UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
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CENTRALES TERMOELECTRICAS
Y PLANTAS DE COGENERACION
PROLOGO
El presente documento constituye el texto guía del Curso Centrales Termoeléctricas, impartido a estudiantes de Ingeniería en las especialidades de Mecánica, Mecánica- Eléctrica, Naval y Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería-Perú.
Este material tiene como objetivo transmitir al alumno, los fundamentos básicos y la parte aplicativa de las Centrales Termoeléctricas y Sistemas de Cogeneración, los mismos que han de servir como elementos de base para el dimensionado, diseño, selección, operación y proyectos de instalaciones de centrales turbovapor, centrales turbogas, centrales de ciclo combinado y sistemas de cogeneración; ello de acuerdo al tipo de requerimiento y a las características energéticas estratégicas del Perú.
Está constituido por nueve capítulos en los que se aborda: una parte introductoria referida al mercado eléctrico nacional y la participación termoeléctrica en el sistema interconectado nacional; la tecnología de generación térmica con fuentes renovables; el panorama energético del Perú en relación con las centrales termoeléctricas instaladas; el avance tecnológico de las centrales termoeléctricas; las características de los motores térmicos en la conformación de las centrales termoeléctricas; los ciclos termodinámicos reales que gobiernan a las centrales termoeléctricas; el detalle de la conformación, características de operación y parámetros técnico-económicos de las centrales termoeléctricas de vapor, de gas y de ciclo combinado. Asimismo, se aborda la ingeniería y el estudio de factibilidad para la instalación de sistemas de cogeneración.
El Perú es un país privilegiado en cuanto se refiere a la existencia y diversificación de recursos energéticos naturales, sin embargo su aprovechamiento en la generación de electricidad a la actualidad, es deficiente. Si bien en los últimos años, debido a la explotación del gas natural, el parque de generación termoeléctrica ha crecido de manera ostensible, la oferta-demanda de energía fina sigue siendo marcadamente desbalanceada. Un plan estratégico de mediano y largo plazo debe apuntar a un aprovechamiento estratégico de los recursos energéticos, acorde a la tecnología moderna de conversión y/o reingeniería, bajo el concepto integrado de eficiencia, economía, calidad y, protección del medio ambiente.
Es de considerar también, que en el Perú ya se han dado grandes pasos en la búsqueda de mejoras, esto es la creación de reglamentos, normativa y órganos eficientes de administración de la energía. La demanda eléctrica está creciendo muy aceleradamente en los últimos años, ello obedeciendo fundamentalmente al despegue minero, agroindustrial y los servicios; por lo tanto la generación y el transporte de electricidad debe proyectarse en mutua sintonía, garantizando confiabilidad y economía. Dentro de este contexto, el elemento motor para lograr tales objetivos, lo marca la mano de obra calificada.
Finalmente; este documento conforma una guía de avance dentro la transferencia del conocimiento al estudiante de Centrales Termoeléctricas, alcanzará su objetivo sólo cuando se complete con las actividades realizadas por el profesor en el aula; esto es: ampliación y detalle de conceptos, ejemplos de caso, resolución de problemas, transmisión de experiencias ingenieriles e investigación en los temas.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA APLICADA
SILABO P.A. 2015
1. INFORMACION GENERAL
Nombre del curso : CENTRALES TERMOELECTRICAS Código del curso : MN 163
Especialidad : MECANICA ELECTRICA
Condición : OBLIGATORIO
Ciclo de estudios : 10°
Pre-requisitos : ML244, MN116 Número de créditos : 04
Total de horas semestrales: 56 Total de horas por semana 04 Teoría : 04 Practica : --
Duración : 17 SEMANAS Sistema de evaluación : F
Profesor : DR. SALOME GONZALES CHAVEZ
2. SUMILLA
Introducción. Tecnología energética. Situación energética nacional, infraestructura de generación eléctrica, matriz energética nacional. Conceptos fundamentales para la elección motores térmicos para generación termoeléctrica. Ciclos termodinámicos reales de centrales termoeléctricas. Centrales termoeléctricas de vapor. Aplicaciones prácticas. Centrales termoeléctricas a gas. Centrales termoeléctricas de ciclo combinado. Plantas de cogeneración: Fundamentos, ingeniería, elección de sistemas de cogeneración, cálculo de rentabilidad y costos de cogeneración. Costos de operación de centrales termoeléctricas. Aplicaciones prácticas de generación termoeléctrica.
3. OBJETIVO
El alumno al finalizar el curso, deberá tener una visión clara del contexto energético nacional y mundial, definir las características técnicas económicas de una central termoeléctrica, seleccionarlo y dimensionarlo en función a criterios de planeamiento energético. Estará capacitado para esbozar una central térmica que genere cantidades específicas de electricidad, teniendo en cuenta su principio de funcionamiento y aplicación, identificación de componentes y la transformación de la energía desde la alimentación del combustible hasta la electricidad producida. Para ello se le ha de transmitir los conocimientos teórico-prácticos de las centrales termoeléctricas, en base a los conceptos de ingeniería aplicada, termofluidos e ingeniería económica.
4. PROGRAMA ANALÍTICO POR SEMANA SEMANA 1
INTRODUCCIÓN. Generación y consumo eléctrico nacional. Conformación y elementos básicos de una Central Termoeléctrica. Clasificación de las Centrales Termoeléctricas SEMANA 2
GENERACION TERMOELECTRICA CON FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE Y NO RENOVABLE. Las energías renovables y no renovables. Generación integrada nacional con energías renovables. Formas de conversión tecnológica de la energía SEMANA 3
EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA DEMANDA ELECTRICA NACIONAL. Infraestructura de generación termoeléctrica. Matriz energética del Perú. Flujo energético nacional y el efecto de la generación termoeléctrica. Perspectivas de las centrales termoeléctricas en el sistema eléctrico nacional.
SEMANA 4
CONCEPTOS FUNDAMENTALES PARA LA ELECCION DE MOTORES TERMICOS PARA GENERACION TERMOELECTRICA. Definiciones. Clasificación general, principio de funcionamiento, componentes básicos, tipos de turbinas, arreglos.
SEMANA 5
CICLOS TERMODINAMICOS REALES DE CENTRALES TERMOELECTRICAS. Ciclo de vapor Rankine básico y avanzado. Ciclo de gas Joule Brayton abierto, Ciclos Combinados. Ejercicios
SEMANA 6
CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR. Configuración de la central, abastecimiento de combustible, transformación de la energía, rendimientos de la turbina, características constructivas de las turbinas de vapor, arreglos.
SEMANA 7
APLICACIONES PRÁCTICAS. Avances de temas monográficos, estudios de caso, desarrollo de problemas prácticos
SEMANA 8
SEMANA DE EXAMENES PARCIALES SEMANA 9
CENTRALES TERMOELECTRICAS DE GAS. Características de los componentes, compresor, cámara de combustión, estructura y arreglos de la turbina, diagramas térmicos.
SEMANA 10
CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO. Disposición de planta típica, calderas de recuperación, diagramas termodinámicos, prestaciones, arreglos de centrales de ciclo combinado con una y dos presiones
CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO. Efecto de los parámetros de diseño sobre la potencia y rendimiento de una central de ciclo combinado, balance energético, rendimientos, costos
SEMANA 12
PLANTAS DE COGENERACION. Fundamentos de la Cogeneración, ingeniería de la Cogeneración, selección de motores para un sistema de Cogeneración
SEMANA 13
PLANTAS DE COGENERACION. Parámetros característicos técnicos y económicos de sistemas de cogeneración, cálculo de rentabilidad de sistemas de cogeneración
SEMANA 14
COSTOS DE OPERACIÓN DE CENTRALES TERMOELECTRICAS. Evaluación de costos de inversión, costos de operación y mantenimiento, costos específicos de instalación, costos específicos de generación
SEMANA 15
APLICACIONES PRÁCTICAS. Determinación de costos de generación en sistemas integrados, costo del kW instalado, costo del kWh generado, ejemplos de caso, evaluación final de monografías.
