro Perú, se
inicia de inmediato la adquisición de dos nuevas calderas. En noviembre de 1993 se
firma un contrato para la fabricación e instalación de las mencionadas calderas y en
septiembre de 1995 se pusieron en funcionamiento (Shougang Generación Eléctrica,
2023).
En 1997, como resultado de un proceso de escisión de Shougang Hierro Perú
S.A.A., se establece Shougang Generación Eléctrica S.A.A. como una empresa
independiente, separando así la planta térmica. Desde ese mismo año, SHOUGESA
forma parte del Sistema Interconectado Centro Norte (SICN) (Shougang Generación
Eléctrica, 2023).
En 1998, se adquiere un grupo diésel de 1,500 kW para alimentar los equipos
auxiliares y en el año 2000 se adquiere la celda de sincronización, lo que aumenta la
capacidad de SHOUGESA de 63.5 MW a 65 MW (Shougang Generación Eléctrica,
2023).
Shougang Hierro Perú ha optado por implementar el proyecto EPC 14,
titulado "Subestación El Hierro y Línea de Transmisión de 220 kV". El objetivo
principal de este proyecto es garantizar el suministro de energía necesario para
respaldar la ampliación de las operaciones en la planta de beneficio. (Camargo, 2013)
1.2. Tipo de Central
La Central Térmica de San Nicolás es una central eléctrica de tipo térmico. Utiliza
combustibles fósiles, como el carbón o el gas natural, para generar electricidad a
través de procesos de combustión.
1.3. Ubicación
La central se encuentra ubicada en el distrito de San Juan de Marcona, provincia de
Nasca, departamento de Ica, Perú. Más precisamente a unos 530 kilómetros al sur de
la ciudad de Lima.
Figura 1.1.
Vista geográfica y satelital de la Central
6
Nota. Departamento de Ica, en el distrito de San Juan de Marcona. Google Maps
1.4. Empresa a Cargo
La empresa a cargo de la central térmica de San Nicolas es la empresa
SHOUGESA por sus siglas Shougang Generación Eléctrica S.A.A., que desarrolla
actividades de generación de energía eléctrica por medio de sus instalaciones
ubicadas en la zona Sur Medio del Perú, las cuales se encuentran conectadas al
Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN).
1.5. Fuente de Energía
La entrada de energía para mover la central es el petróleo residual 500 (PIAV500) utilizado como combustible que ponen en funcionamiento las calderas, y
mediante los principios de la termodinámica y transferencia de calor, este calor
producido por la quema de combustible se transfiere hacia el agua haciendo que esta
cambie de fase a vapor, el vapor es el que se utiliza como fluido de trabajo para mover
las turbinas.
1.6. Descripción de la central
La Central Térmica San Nicolás consta de tres unidades generadoras con turbinas de
vapor que operan termodinámicamente y realizan un ciclo de regeneración RANKINE
con sobrecalentamiento.
El equipamiento básico incluye:
-
Una caldera acuotubular de fuego directo alimentada con aceite residual 500 (PIAV
-500) o gasóleo
-
Una turbina de vapor con extracción
-
Un condensador refrigerado por agua de mar
-
Toda una red de vapor y condensados que conforman el circuito principal además de
los otros circuitos como el de combustible, agua de enfriamiento.
7
Figura 1.2
Central Térmica San Nicolas 1964
Nota. La central se encuentra dentro de las instalaciones de la empresa minera
Shougang Hierro Perú
Las principales características de los equipos que componen cada unidad de generación
de energía se muestran en las siguientes tablas.