SEMANA 16
SEMANA DE EXAMENES FINALES SEMANA 17
EXAMEN SUSTITUTORIO 5.- ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS
Utilizando el método enseñanza-aprendizaje, el profesor ha de transmitir al alumno en cada clase: la motivación del tema en estudio, la información teórica y de experiencia del tema a tratar y, la orientación al alumno para realizar su aprendizaje de cada punto tratado.
La exposición didáctica del tema a tratar, su importancia
La formulación teórica, con ejemplos, discusión e interpretación del caso
Incentivo para el logro de clase dictada-clase aprendida
6.- MATERIALES EDUCATIVOS Y OTROS RECURSOS DIDACTICOS 6.1 Medios o Procedimientos Didácticos
Exposición de bases teóricas en aula de clases, presentación de datos, estadísticas y discusiones técnicas en torno a ellas
Desarrollo de casos aplicativos, propuestos como trabajo de aplicación
Visita a Plantas Termoeléctricas de Lima y Laboratorio de Energía de la FIM
Presentación y sustentación de casos aplicativos asimilados por el alumno. 6.2 Materiales del Proceso de Enseñanza - Aprendizaje
Exposición del profesor en pizarra
Uso de presentaciones en PowerPoint 7.- EVALUACIÓN
a. Sistema de Evaluación: F Examen parcial (EP): Peso 1
Examen final (EF): Peso 2
Promedio de monografías (Mo): Peso 1
b. Sub sistema de Evaluación (parte práctica del curso)
2 M Mo 2 1 i i
Mo: Nota promedio de monografías. Son dos (02) monografías calificadas de las cuales no se elimina ninguna
c. Nota Final (NF): 4 Mo 2EF EP NF 8.- BIBLIOGRAFIA
R.W. Haywood. Ciclos Termodinámicos de Potencia y Refrigeración, Ed. Limusa, 2000
Philip G. Hill. Power Generation, Ed. MIT, 1977
Santiago Sabugal García, Florentino Gómez Monux. Centrales Térmicas de Ciclo combinado, Ed. Díaz de Santos, 2006.
Richard T. C. Harman. Gas Turbine Engineering, Ed. The Macmillan Press LTD, 1981
A. K. Raja, Amit Prakask Srivastava y Manish Dwivedi, New Age International (P) LTD, 2006
Gordon J. Van Wylen, Richard E. Sonntang, Fundamentos de Termodinámica, Ed. Limusa - Wiley S. A., 1967
R. K. Turton. Principles of Turbomachinery, Ed. E. & F. N. Spon, 1984.
Santiago García Garrido. Operación y Mantenimiento de Centrales de Ciclo Combinado. Ed. Díaz de Santos 2008.
Páginas de internet www.minem.gob.pe www.osinergmin.gob.pe www.eia.doe.gov www.bp.com/statisticalreview www.coes.org.pe Lima, 2015
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1. INTRODUCCION
1.1 Generación y consumo eléctrico nacional
1.2 Elementos básicos de una Central Termoeléctrica 1.3 Clasificación de las Centrales Termoeléctricas
2. GENERACION TERMOELECTRICA CON FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE Y NO RENOVABLE
2.1 Las energías renovables y no renovables
2.2 Generación integrada nacional con energías renovables 2.3 Formas de conversión tecnológica de la energía
3. EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA DEMANDA ELECTRICA NACIONAL
3.1 Infraestructura de generación termoeléctrica
3.2 Flujo energético nacional y el efecto de la generación eléctrica
4. CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN LA ELECCION DE MOTORES TERMICOS PARA GENERACION TERMOELECTRICA
4.1 El motor térmico para generación eléctrica 4.2 Clasificación general
4.3 Principio de funcionamiento y tipos
4.4 Campo de aplicación del tipo del motor térmico según niveles de potencia y rendimientos
5. CICLOS TERMODINAMICOS REALES DE CENTRALES TERMOLECTRICAS 5.1 Ciclo termodinámico real de centrales termoeléctricas de vapor
5.2 Ciclo termodinámico real de centrales termoeléctricas de ciclo combinado, turbogas - turbovapor
6. CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR 6.1 Configuración de la central
6.2 Sistema de abastecimiento de combustible 6.3 Transferencia de energía al circuito agua-vapor 6.4 Transformación de energía térmica en mecánica 6.5 Transformación de energía mecánica en eléctrica 6.6 Sistema de enfriamiento
6.7 Características constructivas de turbinas de vapor 7. CENTRALES TERMOELECTRICAS DE GAS
7.1 Características de los componentes principales 7.1.1 El compresor
7.1.2 La cámara de combustión 7.1.3 La turbina a gas propiamente
7.2 Características de operación y costos de generación 8. CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO
8.1 Diagrama termodinámico equivalente de una central termoeléctrica de Ciclo Combinado
8.2 Prestaciones de las centrales de Ciclo Combinado
8.3 Centrales de Ciclo Combinado con sistema turbovapor de una y dos presiones de admisión y turbina a gas
8.3.1 Características del arreglo de Ciclo Combinado de dos presiones 8.3.2 Balance energético del arreglo de Ciclo Combinado de dos presiones 8.4 Efecto de los parámetros más importantes de diseño sobre la producción de
potencia y rendimiento en C. C. C.
8.5 Costos comparativos de generación con Ciclo Combinado y otros 9. SISTEMAS DE COGENERACION
9.1 Fundamentos de cogeneración y sus posibilidades en el Perú 9.1.1 Definiciones
9.1.2 Importancia de la cogeneración
9.1.3 Reglamento de cogeneración en el Perú 9.2 Ingeniería de Cogeneración
9.2.1 Parámetros característicos
9.2.2 Especificaciones de los motores de un sistema de Cogeneración 9.3 Estudio de Factibilidad de un sistema de Cogeneración
9.4 Cálculo metodológico de la rentabilidad de sistemas de cogeneración 9.4.1 Calculo tradicional de rentabilidad de sistemas de cogeneración
9.4.2 Calculo de la rentabilidad de sistemas de cogeneración con elementos de programación
9.4.3 Calculo con ejemplos de caso BIBLIOGRAFIA
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INTRODUCCION
1.1. GENERACION Y CONSUMO ELECTRICO NACIONAL
El Perú es un país que posee arraigo en el uso de la tecnología de turbinas a gas y a vapor para la producción de energía eléctrica, por ejemplo en los siguientes campos:
Generación de electricidad mediante centrales termoeléctricas, en donde principalmente se utilizan centrales turbogas, turbovapor y ciclos combinados.
Producción de potencia mecánica para generación eléctrica y fuerza motriz en la industria azucarera, utilizando principalmente turbinas a vapor
Producción simultánea de calor para uso en proceso y electricidad para autoconsumo y venta a la red, mediante sistemas de cogeneración, utilizando turbinas de vapor y/o turbinas a gas.
PRODUCCION ELECTRICA INTERCONECTADA DEL PERÚ-SEIN
La producción de energía eléctrica de las empresas integrantes del Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional (COES SINAC), durante el 2013 fue 39669 GWh, que representa un crecimiento de 6,29% con respecto al año 2012. De la energía producida, el 51,8% fue de origen hidráulico, 45,7% de origen térmico y 2,5% de origen Renavable (RER).
La producción de energía eléctrica y la participación porcentual por empresas integrantes del COES se muestran en el siguiente gráfico, donde se observa que las empresas de mayor producción de energía fueron: Edegel con 7560 GWh, Electroperú con 7272 GWh y Enersur con 7719 GWh.