Tabla 1.1
Datos generales de la central
Potencia instalada
68.5 MW
Tipo de central
Térmica
Fuente de energía
Residual y Diésel
8
Tabla 1.2
Características de las unidades de generación de la central térmica
Características técnicas de las unidades de generación de la central
térmica San Nicolás
Unidad de generación
Descripción
Unidad
TV2
TV3
General
General
General
Electric
Electric
Electric
20 180
20 180
26 860
3 600
3 600
3 600
PSIG
850
850
850
°F
900
900
900
“Hg
1,5
1,5
1,5
General
General
General
Electric
Electric
Electric
TV1
TURBINA
Marca
Capacidad
KW
RPM
Presión de vapor
Temperatura de vapor
Presión de escape
GENERADOR
Marca
Capacidad
KVA
20 294
20 294
29 412
Tensión de generación
KV
13,8
13,8
13,8
Frecuencia
HZ
60
60
60
0,85
0,85
0,85
VU - 60
VU - 60
VU - 60
190,000
190,000
190,000
PIAV 500
PIAV 500
PIAV 500
Factor de potencia
CALDERA
Modelo
Capacidad
Combustible
Lb/h
Nota. Shougang generación Eléctrica S.A.A. Estudios de riesgo de central eléctrica
Nicolás.
9
La planta de la Central Térmica San Nicolás tiene instalado un grupo electrógeno Diesel,
el cual también fue declarado previo al COES. La siguiente tabla muestra las
características de este dispositivo.
Tabla 1.3
Características del Grupo Electrógeno Diesel
Características Técnicas del Grupo Electrógeno CUMMINS
Descripción
Unidad
Unidad de Generación
CUMMINS
MOTOR
Marca
Cummins
Potencia
KW
RPM
1855 Bhp
1800
Combustible
Petróleo Diesel N° 2
GENERADOR
Capacidad
KVA
1875
Tensión de generación
KV
13.8
Frecuencia
HZ
60
Factor de potencia
0.8
Nota. Grupo electrógeno Diesel con declaración ante el COES1
Figura 1.3.
Motor Cummins Diesel
1
COES = Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional
10
1.6.1. Proceso de generación de la Central Termoeléctrica San Nicolás
El proceso de producción de la energía eléctrica en una central térmica a vapor tiene la
siguiente secuencia:
Figura 1.4
Diagrama de Proceso de Generación en una central Térmica a Vapor
Nota. Descripción General del Proceso de Generación de una Central Termoeléctrica a
Vapor
En el caso de la Central Termoeléctrica San Nicolás, siendo una central con
turbinas a vapor, dispone primeramente de calderas en las que se produce la energía
calorífica (vapor), mediante la transferencia del calor producido en la combustión (gases
calientes) al agua de alimentación a la caldera. En el proceso de combustión señalado
se utiliza el petróleo residual 500 (PIAV-500) como combustible con un contenido de
1,4% de azufre y el aire ambiente como comburente.
(Aclarando acá que el gas generado durante el proceso de combustión de la
caldera es arrastrado por el viento del noroeste y expulsado hacia el mar, por lo que
no genera ningún problema medioambiental).
11
Figura 1.5.
Vista de las Calderas de la Central Termoeléctrica San Nicolas
El vapor producido en las calderas que normalmente se encuentra a 950 PSIG y 900ºF
se inyecta a las turbinas en las que se expanden hasta la presión correspondiente al
condensador (1,5 “Hg), generando en este proceso la rotación del eje (energía
mecánica). Esta energía mecánica es convertida en energía eléctrica a través de los
generadores eléctricos.
Figura 1.6.
Unidad Turbo y Vapor
Figura 1.7.
Unidades Turbinas de Vapor
12
Debe aclararse que el vapor que ha sido utilizado como fluido de trabajo en la
turbina, es condensado (en el condensador) mediante el agua de mar que se utiliza como
fluido de enfriamiento; de esta manera el agua condensada regresa a la caldera, siendo a
su paso precalentada mediante sangrías de vapor en 03 calentadores indirectos y uno
directo o de mezcla.
(Este circuito agua-vapor está teóricamente cerrado, pero en la práctica hay
algunos puntos en los que se pierde algo de caudal (flash), que se compensa con el
agua de reposición).
El agua utilizada para la refrigeración es agua de mar, bombeada por una batería
de bombas desde un depósito situado en la orilla. La temperatura de entrada del agua es
de unos 15 °C y durante el funcionamiento del sistema, el agua sale del sistema a 26 °C
en invierno y entre 28 y 30 °C en verano. El flujo de refrigerante es de 9000 galones por
minuto.