La evolución de la Potencia instalada y potencia efectiva del COES desde 1994 al 2013 es la siguiente:
Potencia Instalada y Potencia Efectiva del COES
Año Potencia Instalada (MW) Potencia Efectiva (MW) 1994 2,725.97 2,391.40 1995 2,772.27 2,438.80 1996 2,909.78 2,593.30 1997 3,864.89 3,397.10 1998 4,787.70 3,725.58 1999 4,941.71 4,017.52 2000 5,268.62 4,303.35 2001 5,307.74 4,382.80 2002 5,205.20 4,402.12 2003 5,288.61 4,381.16 2004 5,245.33 4,336.21 2005 5,379.11 4,470.64 2006 5,465.27 4,799.13 2007 5,371.07 5,152.38 2008 5,342.81 5,159.95 2009 6,000.60 5,848.35 2010 6,699.20 6,463.40 2011 6,746.32 6,444.38 2012 7,330.20 7,116.70 2013 8,050.00 7,813.07
Evolución de la potencia instalada y potencia efectiva del COES
Potencia Instalada y Potencia Efectiva Total nacional
Año Potencia Instalada
Total (MW) Potencia Efectiva Total (MW) 1995 4,462 4,075 1996 4,663 4,003 1997 5,192 4,581 1998 5,515 4,782 1999 5,742 5,116 2000 6,066 5,555 2001 5,907 5,387 2002 5,936 5,396 2003 5,970 5,422 2004 6,016 5,418 2005 6,201 5,611 2006 6,658 5,873 2007 7,028 6,352 2008 7,158 6,349 2009 7,986 7,256 2010 8,613 8,000 2011 8,691 8,046 2012 9,699 8,939 2013 11,051 9,885
La demanda de electricidad es variable a lo largo de las horas de un día típico, el cual se cuantifica mediante el Diagrama de Carga.
Sistemas de generación para satisfacer carga del día de Máxima Demanda del SEIN en el 2013
1.2. ELEMENTOS BASICOS DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA ELEMENTOS BASICOS DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA A GAS
En términos generales una Central Termoeléctrica. a gas, está conformada por los siguientes elementos básicos:
EL COMPRESOR. Se encarga de concentrar la masa de aire requerida para el proceso de combustión
LA CAMARA DE COMBUSTION. Donde se realiza la mezcla adecuada de aire y combustible y la ignición, para un proceso de combustión a presión constante
LA TURBINA A GAS. Es la turbomáquina donde los gases de combustión se expanden en el conjunto rotor, produciendo un cambio de momentum angular aprovechado en su eje como potencia mecánica
EL GENERADOR ELECTRICO. Donde se produce la electricidad
Esquema básico de una Central turbogas
Turbocompresor a gas con compresor centrífugo y turbina axial (ejemplo el existente en la Turbina a gas para instrucción en el Laboratorio de Energía de la FIM-UNI
ELEMENTOS BASICOS DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA A VAPOR
En cambio una C. T. a vapor básica, está conformada por los siguientes elementos básicos:
LA CALDERA. Produce el vapor a partir de la combustión de petróleo, gas natural o carbón
LA TURBINA A VAPOR. Es la turbomáquina donde el vapor se expande en el conjunto rotor, produciendo un cambio de momentum angular aprovechado en su eje como potencia mecánica
EL GENERADOR ELECTRICO. Donde se produce la electricidad
EL CONDENSADOR. Condensa el vapor de descarga de la T.V. ganando así salto entálpico
SISTEMA DE BOMBEO. Impulsa el condensado hacia la caldera
Foto de la Central Turbovapor Ilo 21 (135 MW) 1.3. CLASIFICACION DE LAS CENTRALES TERMOELECTRICAS
Existen diferentes formas de clasificar a las centrales termoeléctricas, por ejemplo: 1) DE ACUERDO AL FLUIDO DE TRABAJO QUE ATRAVIESA LA TURBINA
Central turbo gas o central con turbina a Gas. Cuando los gases de combustión se expanden en el o los rodetes de la turbina propiamente
Central turbovapor o central con turbina a vapor. Cuando el vapor se expande en el o los rodetes de la turbina propiamente
2) DE ACUERDO A LA COMBUSTION
Central de Combustión Interna. Cuando los gases de combustión participan directamente en la generación de potencia mecánica. Es el caso del ciclo Joule-Brayton abierto
Central de combustión externa. Cuando los gases de combustión no participan directamente en la generación de potencia mecánica. Es el caso del ciclo Rankine 3) DE ACUERDO A LA PRODUCCION DE ENERGÍA FINAL
Central termoeléctrica. Produce solamente energía eléctrica
Central de cogeneración. Produce energía eléctrica y también energía térmica final para uso en procesos
4) DE ACUERDO AL CICLO TERMODINAMICO
Central de ciclo Ránkine
Central de ciclo Joule Brayton abierto o cerrado
Central de ciclo combinado. Genera potencia eléctrica aprovechando ambos ciclos Joule Brayton y Rankine
5) DE ACUERDO AL TIPO DE COMBUSTIBLE UTILIZADO
Central nuclear. Cuando la generación de vapor se realiza por transferencia de energía desde la fisión nuclear en el reactor hacia las camisas de agua para su vaporización
6) DE ACUERDO A LA SALIDA DE VAPOR DE LA TURBINA
Planta con turbina de condensación. Cuando la presión del vapor a la salida de la T.V. es menor que la atmosférica
Planta con turbina de escape libre. Cuando la presión del vapor a la salida de la T.V. es igual a la atmosférica
Planta con turbina de contrapresión. Cuando la presión del vapor a la salida de la T.V. es mayor que la atmosférica
Foto de una Central Termoeléctrica de Ciclo Combinado (Chilca I, 822 MW)
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GENERACION TERMOELECTRICA CON FUENTES DE ENERGIA
RENOVABLE Y NO RENOVABLE
2.1 LAS ENERGIAS RENOVABLES Y NO RENOVABLES
En el siguiente cuadro se muestra algunas de las diferencias que actualmente podemos observar, entre el aprovechamiento de las energías renovables y las energías no renovables.
ENERGIAS RENOVABLES ENERGIAS NO RENOVABLES
PUNTO DE VISTA DEL RECURSO Son fuentes de energía inagotables,
cualquiera sea su nivel de aprovechamiento
Son recursos agotables, dado su aprovechamiento masivo peligra su extinción La ubicación geográfica de los recursos
renovables es más distribuida y de alcance mundial
Los recursos no renovables de energía se encuentran geográficamente más localizados y concentrados.
En el espacio natural poseen menor concentración energética por unidad de masa
Poseen una mayor concentración energética por unidad de masa o volumen.
Son fuentes de energía, pero más aún son fuentes de vida.
Son exclusivos para aprovechamiento energético
PUNTO DE VISTA TECNOLOGICO Los rendimientos totales para su
transformación en energía eléctrica son más bajos; excepto en el caso de la hidroenergía, que es la más eficiente.
Los rendimientos totales para transformación en electricidad son relativamente mayores
Se ajustan a soluciones energéticas puntuales y a sistemas integrados.
Su aprovechamiento en transformación energética es generalmente de mayor escala Altos incrementos evolutivos en sus
rendimientos, así como fabricación y uso masivos
Rendimientos más estáticos, no obstante siguen siendo mayores
PUNTO DE VISTA ECONOMICO Y SOCIAL Alta tendencia a la reducción de costos de
generación eléctrica y alta competitividad
Los costos de generación eléctrica son comparativamente más reducidos pero con baja tendencia a su reducción
Bajos costos operativos y altos costos de instalación. Los costos específicos por unidad de energía comparativamente se están reduciendo; las altas inversiones se compensan con los bajos costos de operación - mantenimiento y el casi nulo costo de la energía primaria a lo largo de la vida útil
Altos costos operativos y bajos costos de instalación.