La energía eléctrica generada a un nivel de tensión de 13,8 KV es utilizada en los
transformadores de S.E. El voltaje subió a 60KV. San Nicolás está conectado al Sistema
Eléctrico Interconectado Nacional. este. San Nicolás gana el Premio S.E. atados juntos.
Marcona está conectada por dos líneas de transmisión de 60 KV de 15,2 km de longitud.
Una planta de energía térmica, por otro lado, tiene tres barras de energía interconectadas,
cada una alimentada por un generador. Estas varillas son alimentadas a 13.8 KV a varios
circuitos: Planta Diesel, Pellet 1, Pellet 2, Concentradora 1, Concentradora 2,
Concentradora 3, Mina, San Juan, Bomba Mar, Relaves. El Circuito de San Juan es
operado por Barra 3 y S.E. alimentado. En la figura 8B, el voltaje se incrementa a 34,5
KV. Y la línea de transmisión TL2 alimenta a San Juan de Marcona. En estas últimas
subestaciones, la energía se transforma en tensiones activas de 4,16 KV y 0,48 KV
mediante transformadores de potencia con una relación de transformación de 13,8/4,160,48 KV.
13
CAPITULO II: CÁLCULOS DE LA CENTRAL
2.1. Propiedades de operación
En el capitulo anterior se hizo una descripción de las propiedades, a continuación,
haremos un resumen:
Tabla 2.1.
Propiedades de operación
Presión de la caldera
950 PSIA
6.55MPa
Presión del condensador
1.5 inHg
5 kPa
900°F
480°C
Temperatura de agua de refrigeración
Entra a 15°C
Sale a 26°C
Flujo másico manejado en la caldera
190 000 lb/h
24 kg/s
Temperatura de entrada a la turbina de alta
También se describe la presencia de 3 calentadores indirectos y uno directo que seria
el punto de mezcla, este circuito se analizará más adelante.
2.2.Suposiciones de ciclo Rankine sin regeneración
La información recolectada no proporciona un dato para las presiones de sangrado de
la turbina que se dirigirán a los calentadores, así que haremos dos comparativas, ahora
evaluaremos el rendimiento del ciclo sin utilizar la regeneración.
Figura 2.1
Ciclo Rankine simple (sin regeneración)
14
Nota: para cualquier cálculo de ahora en adelante se utilizarán las tablas
termodinámicas de “Fundamentals of Engineering Thermodynamics” del autor
Michael J. Moran & Howard N. Shapiro brindadas en el ANEXO 1.
Proceso 1-2: Expansión en la turbina
•
Estado 1:
Como no tenemos directamente en la tabla un valor para T1 = 480°C ni para
la presión P1 = 6.55 MPa recurriremos a la interpolación simple y doble para
encontrar las propiedades de entalpia h1 y entropía s1
P = 6 MPa
T (°C)
h (kJ/kg)
s (kJ/kgK)
440
3277.3
6.6853
480
3373.9
6.8153
500
3422.2
6.8803
(Valores interpolados)
Con este dato ahora interpolaremos para las presiones
T = 480°C
P (MPa)
h (kJ/kg)
s (kJ/kgK)
6
3373.9
6.8153
6.55
h1 = 3366.9
s1 = 6.7722
8
3348.4
6.6586
ℎ1 = 3366.9
•
𝑘𝐽
𝑘𝑔
;
(Valores interpolados)
𝑠1 = 6.7722
𝑘𝐽
𝑘𝑔𝐾
Estado 2:
Aquí tendremos en cuenta primero la expansión isentrópica en la turbina, y
asumiremos un rendimiento interno del 85% en la turbina teniendo en
consideración los años de operación de la central.
𝑠2𝑠 = 𝑠1 = 6.7722
𝑘𝐽
𝑎𝑑𝑒𝑚𝑎𝑠 𝑃2 = 5𝑘𝑃𝑎
𝑘𝑔𝐾
Ahora interpolaremos para los valores de presión requeridos:
P (kPa)
hf (kJ/kg)
hg (kJ/kg)
sf (kJ/kgK)
sg (kJ/kgK)
4
121.46
2554.4
0.4226
8.4746
5
136.49
2560.9
0.4718
8.4030
6
151.53
2567.4
0.5210
8.3304
15
Con estos nuevos datos reconocemos que a la salida de la turbina esta saliendo
una mezcla saturada, por lo tanto, hallaremos la calidad:
𝑠2𝑠 − 𝑠𝑓
𝑥2𝑠 =
𝑠𝑔 − 𝑠𝑓
𝑥2𝑠 =
6.7722 − 0.4718
8.4030 − 0.4718
𝑥2𝑠 = 0.80
Como podemos analizar la calidad de la mezcla, esta tendrá repercusiones en
el rendimiento de la turbina. De igual manera calcularemos la entalpia 2s:
ℎ2 = ℎ𝑓 + 𝑥2𝑠 (ℎ𝑔 − ℎ𝑓 )
ℎ2 = 136.49 + 0.8(2560.9 − 136.49)
ℎ2 = 2076.02 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Ahora calcularemos la entalpia en el estado 2 aplicando el rendimiento interno
de la turbina del 85%
𝜂𝑡 =
𝑤𝑡−𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑤𝑡−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙
𝜂𝑡 =
ℎ1 − ℎ2
ℎ1 − ℎ2𝑠
0.85 =
3366.9 − ℎ2
3366.9 − 2076.02
ℎ2 = 2269.65 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Así tendríamos el trabajo en la turbina calculado por:
𝑤𝑡 = ℎ1 − ℎ2 = 3366.90 − 2269.65
𝑤𝑡 = 1097.25 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Proceso 3-4: Compresión en la Bomba
•
Estado 3:
Este estado esta definido por el ingreso a la bomba como liquido saturado y
extraeremos las siguientes propiedades:
ℎ3 = ℎ𝑓 = 136.49
𝑘𝐽
𝑘𝑔
𝑣3 = 𝑣𝑓 = 1.0052 ∗ 10−3 𝑚3 /𝑘𝑔
•
Estado 4:
Aplicaremos el trabajo en la bomba, y consideraremos una eficiencia interna
del 80% para el cálculo:
𝑤𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎−𝑠 = ℎ4 − ℎ3 = 𝑣3 (𝑃4 − 𝑃3 )
16
ℎ4 − 136.49 = 1.0052 ∗ 10−3 (6550 − 5)
ℎ4 = 143.07𝑘𝐽/𝑘𝑔
Así tendremos el trabajo en la bomba:
𝑤𝐵 =
𝑤𝐵 =
ℎ4 − ℎ3
𝜂𝐵
143.07 − 136.49
0.80
𝑤𝐵 = 8.225 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Proceso 4 - 1: Adición de calor en la caldera
Tenemos la evaluación para los estados 4 y 1:
𝑞𝑠𝑢𝑚 = ℎ1 − ℎ4
𝑞𝑠𝑢𝑚 = 3366.9 − 143.07
𝑞𝑠𝑢𝑚 = 3223.83 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Proceso 2 - 3: Expulsión de calor en el condensador
Tenemos la evaluación para los estados 2 y 3:
𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = ℎ2 − ℎ3
𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = 2076.02 − 136.49
𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = 1939.53 𝑘𝐽/𝑘𝑔
2.2.1. Trabajo neto del ciclo
El trabajo neto es calculado mediante la diferencia entre el trabajo de salida en la
turbina y el trabajo de entrada en la bomba.
𝑤𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑤𝑡 − 𝑤𝐵
𝑤𝑛𝑒𝑡𝑜 = 1097.25 − 8.225
𝑤𝑛𝑒𝑡𝑜 = 1089.025 𝑘𝐽/𝑘𝑔
2.2.2. Rendimiento térmico del ciclo:
Para el rendimiento térmico usaremos la ecuación que relaciona los calores de
entrada y de salida, que son en la caldera y el condensador respectivamente.
𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑
𝜂𝑡 = 1 −
𝑞𝑠𝑢𝑚
𝜂𝑡 = 1 −
1939.53
3223.83
𝜂𝑡 = 0.398
𝜼𝒕 = 𝟑𝟗. 𝟖%
17
2.2.3. Potencia del ciclo (1 Unidad)
Aquí utilizaremos el flujo masico máximo de vapor que puede proporcionar la
caldera según los datos investigados.