Dadas las características de lejanía y dispersión en el sector rural, el aprovechamiento de las energías renovables se presenta como alternativas de mayor viabilidad técnico – económica y social
Estas energías no son convenientes para satisfacer demandas puntuales del sector rural, principalmente por el efecto de los altos costos que supone su transporte y distribución
PUNTO DE VISTA MEDIOAMBIENTAL La ventaja sustancial del uso de las
energías renovables es su conversión limpia, renovable y duradera, sin prácticamente ningún deterioro del medio ambiente
De naturaleza colabora en la contaminación medioambiental, no obstante las tasas de contaminación han ido decreciendo dada las restricciones normativas internacionales.
2.2 GENERACION INTEGRADA NACIONAL CON ENERGIAS RENOVABLES Primera subasta de energías renovables en base al D.L. 1002
En aplicación de la primera subasta de energías renovables en base al D.L. 1002, en febrero del 2010, se llevó a cabo la primera subasta de energías renovables en el Perú para la generación eléctrica interconectada, amparada en el D.L. 1002. En la figura siguiente se muestra la distribución de dichos proyectos adjudicados.
Segunda subasta de energías renovables en base al D.L. 1002
El 24 de agosto 2011 se realizó la segunda subasta de energía eléctrica renovable -RER- dirigida por el OSINERGMIN, donde se adjudicó 10 proyectos que cubren el 58% de la demanda requerida de energía eléctrica, acordada bajo esta modalidad.
Proyectos de generación eléctrica con RER en el Perú, en base a D.L. 1002, segunda subasta Tercera subasta de energías renovables en base al D.L. 1002
La tercera subasta de generación eléctrica con RER, concluyó el 23 de diciembre con la adjudicación de los siguientes proyectos de generación mini hidráulica.
Proyectos de generación eléctrica con RER en el Perú, en base a D.L. 1002, tercera subasta
2.3 FORMAS DE CONVERSION TECNOLOGICA DE LA ENERGIA
A través del tiempo, la conversión tecnológica de la energía desde las fuentes naturales (energía primaria), hasta la obtención de energía fina (electricidad), ha ido evolucionando en base al siguiente orden:
1º. Rendimiento de transformación: eficiencia y potencia dada la disponibilidad de la fuente primaria
2º. Economía de funcionamiento: a partir de la escases de la fuente primaria
3º. Calidad de aprovechamiento: reflejado en disponibilidad de la energía fina, vida útil del sistema de conversión
4º. Protección del medio ambiente: mitigación o desaparición de los contaminantes del medio ambiente que aparecen con el proceso de conversión de la energía En el presente así como en el futuro, de seguro que la simultaneidad de estos cuatro componentes, irá cada vez optimizándose
En siguiente cuadro se ha elaborado un diagrama de las formas convencionales de conversión tecnológica de la energía.
Fo rm a s d e c o n s u m o e n e rg é ti c o Ene rgía t e rci a ria (2 da T ran s form a c ió n) Combustibles Fósiles Líquidos Sólidos Gaseosos
Combustibles Nucleares Energía Hidráulica Energía Eólica Energía solar Energía Biomásica Combustibles
Gaseosos Líquidos Coque Vapor Gas
Central Diesel Central a gas Central a vapor Central Eólica Central Hidráulica Central solar Fotovoltaica Electricidad Calefactores
Proceso Industrial Motores Lámparas
Calor
Energía térmica Fuerza Motriz Iluminación
Ene rgía Prim a ri a Ene rgí a Se c un d a ria . (1 da T ran s form a c ió n) Biodigestor TRSU Generador de vapor Gasería Coquería Refinería
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EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA
DEMANDA ELECTRICA NACIONAL
3.1 INFRAESTRUCTURA DE GENERACION TERMOELÉCTRICA
Entre las Centrales Termoeléctricas de mayor representación en cuanto a su capacidad de generación, se encuentran: Chilca, Kallpa, Fenix, Santo Domingo de los Olleros (Termochilca), Ventanilla, Santa Rosa, Aguaytía. A continuación se muestran las características técnicas de cada una de estas Plantas Termoeléctricas.
CENTRAL C.T. CHILCA 1 MODO DE OPERACIÓN TG11 TG12 TG21 TV TG11 + TG12 + TV TG11 + TG21 + TV TG12 + TG21 + TV TG11 + TG12 + TG21 + TV Fabricante SIEME NS SIEME NS SIEMEN S GE SIEMENS / GE SIEMEN S / GE SIEMEN S / GE SIEMENS / GE Modelo SGT6-4000F SGT6-4000F SGT6-5000F D11 270T818 Serie 80090 1 800903 GT37824 0 Potencia Efectiva MW 171. 4 170.2 194.1 278.17 560.00 560.00 560.00 811.14 Potencia Nominal MW 180 180 200 292.00 - - - - Combustible GN GN GN Rendimiento % 38.9 38.3 36.8 55.4 55.4 55.4 56.0 CENTRAL C.T. Kallpa MODO DE OPERACIÓN TG1 TG2 TG3 TV TG1 & TG2 + TV TG2 & TG3 + TV TG1 & TG3 + TV TG1 & TG2 & TG3 + TV Fabricante Sieme ns Siemen s Siemens GE Siemens / GE Siemens / GE Siemens / GE Siemens / GE Modelo SGT6-5000F D2 SGT6-5000FD 3 SGT6-5000FD3 Serie 37A81 54 GT3782 42 GT37823 6 Potencia Efectiva MW 190 194 198 293 564 576 570 857 Combustible GN GN GN Rendimiento % 36.9 37.2 37.5 60% 60% 60% 60%
CENTRAL C.T. Fenix MODO DE OPERACIÓN TG11 TG12 TV10 TG11 + TV10 TG12 + TV10 TG11 & TG12 + TV10 Fabricante GE GE GE
Modelo 7FA.04 7FA.04 D11
Serie 298,077 298,078 270T530 Potencia Efectiva MW 193.4 193.4 192 288.2 568.2 Combustible GN GN Rendimiento kWh/M PC 155 158
Chiclayo220 Guadalupe220 Trujillo220 Chimbote220 ParamonNue220 Huacho220 Zapallal220 Ventanill220 Chavarria220 Rzinc220 Callahuan220 Matucana220 Huachipa60 Nana60 Huampani60 Moyopampa60 Salamanca60 Balneario220 Puente60 San Juan220 SantaRosa60 SantaRosa220 Independe220 Ica220 Pomacocha220 HuancaveIi220 Mantaro220 Pachachac220 Huayucach220 Marcona220 Oroya50 Oroya220 PZinc50 Vizcarra220 CH Oroya CH Malpaso Oroya138 Caripa138 Carhuamay138 TingoMari220 Aguaytia220 Huanuco138 Paragsha220 Excelsior50 Talara220 T Piura220 Socabaya MillSite138 Botiflaca138 LHeroes220 Tomasiri66 IloSPCC138 C.Ilo138 Santuari138 Callali138 Tintaya138 Ayaviri138 Azangaro138 Juliaca 1414 Puno138 Combapata138 Quencoro138 Dolorespata138 Cachimayo138 Abancay138 Carhuamayo50 Toquepala138 Aricota138 CerroVerd138 Mollendo138 Yaupi Yuncan138 Socabaya138 Moquegua138 Aricota66 Charcani V Charcani I, II, III Taparachi Bellavista CT Ilo 1 CT Ilo 2 Huallanca138 Repartici138 Ilo2 220 Zorritos220 220 kV 138 kV 60/50 kV Cotaruse220 Cantera220 Chilca220 Pucallpa138 Arcata CH Mantaro Restitucion Independen Pisco CT Santa Rosa Huinco CT Ventanilla Oquendo CH Matucana Purmacana CT Trujillo