𝑾̇𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝒎̇ ∗ 𝒘𝒏𝒆𝒕𝒐
𝑾̇𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝟏𝟒
𝒌𝒈
𝒌𝑱
∗ 𝟏𝟎𝟖𝟗. 𝟎𝟐𝟓
𝒔
𝒌𝒈
𝑾̇𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝟏𝟓. 𝟐𝟓 𝑴𝑾
2.2.4. Diagrama T-s ciclo Rankine simple
Para la representación de todos los ciclos que veremos en el presente informe se
representaran en el software de Termograf.
Figura 2.2
Diagrama T-s del ciclo Rankine simple
Nota: Gráfica obtenida del software Termograf
18
2.3.Cálculos del ciclo Rankine regenerativo
Para este apartado tenemos que tener en consideración las propiedades brindadas en
la tabla 2.1, pero tendríamos un inconveniente, el cual seria que solo conocemos que
el sistema cuenta con 3 calentadores indirectos y uno directo, pero no conocemos las
presiones a las cuales se realizaran el sangrado de estas fracciones de flujo masico,
por lo tanto usaremos de referencia el siguiente esquema de la figura 2.3 para realizar
el cálculo, además debemos de considerar las presiones de trabajo para las bombas.
Figura 2.3
Configuración de la planta de San Nicolas
Estamos considerando poner utilizar calentadores cerrados con trampa de vapor,
donde el condensado se lleva a través de una válvula a un calentador de agua de
alimentación que opera a menor presión o a la del condensador. La válvula es de un
tipo que solo permite el paso de liquido hacia una región de presión más baja.
Figura 2.4
Calentador de agua de alimentación a utilizar
19
La dificultad presentada es conocer, las presiones de operación para los sangrados
de la turbina, eso lo propondremos a partir de respaldarnos de alguna bibliografía,
ahora propondremos el diagrama T-s
Figura 2.4
Diagrama T-s de la central termoeléctrica propuesta
Nota: Diagrama T-s haciendo uso del software Termograf, sin tener en cuenta aun
los rendimientos
20
Como siguiente paso, graficaremos el ciclo teniendo en cuenta los rendimientos,
además de las presiones de sangrado según las referencias investigadas y así
obtenemos las propiedades calculadas.
Figura 2.5
Diagrama T-s con irreversibilidades de la central termoeléctrica propuesta
Tabla 2.2
Propiedades calculas en Termograf
21
Además, para esta parte debemos tener en cuenta las fracciones de flujo masico
extraídas de la turbina, tal y como se muestra en la siguiente figura:
Figura 2.6
Fracciones de flujo másico sangrados en la turbina
Necesariamente se debe realizar balances de masa y energía para conocer las
fracciones de flujo masico x, y, w, x.
Balance en el calentador 1
𝐸̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐸̇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑦ℎ2 + ℎ14 = 𝑦ℎ15 + ℎ21
𝑦=
𝑦=
ℎ21 − ℎ14
ℎ2 − ℎ15
912.103 − 724.567
3075.95 − 909.001
𝑦 = 0.0865
22
Balance en el calentador 2
𝐸̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐸̇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑦ℎ16 + 𝑧ℎ3 + ℎ13 = (𝑦 + 𝑧)ℎ17 + ℎ14
𝑧=
𝑧=
𝑦(ℎ16 − ℎ17 ) + (ℎ13 − ℎ14 )
ℎ17 − ℎ3