Cañon del Pato
Pariac Santa Cruz 1 y 2 Gallito Ciego
Malacas Curumuy Poechos 1 CT Piura
Yarinacocha CT Aguaytia CH Yuncan OroyaCH50 Shougesa Kallpa CH Moyopampa CH Huampani CH Callahuanca 2701 1342 1386 2702 1314 1301 1302 Balneario60 1303 1306 Callahuanc60 1307 1308 Carhuamay220 1309 1310 1312 1313 1315 1316 1317 Guadalupe60 1318 1319 1320 1321 1322 1323 1324 1325 1326 1327 Malpaso50 1328 1329 1330 1331 1332 1333 1334 1335 1336 1337 Paragsha138 1338 1339 Paragsha50 1340 1341 1343 1372 1344 1346 1345 1347 1348 1349 1350 1703 1353 TingoMari1381352 1354 1355 1356 1357 Yuncan220 1361 1358 Aguaytia138 1359 1360 1362 Chimbote138 1363 Pucallpa601364 1365 Piura60 1341 1402 1403 1404 1405 1406 1407 1425 1408 1409 1410 1411 1412 Desierto220 1375 1373 1416 1417 Moquegua220 1418 1419 Puno220 1420 1421 1422 1423 1424 1426 LHeroes66 1472 1428 1429 1430 1431 1433 1434 1436 Ccondorcc138 1366 Ccondorcc44 1367 2703 2704 2705 2708 2880 2709 2710 2881 2711 2864 2712 2865 2866 2715 2867 2717 2868 2719 2723 2724 2725 2869 2727 2728 2870 2730 2731 2732 2733 2734 2871 2736 2737 2738 2739 2872 2741 2743 2744 2745 2746 2751 2749 2750 2748 2752 2754 2758 2760 2759 2761 2762 2764 2765 2766 2767 2768 2770 2772 2773 2775 2777 2778 2779 2780 2782 2873 2874 2785 2875 2788 2802 2790 2791 2794 2795 2796 2797 2798 2799 2801 2789 2803 2850 2804 2805 2851 2876 2809 2810 2811 2812 2813 2814 2815 2816 2817 2819 2852 2820 2821 2822 2823 2824 2825 2826 2830 2828 2827 2831 2834 2835 2835 2836 2836 2838 2839 2840 2841 2842 2843 2844 2845 2846 2847 2848 2849 2854 2877 2857 2858 2859 2878 2879 2860 2861 2862 2707 2742 LEYENDA 2706 2863 CT Mollendo Poechos 2 3106 LaNiña220 1673 Concococha220 1380 2883 2884 2747 2890 Huinco220 1489 3058 3057 2882 2753 2720 CT Paramonga Roncador Chilca Platanal CH Oroya Pachachaca Carpapata Elor Chimay Yanango La Joya Chilina CH Aricota 1 y 2 2945 Independe60 1474 2948 2946 2947 Chillon220 1674 Chillon60 1675 Zapall60 1677 Chavarria60 2 1685 Naranj60 1678 Oquend60 1679 Miron60 1680 Barsi60 1681 Barsi220 1682 Las Flores 2952 2953 3165 2955 2957 2959 2956 2958 2960 2954 2961 2962 2950 2951 San Juan60 1683 Chilca60 1690 3170 Caj Nor220 1693 3169 3168 Kym Ayll220 1692 Kym Ayll138 1691 3167 3180 3171 ChilcaN500 1697 3173 3172 Carabayll500 1696 Carabayll220 1695 3178 3179 Planicie220 1694 3174 3175 3176 3177 2949 3164 ChilcaN220 1698 3181 3182 Cahua 3184 StaAni60 1699 3183 VSalv60 XXXX Pachac60 XXXX Lurin60 XXXX LPrads1 60 XXXX LPrads2 60 XXXX SBarto60 XXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX 500 kV 2722 2818 Charcani VI Charcani VI Conver138 XXXX Conver33 XXXX PqInd33 XXXX Jesus33 XXXX Socabaya33 XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX 33 kV Chavarria60 1 1676 3185 PEX 138 1701 3186 TRUJILLO138 1702 CT Chimbote Talara220 1351 3187 3188 CERVER 1704 Charcani I, II, III Chilina Charcani VI Charcani IV
Item Barras-NCP TIPO 1 ABANCAY138 BARRA-CARGA 2 ARICOTA66 BARRA-CARGA 3 AYAVIRI138 BARRA-CARGA 4 AZANGARO138 BARRA-CARGA 5 BALNEARIO60 BARRA-CARGA 6 BARSI60 BARRA-CARGA 7 BOTIFLACA138 BARRA-CARGA 8 C.ILO138 BARRA-CARGA 9 CACHIMAYO138 BARRA-CARGA
10 CAJ NOR220 BARRA-CARGA
11 CALLAHUAN220 BARRA-CARGA 12 CALLAHUANC60 BARRA-CARGA 13 CALLALI138 BARRA-CARGA 14 CANTERA220 BARRA-CARGA 15 CARHUAMAYO50 BARRA-CARGA 16 CARHUAQUE220 BARRA-CARGA 17 CERROVERD138 BARRA-CARGA 18 CERVER BARRA-CARGA 19 CHAVARR60 1 BARRA-CARGA 20 CHAVARRIA220 BARRA-CARGA 21 CHICLAYO220 BARRA-CARGA 22 CHILCA220 BARRA-CARGA 23 CHILCA60 BARRA-CARGA 24 CHILCAN220 BARRA-CARGA 25 CHILCAN500 BARRA-CARGA 26 CHIMBOTE138 BARRA-CARGA 27 COMBAPATA138 BARRA-CARGA 28 CONDORCOC44 BARRA-CARGA 29 CONOCOCHA220 BARRA-CARGA 30 COTARUSE220 BARRA-CARGA 31 DESIERTO220 BARRA-CARGA 32 DOLORESPA138 BARRA-CARGA 33 EXCELSIOR50 BARRA-CARGA 34 GUADALUPE60 BARRA-CARGA 35 HUACAVELI220 BARRA-CARGA 36 HUACHIPA60 BARRA-CARGA 37 HUACHO220 BARRA-CARGA 38 HUALLANCA138 BARRA-CARGA 39 HUANUCO138 BARRA-CARGA 40 HUAYUCACH220 BARRA-CARGA 41 HUINCO220 BARRA-CARGA 42 ICA220 BARRA-CARGA 43 ILO2 220 BARRA-CARGA 44 ILOSPCC138 BARRA-CARGA 45 INDEPENDE220 BARRA-CARGA 46 INDEPENDE60 BARRA-CARGA 47 JULIACA138 BARRA-CARGA
48 KYM AYLL138 BARRA-CARGA
49 LHEROES66 BARRA-CARGA 50 LLNINA220 BARRA-CARGA 51 LPRADS160 BARRA-CARGA 52 LPRADS260 BARRA-CARGA 53 LURIN60 BARRA-CARGA 54 MACCHUPIC138 BARRA-CARGA 55 MACHALA BARRA-CARGA 56 MANTARO220 BARRA-CARGA 57 MARCONA220 BARRA-CARGA 58 MILLSITE138 BARRA-CARGA 59 MIRON60 BARRA-CARGA 60 MOLLENDO138 BARRA-CARGA 61 MOQUEGUA220 BARRA-CARGA 62 MOYOPAMPA60 BARRA-CARGA 63 NANA60 BARRA-CARGA 64 NARANJ60 BARRA-CARGA 65 OQUEND60 BARRA-CARGA 66 OROYA50 BARRA-CARGA 67 PACHAC60 BARRA-CARGA 68 PARAGSHA138 BARRA-CARGA 69 PARAGSHA50 BARRA-CARGA 70 PARAMONUE220 BARRA-CARGA 71 PEX 138 BARRA-CARGA 72 PIURA60 BARRA-CARGA 73 POMACOCHA220 BARRA-CARGA 74 PUCALLPA60 BARRA-CARGA 75 PUENTE60 BARRA-CARGA 76 PUNO138 BARRA-CARGA 77 PUNO220 BARRA-CARGA 78 PZINC50 BARRA-CARGA 79 QUENCORO138 BARRA-CARGA
82 SALAMANCA60 BARRA-CARGA
83 SAN JUAN60 BARRA-CARGA
84 SANCAMIL500 BARRA-CARGA 85 SANTAROSA60 BARRA-CARGA 86 SANTUARI138 BARRA-CARGA 87 SBARTO60 BARRA-CARGA 88 SOCABAYA138 BARRA-CARGA 89 SOCABAYA220 BARRA-CARGA 90 TALARA13KV BARRA-CARGA 91 TINGOMARI138 BARRA-CARGA 92 TINTAYA138 BARRA-CARGA 93 TINTAYA220 BARRA-CARGA 94 TOMASIRI66 BARRA-CARGA 95 TOQUEPALA138 BARRA-CARGA 96 TRUJILLO138 BARRA-CARGA 97 VENTANILL220 BARRA-CARGA 98 VIZCARRA220 BARRA-CARGA 99 VSALV60 BARRA-CARGA 100 YUNCAN138 BARRA-CARGA 101 ZAPALL60 BARRA-CARGA 102 ZORRITOS220 BARRA-CARGA
103 AGUAYTIA138 BARRA-SIN CARGA
104 AGUAYTIA220 BARRA-SIN CARGA
105 ARICOTA138 BARRA-SIN CARGA
106 BALNEARIO220 BARRA-SIN CARGA
107 BARSI220 BARRA-SIN CARGA
108 CARABAYLL220 BARRA-SIN CARGA
109 CARABAYLL500 BARRA-SIN CARGA
110 CARHUAMAY138 BARRA-SIN CARGA
111 CARHUAMAY220 BARRA-SIN CARGA
112 CHAVARR60 2 BARRA-SIN CARGA
113 CHILLON220 BARRA-SIN CARGA
114 CHILLON60 BARRA-SIN CARGA
115 CHIMBOTE500 BARRA-SIN CARGA
116 CONDORCC138 BARRA-SIN CARGA
117 GUADALUPE220 BARRA-SIN CARGA
118 HUAMPANI60 BARRA-SIN CARGA
119 HUARANGAL60 BARRA-SIN CARGA
120 KYM AYLL220 BARRA-SIN CARGA
121 LHEROES220 BARRA-SIN CARGA
122 MOQUEGUA138 BARRA-SIN CARGA
123 OROYA138 BARRA-SIN CARGA
124 OROYA220 BARRA-SIN CARGA
125 PACHACHAC220 BARRA-SIN CARGA
126 PARAGSHA220 BARRA-SIN CARGA
127 PIURA220 BARRA-SIN CARGA
128 PLANICIE220 BARRA-SIN CARGA
129 POMACOCH220A BARRA-SIN CARGA
130 PUCALLPA138 BARRA-SIN CARGA
131 SAN JUAN220 BARRA-SIN CARGA
132 SANTAROSA220 BARRA-SIN CARGA
133 TALARA220 BARRA-SIN CARGA
134 TALARA220 T BARRA-SIN CARGA
135 TINGOMARI220 BARRA-SIN CARGA
136 TRUJILLO220 BARRA-SIN CARGA
137 TRUJILLO500 BARRA-SIN CARGA
138 YUNCAN220 BARRA-SIN CARGA
ELECTRICA
El flujo energético de nuestro país viene representado por un diagrama de tipo Sankey, en valores anuales y en unidades comunes Terajulios (TJ). En éste se puede visualizar la evolución de los energéticos primarios, la transformación y el consumo sectorial nacional. A continuación se presentan las estadísticas más representativas del balance energético nacional al 2012, en relación a la electricidad comparada por fuentes y por tipos de consumo:
Consumo Final de Energía por Fuentes Energéticas
Evolución del consumo de energía-Sector Residencial y Comercial
Evolución del consumo de energía-Sector Minero Metalurgico
Evolución del consumo de energía-Sector Transporte
4
CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN LA ELECCION DE
MOTORES TERMICOS PARA GENERACION TERMOELECTRICA
4.1. EL MOTOR TERMICO PARA GENERACION ELECTRICA
Una central termoeléctrica, denominada también planta de generación termoeléctrica o simplemente central térmica o planta térmica, lo conforma el conjunto de generación eléctrica desde el sistema de alimentación de combustible, hasta la producción de electricidad en bornes del sistema generador eléctrico.
La máquina térmica o motor térmico es el elemento neurálgico de una central termoeléctrica, en donde la energía térmica del fluido caloportador se expande produciendo trabajo mecánico en su eje, desde donde es aprovechado por el generador eléctrico para producir electricidad.
4.2. CLASIFICACION GENERAL
Los motores térmicos que accionan una central termoeléctrica, se pueden clasificar de la forma siguiente:
a. Turbomáquinas térmicas. Existen dos grandes tipos:
Turbina a gas. Conforma a una central turbogas: set turbogas
Turbina a vapor. Conforma a una central turbovapor: set turbovapor
Uso combinado de turbinas a gas y turbinas a vapor. Conforma a una central de ciclo combinado
b. Motores de combustión interna reciprocantes
Motores Diesel. Son motores de pistón que se alimenta de combustible Diesel
Motores de gas. Son motores de pistón que se alimenta de combustible gas natural
4.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y TIPOS
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA A GAS
Es una turbomáquina motriz (rotodinámica) compuesta por un sistema rotórico, en el que los gases producto de la combustión se expanden e intercambian su momento de cantidad de movimiento, produciendo así potencia mecánica en su eje
Esquema de componentes de una turbina a gas
Esquema de corte de una turbina a gas PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA A VAPOR
Es una turbomáquina motriz (rotodinámica) compuesta por un sistema rotórico, en el que el vapor se expande e intercambia su momento de cantidad de movimiento, produciendo así potencia mecánica en su eje
La turbina de vapor está dividida por un determinado número de escalonamientos,
el rotor está compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por cada
escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al
eje de la turbina.
Unión eje- alabes de rotor de una turbina de vapor
Ilustración de una turbina de vapor seccionada
TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR
Una forma de clasificación de las turbinas de vapor puede considerarse haciendo
referencia al movimiento de la corriente de vapor dentro de cuerpo de la turbina.
Según este criterio existen dos tipos:
Radiales. La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al
eje de la turbina
Axiales. La circulación de vapor transcurre paralelamente al eje de la
turbina.
Turbina de vapor axial, vista de un escalonamiento
PRINCIPIO DE UN MOTOR DIESEL
Es una máquina motriz compuesta de un sistema cilindro-pistón, en el que los gases producto de la combustión se expanden produciendo un trabajo de desplazamiento lineal, convertido a rotativo bajo un sistema biela-manivela, produciendo así potencia mecánica en su eje
Dependiendo de la potencia de requerimiento, la eficiencia de funcionamiento o la economía de combustible a diferentes condiciones de carga, cada motor primario tiene su campo de influencia, tal como se puede apreciar en las siguientes gráficas características de las diversas firmas fabricantes actuales:
Comparación de rendimientos por tipo de motor térmico, en función de la potencia de salida
Comparación del consumo específico de combustible por tipo de motor térmico y porcentaje de carga
El costo de generación eléctrica, es uno de los parámetros fundamentales para determinar la conveniencia técnico-económica de instalación de un tipo de planta de generación eléctrica.