0.0865(909.001 − 720.753) + 569.59 − 724.567
720.753 − 2890.97
𝑧 = 0.0639
Balance en el tanque desaireación:
𝐸̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐸̇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑤ℎ6 + (1 − 𝑦 − 𝑧 − 𝑤)ℎ11 + (𝑦 + 𝑧)ℎ18 = ℎ12
𝑤=
𝑤=
(ℎ12 − ℎ11 ) + (𝑦 + 𝑧)(ℎ11 − ℎ18 )
ℎ6 − ℎ11
(561.216 − 416.28) + (0.0865 + 0.0639)(416.28 − 720.753)
2977.98 − 416.28
𝑤 = 0.0387
Balance en el calentador 3:
𝐸̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐸̇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑥ℎ7 + (1 − 𝑦 − 𝑧 − 𝑤)ℎ10 = (1 − 𝑦 − 𝑧 − 𝑤)ℎ11 + 𝑥ℎ19
𝑥=
𝑥=
(1 − 𝑦 − 𝑧 − 𝑤)(ℎ11 − ℎ10 )
ℎ7 − ℎ19
(1 − 0.0865 − 0.0639 − 0.0387)(416.28 − 145.45)
2771.21 − 411.99
𝑥 = 0.0931
23
Proceso 1-2-3: Expansión en la turbina de alta
𝑤𝑡1 = (ℎ1 − ℎ2 ) + (1 − 𝑦)(ℎ2 − ℎ3 )
𝑤𝑡1 = (3366.39 − 3075.95) + (1 − 0.0865)(3075.95 − 2890.97)
𝑤𝑡1 = 459.419 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Proceso 5-6-7-8: Expansión en la turbina de media
𝑤𝑡2 = (1 − 𝑦 − 𝑧)(ℎ5 − ℎ6 ) + (1 − 𝑦 − 𝑧 − 𝑤)(ℎ6 − ℎ7 )
𝑤𝑡2 = (1 − 0.0865 − 0.0639)(3195.62 − 2977.98) + (1 − 0.0865 − 0.0639
− 0.0387)(2977.98 − 2771.21)
𝑤𝑡2 = 352.57 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Proceso 7-8: expansión en la turbina de baja
𝑤𝑡3 = (1 − 𝑦 − 𝑧 − 𝑤 − 𝑥)(ℎ7 − ℎ8 )
𝑤𝑡3 = (1 − 0.0865 − 0.0639 − 0.0387 − 0.0931)(2771.21 − 2392.32)
𝑤𝑡3 = 456.87 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Trabajo total de turbinado:
𝑤𝑇 = 𝑤𝑡1 + 𝑤𝑡2 + 𝑤𝑡3
𝑤𝑇 = 459.419 + 352.57 + 456.87
𝑤𝑇 = 1268.859 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Proceso 9-10: Compresión en la Bomba 1
Así tendremos el trabajo en la bomba 1 de condensado:
𝑤𝐵1 = (1 − 𝑦 − 𝑧 − 𝑤)(ℎ10 − ℎ9 )
𝑤𝐵1 = (1 − 0.0865 − 0.0639 − 0.0387)(145.45 − 137.232)
𝑤𝐵1 = 6.664 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Proceso 12-13: Compresión en la Bomba 2
𝑤𝐵2 = ℎ13 − ℎ12
𝑤𝐵2 = 569.59 − 561.216
𝑤𝐵2 = 8.374 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Trabajo total de compresión:
𝑤𝐵 = 𝑤𝐵1 + 𝑤𝐵2
𝑤𝐵 = 6.664 + 8.374
𝑤𝐵 = 15.038 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Proceso 21 - 1: Adición de calor en la caldera
24
Tenemos la evaluación para los estados 21 y 1, también consideraremos el
recalentamiento en 4 y 5:
𝑞𝑠𝑢𝑚 = (ℎ1 − ℎ21 ) + (1 − 𝑦 − 𝑧)(ℎ5 − ℎ4 )
𝑞𝑠𝑢𝑚 = (3366.39 − 912.103) + (1 − 0.0865 − 0.0639)(3195.92 − 2890.97)
𝑞𝑠𝑢𝑚 = 2713.37 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Proceso 8 - 9: Expulsión de calor en el condensador
Tenemos la evaluación para los estados 8 y 9:
𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = (1 − 𝑦 − 𝑧 − 𝑤 − 𝑥)(ℎ8 − ℎ9 )
𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = (1 − 0.0865 − 0.0639 − 0.0387 − 0.0931)(2392.32 − 137.232)
𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = 1618.70 𝑘𝐽/𝑘𝑔
2.3.1. Trabajo neto del ciclo regenerativo
El trabajo neto es calculado mediante la diferencia entre el trabajo de salida en la
turbina y el trabajo de entrada en la bomba.