A manera de ejemplo, a continuación se presenta la estructura de costos de una central termoeléctrica Diesel actual de 3.6 MW.
Considerando los siguientes datos de entrada
Precio del combustible (fuel pesado, con un poder
calorífico de 42.700 kJ/kg) 155 USD/tn
Aceite lubricante 1.752 USD/tn
Piezas de desgaste en el periodo indicado 726.458 USD Costos de operación y mantenimiento 583.940 USD
Consumo de fuel pesado 210 g/kw/h
Consumo de aceite lubricante 2,97 kg/hora Horas de funcionamiento de la planta, anual 8.000 horas
Factor de carga, funcionamiento medio 90%
kWh producidos al año 28.800.000 kWh
Se tiene la siguiente tabla de resultados:
Costos de lubricante 0.00144 USD/kWh
Costos de repuestos 0.00252 USD/kWh
Costos de operación y mantenimiento 0.00202 USD/kWh Total costos de mantenimiento 0.00598 USD/kWh Costos de combustible 0.03255 USD/kWh Total costos de operación 0.03853 USD/kWh
Supuesto un costo de 2.800.000 USD para una planta de estas características, y su depreciación en 10 años
Costos de la inversión 0.00972 USD/kWh Costos totales de operación, incluyendo la
5
CICLOS TERMODINAMICOS REALES DE CENTRALES
TERMOLECTRICAS
En la generación de electricidad a gran potencia, existen dos grandes tipos de ciclos termodinámicos reales (denominados ciclos de potencia), con sus arreglos correspondientes, que gobiernan la transformación de la energía térmica en electricidad:
Ciclo Rankine y sus arreglos (regeneración o precalentamiento de agua de alimentación, recalentamiento y sobrecalentamiento de vapor)
Ciclo Joule-Brayton abierto y sus arreglos (regeneración o calentamiento del aire a la salida del compresor y, recalentamiento intermedio de gases, inyección de vapor a la cámara de combustión)
El límite termodinámico para obtener la máxima eficiencia en cualquiera de estos arreglos, es el Ciclo de Carnot
Caliente Frío Carnot
T
T
1
En la figura siguiente se presenta una comparación entre el rendimiento de Carnot y los rendimientos de los diversos ciclos de potencia
Con el objetivo de transmitir el conocimiento teórico-práctico de las centrales termoeléctricas de vapor, se presenta estudios de caso de Centrales Termoeléctricas de vapor más importantes del Perú.
En este sentido, a continuación se presenta el comportamiento termodinámico de la Central Termoeléctrica Ilo 21, que conforma una de las centrales turbovapor de mayor capacidad de generación en el Perú, con potencia nominal de 125 MW.
Comparación del rendimiento de Carnot y el rendimiento de ciclo de la Central Termoeléctrica Ilo 21, en función de la temperatura máxima de aprovechamiento
Esquema ilustrativo de la C T Ilo 21
Diagramas del ciclo termodinámico temperatura-entropía (T-s) y entalpía-entropía (h-s)
CICLO COMBINADO, TURBOGAS-TURBOVAPOR
Una central termoeléctrica de ciclo combinado se caracteriza por su doble aprovechamiento térmico en la generación de potencia, set turbogas y set turbovapor, y constituye así el arreglo mas evolucionado de las centrales termoeléctricas.
A continuación se presenta el esquema referencial de este tipo de sistemas de generación eléctrica.
1. Conjunto turbogas.
2. Bypass de flujo de gas de escape de la T.G. 3. Caldera recuperadora
4. Evaporador de baja presión 5. Economizador de alta presión 6. Evaporador de alta presión 7. Sobrecalentador de alta presión 8. Calderín de baja presión
9. Bomba de circulación de baja presión 10. Calderín de baja presión
11. Bomba de circulación de alta presión
12. Tanque de alimentación de agua - desaereador 13. Bomba de alimentación de baja presión
16. Condensador
17. Bomba de condensado
18. Bypass de vapor a alta presión 19. Bypass para exceso de vapor
20. Estación reductora para redistribución de vapor
En el diagrama temperatura-entropía siguiente se identifica los procesos térmicos:
I. Circuito de gas 1 – 2 : Compresión. 2 – 3 : Cámara de Combustión 3 – 4 : Expansión en la turbina 4 – 5 : Caldera recuperadora. 5 – 1 : Flujo de chimenea II. Circuito de vapor
6 – 7 : Economizador. 7 – 8 : Evaporador. 8 – 9 : Sobrecalentador.
9 – 10 : Expansión en turbina de vapor 10 – 11 : Condensador
6 CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR
Con el objetivo de estudiar las características técnicas del las C.T. a vapor, su configuración térmica, sus componentes, sus parámetros de funcionamiento y evaluación de costos de generación, se toma como referencia la Central Termoeléctrica a vapor Ilo 21
6.1 CONFIGURACION DE LA CENTRAL
La Central Termoeléctrica ILO21 está ubicada en el kilómetro 25 de la Carretera Costanera Sur en la Zona denominada “Loma la Buitrera Pampa de Palo”, provincia de Ilo, departamento de Moquegua. El terreno para la unidad tiene una altitud de 25 m.s.n.m. Actualmente está constituida por una Unidad de 135 MW de potencia nominal (125 MW de potencia neta) constituidos por una turbina y una caldera que emplea carbón como combustible principal y diesel 2 como combustible alternativo y para arranques. Adicionalmente se incluye:
- Un muelle para la descarga de carbón de 1,250 metros de longitud. - Un cabezo de muelle para soportar dos grúas descargadoras de carbón. - Dos canchas para almacenamiento de carbón (2 x 100 000 toneladas) - Sistema de equipos y fajas para el transporte y manejo del carbón.
- Una estación de toma y bombeo de agua de mar para el enfriamiento de las unidades.
- Dos tuberías sifón (Ø 2.2m por 750 m de longitud) para captar agua de mar. - Dos plantas de agua desalinizada.
- Una planta de agua desmineralizada. - Una planta de producción de agua potable. - Una planta de tratamiento de aguas servidas.
- Un sistema de extracción y manejo de escorias y cenizas. - Sistema cerrado de agua de enfriamiento.
- Sistema de aire comprimido.
- Sistema de protección contra incendio.
- 01 tanque para el almacenamiento de diesel (5 000 m3). - 02 tanques para almacenar agua desalinizada (2 x 2 600 m3) - 01 tanque para almacenar agua desmineralizada (1 500 m3) - 01 tanque para almacenamiento de agua potable (150 m3) - Subestación tipo GIS (Gas Insulated Switchgear) en 220 kV. - Edificio administrativo, talleres y almacenes.