𝑤𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑤𝑇 − 𝑤𝐵
𝑤𝑛𝑒𝑡𝑜 = 1268.859 − 15.038
𝑤𝑛𝑒𝑡𝑜 = 1253.821 𝑘𝐽/𝑘𝑔
2.3.2. Rendimiento térmico del ciclo:
Para el rendimiento térmico usaremos la ecuación que relaciona los calores de
entrada y de salida, que son en la caldera y el condensador respectivamente.
𝑤𝑛𝑒𝑡𝑜
𝜂𝑡 =
𝑞𝑠𝑢𝑚
𝜂𝑡 =
1253.821
2713.37
𝜂𝑡 = 0.462
𝜼𝒕 = 𝟒𝟔. 𝟐%
2.3.3. Potencia del ciclo regenerativo (1 Unidad)
Aquí utilizaremos el flujo masico máximo de vapor que puede proporcionar la
caldera según los datos investigados.
𝑾̇𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝒎̇ ∗ 𝒘𝒏𝒆𝒕𝒐
𝑾̇𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝟏𝟒
𝒌𝒈
𝒌𝑱
∗ 𝟏𝟐𝟓𝟑. 𝟖𝟐𝟏
𝒔
𝒌𝒈
𝑾̇𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝟏𝟕. 𝟓𝟓 𝑴𝑾
25
CAPITULO III: RESULTADOS
3.1. Análisis de resultados
La investigación tiene por finalidad la comprobación de los aspectos termodinámicos de
la planta termoeléctrica de San Nicolas. Primero se opto por comparar un ciclo Rankine
simple con uno regenerativo, además comparar el regenerativo con los parámetros
reales de la planta, los resultados se muestran a continuación:
Tabla 3.1
Resultados de propiedades
Presión de la caldera
6.55MPa
Presión primer sangrado
2MPa
Presión de recalentamiento
0.8MPa
Presión de segundo sangrado
300 kPa
Presión del tanque desaereador
95kPa
Presión del condensador
5 kPa
Temperatura de entrada a la turbina de alta
480°C
Temperatura de agua de refrigeración
Sale a 26°C
Flujo másico manejado en la caldera
24 kg/s
Tablas 3.2
Resultados de Rankine simple y Rankine regenerativo
Rankine Simple
Rankine regenerativo
Trabajo de bombas
8.225 kJ/kg
15.038 kJ/kg
Trabajo de turbinas
1097.25 kJ/kg
1268.859 kJ/kg
Trabajo neto
1089.025 kJ/kg
1253.821 kJ/kg
39.8 %
46.2%
15.25 MW
17.55 MW
Rendimiento térmico
Potencia del ciclo
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CONCLUSIONES
•
Se realizó el cálculo y diseño de los equipos principales de la central térmica de
San Nicolás tomando en consideración parámetros de operación y recomendaciones
de fabricantes de centrales termoeléctricas.
•
Se dio a conocer el funcionamiento de los equipos principales que componen la
central, así como también el reconocimiento de los equipos de operación y las
condiciones de uso.
•
Se analizó los ciclos termodinámicos con el cual opera la central, comparando un
ciclo Rankine simple con un ciclo Rankine regenerativo concluyendo que un ciclo
simple de Rankine tendría una eficiencia del 39.8% mientras que si utilizaríamos un
ciclo regenerativo aumentaríamos la eficiencia hasta un 46.2% mientras que en el
análisis de la potencia nos asemejaríamos a la real de la planta.
•
Se utilizó el software Termograf para realizar las gráficas T-s de la central y
obtener las propiedades del vapor, facilitando los cálculos.
•
Se propuso ideas de mejora energética según el análisis de resultados de los
cálculos realizados, como la implementación de un ciclo combinado para aprovechar
de mejor manera el combustible de que se utiliza.
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REFERENCIAS
CATÁLOGO INTESA DE CALENTADORES
https://calderasintesa.com/producto/calentadores-de-agua/
¿WHAT IS A DEARATING HEATER? https://www.electrical4u.com/deaeratingheater-deaerator/
BOMBAS DE CONDENSADO
https://vaporparalaindustria.com/tipos-de-bombas-de-condensado-para-sistemas-devapor/
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