Ubicación de la Central TE a carbón Ilo 21
Turbina Transformador de Potencia Fabricante Hitachi Fabricante Meidensha Corporation
Tipo De condensación, tandem compuesta con Tipo de enfriamiento ONAN/ONAF/ODAF recalentamiento y doble flujo en el escape. Potencia 102/136/169 MVA
Potencia 135 MW Número de fases 3
Velocidad 3,600 rpm Frecuencia 60 Hz
Presión de Vapor 16.67 MPa (a) Alto Voltaje 220 kV
Temperatura de vapor 538°C Bajo Voltaje 17 kV
Presión de salida 4.5 kPa (a) Taps 220 kV ± 10 x 1.0% (21 taps)
Gobernador Digital - Electro - Hidráulico. Conexión YNd11
Horas de operación 8000 horas anuales
Número de arranques Frio : 10 por año (50 horas de parado) Planta Desalinizadora
Caliente: 30 por año (8 horas de parado) Fabricante Entropie
2 operaciones en isla por año Tipo MED 2 - destilación multi efecto (2 trenes)
Capacidad 1300 m3/día/tren
Condensador Consumo de vapor 9.1 t/h a 14 bar (g)
Tipo Carcasa simple, dos pases. TDS 10 mg/l (Sólidos Disueltos)
Area de superficie 6,480 m2. Conductividad 20 µS/cm. a 25°C
Presión 4.5 kPa (a)
Carga de calor 562 GJ/h Planta Desmineralizadora Flujo de agua de mar 15,700 m3/h Fabricante Organo Corporation
Material tubos Titaneo Tipo Mixed Bed Polisher (2 trenes)
Número de tubos 6476 Capacidad 600 m3/día/ tren
Diámetro de tubos 28.58 mm
Planta de Agua Potable Generador Eléctrico Fabricante Organo Corporation
Fabricante Hitachi Tipo Por Inyección de Cloruro ( 2 trenes)
Capacidad 169MVA Capacidad 72 m3/día/tren
Voltaje 17.0 kV ± 5%
Factor de Potencia 0.8 Planta de Tratamiento de Aguas Servidas Frecuencia 60 Hz Fabricante UNIDRO
Polos y fases 2 fases y 3 polos Capacidad 550 m3/día
Componentes de la Central Termoeléctrica a vapor Ilo 21
El carbón llega a la central por medio de barcos autodescargables de hasta 50 000 toneladas de desplazamiento (1). Los barcos atracan junto a la plataforma de descarga (2), donde sus grúas retiran el carbón de las bodegas de la nave y lo vierten en las tolvas que lo distribuyen sobre la faja transportadora (antes del terremoto del 23 de junio de 2001 se contaba con dos grúas canguro en el muelle para realizar la descarga). Una segunda faja transportadora (3) conduce el carbón a lo largo del muelle hasta las canchas donde es distribuido por medio del apilador (4) para formar pilas de carbón. El carbón es recogido de la cancha por dos recuperadores semiautomáticos (5), estos utilizan una banda de paletas, recogen el carbón de la pila y lo depositan sobre fajas transportadoras, las que lo conducen hasta los silos de almacenamiento (6). Esta operación de cargado de silos se realiza todos los días.
El carbón cae desde los silos hasta el alimentador (7) y, luego, al pulverizador (8) donde es triturado hasta convertirse en polvo.
Un ventilador de tiro forzado (9) provee el aire necesario para el proceso de combustión, mientras que el ventilador de aire primario provee el flujo de aire (10) requerido para el transporte de las partículas de carbón desde el pulverizador hasta los quemadores (12), donde las partículas se encienden formando la llama en el hogar (13).
Como combustible de emergencia y para el arranque de la unidad se tiene el Diesel (11). Este es almacenado en un tanque de 5000m3 de capacidad y bombeado hacia los quemadores manteniendo una presión constante de diesel para su utilización inmediata. Características del petróleo Diesel 2
Especificaciones Prueba ASTM Valores en Tanque
Minimo Máximo Total Cenizas ppm D-482 20
Gravedad API @ 60ºF D-287 34
Apariencia, Color ASTM 3
Residuo de Carbón % peso D-524 0.012
Punto de Nebulosidad ºC D-2500 -4
Indice de Cetano D-4737 45
Número de Cetano D-618 50
Corrosión por Cobre D-130 3
Temperatura de Destilación 50% ºC D-86 256 90% ºC D-85 329 Punto de Inflamación ºC D-93 52 Hidrógeno % peso Viscocidad Cinemática Cst (37.8ºC) D-445 1.90 4.1 Lubricidad gm, min D-6073 2800
Poder Calorífico Bajo Btu/lb D-240 18300
Nitrógeno % peso Estabilidad a la Oxidación D-2274 2 Punto de Fusión ºC D-97-93 -7 -18 Sodio + Potasio ppm 4 Gravedad Específica (15.6ºC) D-1298 0.835 0.855 Azufre % peso D-2622 0.5 Vanadio ppm 0.5
Después de formarse la llama en el hogar (13), los gases calientes pasan por el exterior de los tubos del sobrecalentador (21), recalentador (23) y economizador (18), antes de dejar la caldera. Luego, a través de ductos (14) se dirigen al precipitador electrostático (15) donde queda atrapada la ceniza volante y, finalmente, son emitidos a la atmósfera a través de la chimenea (16).
El precipitador electrostático tiene una eficiencia del 99% y constituye uno de los componentes modernos que hacen de la quema de carbón un proceso de combustión limpio acorde a los requerimientos ambientales vigentes.
Los gases calientes transfieren su energía a los tubos del hogar de la caldera (20) por donde circula agua tratada. Esta se evapora en el domo de la caldera (19) y, luego, el vapor formado eleva su temperatura en los tubos del sobrecalentador (21)
6.4 TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA EN MECÁNICA
El vapor sobrecalentado se dirige hacia la turbina de alta presión (22) impulsando los álabes de ésta, con lo cual se consigue el giro de la misma. El vapor con menor presión deja la turbina de alta presión y retorna a la caldera donde vuelve a calentarse en el recalentador (23).
El vapor recalentado se dirige hacia la turbina de media y baja presión (24) donde impulsa los álabes de éstas, convirtiendo la energía térmica en energía mecánica, la cual se transmite por el eje de la turbina. En la última etapa, el vapor saliente de la turbina de baja presión, cambia a estado líquido en el condensador (25) que emplea como medio enfriador agua de mar.
El condensado obtenido, en la caja del condensador (25), es bombeado hacia el desaereador pasando por tres calentadores de baja presión, del desaereador es bombeado hacia la caldera pasando por tres calentadores de alta presión, a través de la tubería de agua de alimentación (17) ingresando por el economizador (18), completando así este ciclo.
6.5 TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ELÉCTRICA
Acoplado al eje de la turbina se encuentra el generador eléctrico (30), donde la energía mecánica se convierte en energía eléctrica, con un voltaje de 17 kV. Esta energía eléctrica eleva su voltaje en el transformador principal (31) hasta 220 kV, para poder viajar por dos líneas de transmisión (32) hacia la sub estación de Moquegua y de allí a los centros de consumo
6.6 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
El agua de mar, que se emplea como medio enfriador para el condensador, se obtiene por medio de un tubo sifón (27), que la descarga en la poza de captación (33), donde es bombeada (28) hacia el condensador, para finalmente ser descargada al mar (29).
Sistema de toma de agua de mar
Asimismo, de la poza de captación (33) se bombea agua de mar (34) hasta la planta desalinizadora (35). El agua desalinizada se almacena en dos tanques (36), y de allí es conducida a la planta desmineralizadora (37) donde se produce agua sin sales ni minerales. El agua desmineralizada es almacenada en un tanque (38) y de allí es inyectada al condensador a través de una línea de reposición.
Esquema del tratamiento de agua
Durante la operación de la caldera se producen purgas; las cuales se realizan a través del tanque de "BlowDown" (39). Estas purgas junto con los drenajes industriales de la planta y desagues de las instalaciones, se conducen hasta la planta de tratamiento de aguas servidas (40), y el agua tratada resultante de esta planta se utiliza en el sistema de forestación (41) alrededor del terreno de la Central Termoeléctrica Ilo2.
Los arreglos y construcciones de las turbinas a vapor para generación de potencia eléctrica, fundamentalmente varían según el nivel de potencia a generar, al grado de reacción y a la presión del vapor a la salida de la turbina.
Para generación en grandes potencias las turbinas de vapor son de condensación, y para bajas potencias son de contrapresión.
Sección de una T.V. de condensación
T.V. de condensación de dos cuerpos y dos flujos de baja presión (BP)
Esquema de la Central Turbovapor de condensación Ilo 21, conformado por tres cuerpos: AP, MP y BP
