Estudio de la explotación actual y futura de la central eléctrica UEB Cayo Santa María con motores de combustión interna utilizando combustible fuel oil

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ing. Mecánica e Industrial Centro de Estudios Energéticos y Tecnología Ambiental (CEETA).. TRABAJO DE DIPLOMA. Estudio de la explotación actual y futura de la Central Eléctrica UEB Cayo Santa María con motores de combustión interna utilizando combustible fuel oil.. Autor: Est. Lázaro Adrian Concepción Acosta. Tutor: MSc. Reinaldo Martínez Martínez Cotutor: Ing. Reniel Estrada Yanes. Santa Clara 2017.

(2) DEDICATORIA.. A todos mis familiares, en especial al incondicional apoyo y gran esfuerzo de mis abuelos, también a mi tutor Reinaldo Martínez Martínez que supo motivar mis intereses, para así poder superarme y esforzarme y a todos los que de una forma u otra brindaron su apoyo para lograr la realización de este trabajo de diploma..

(3) Mis sinceros agradecimientos:. En especial a mis abuelos que sin ellos me hubiera sido muy difícil llegar hasta este final, a toda mi familia por creer en mí, a mi tutor Reinaldo Martínez Martínez y cotutor Reniel Estrada Yanes, a todos mis amigos y compañeros por su apoyo, a todas aquellas personas que por algún motivo dejaron de formar parte de mi vida y a todos los profesores por permitirme adquirir los conocimientos necesarios para brindar mi apoyo desinteresado,. como. futuro. trabajador,. de. esta. revolución.. Muchas Gracias..

(4) Resumen En este trabajo se hizo un resumen del estado del arte donde se expone el concepto y definición de lo que es la Generación Distribuida, se destaca los beneficios inherentes que trae consigo para los usuarios y para el suministrador; se hace referencia a los Grupos Electrógenos como una tecnología que se ha ido introduciendo en la concepción de la Generación Distribuida y los beneficios que esta brinda en Cuba. Se definen los conceptos de contaminación ambiental y atmosférica, se analiza la incidencia sobre el medio ambiente del fuel oil como combustible utilizado para la generación de energía eléctrica con motores de combustión interna. Se realiza un resumen del cálculo térmico, balance térmico y trazado de curva de MCI. Se describe la explotación actual y futura de la Central Eléctrica UEB Cayo Santa María con motores de combustión interna de fuel oil y se estudian los principales parámetros de explotación de estos motores. También se determina la producción de lodo y aguas oleosas actuales y futuras provenientes de la centrifugación del fuel oil. Se confecciona un algoritmo de cálculo mediante el software MATLAB capaz de realizar el cálculo térmico de un motor..

(5) Abstract In this work, a summary of the state of the art was presented, where the concept and definition of Distributed Generation is exposed. It highlights the inherent benefits that it brings to users and to the supplier; reference is made to the Generogenic Groups as a technology that has been introduced in the conception of the Distributed Generation and the benefits that it provides in Cuba. The concepts of environmental and atmospheric pollution are defined, the incidence on the environment of fuel oil as fuel used for the generation of electric energy with internal combustion engines is analyzed. A summary of the thermal calculation, thermal balance and MCI curve plot is made. The present and future exploitation of the UEB Cayo Santa María Power Station with internal combustion engines of fuel oil is described and the main operational parameters of these engines are studied. The production of present and future oil and sludge from the centrifugation of fuel oil is also determined. A calculation algorithm is made by MATLAB software capable of performing the thermal calculation of an engine..

(6) Abreviaturas. Centro de Estudios Energéticos y Tecnología Ambiental (CEETA) Generación distribuida (GD) Grupos Electrógenos. (GE). Motores de Combustión Interna (MCI) Ultra violeta (UV) Masa de partículas (MP) Ministerio de Energía y Minas (MINEM) Empresa Constructora de Obras para el Turismo (ECOT) Aguas oleosa (AO) Instituto de Ingenieros Eléctricos (IEEE) Unidad Empresarial de Base (UEB) Unión Eléctrica (UE) Sistema de Generación Electro Energético Nacional (SEN).

(7) Índice Introducción……………………………………………………………………………. Capítulo I: Estado del arte………………………………………………………….. 1. Estado del Arte………………………………………………………………………. 1.1 Generación distribuida………………………………………………………….. 1.1.1 Definición………………………………………………………………………… 1.1.2 Beneficios inherentes de la GD…………...………………………………....… 1.1.3 Grupos Electrógenos…………...………………………………....……………. 1.1.4 Beneficios de la GD en Cuba…………...………………………………....…... 1.2 Contaminación ambiental y atmosférica……………………………...………. 1.2.1 Contaminación ambiental…………...………………………………....………. 1.2.2 Contaminación atmosférica…………...………………………………....…….. 1.3 Incidencias del fuel oil sobre el medio ambiente mediante su utilización en generación de electricidad…………...………………………………………… 1.3.1 Definición del fuel oil……………………………………………………………. 1.3.2 Origen de los componentes tóxicos y peligrosos de la quema del fuel oil………………………………………………………………………………….. 1.3.3 Impactos de los residuos tóxicos y peligrosos sobre el medio ambiente (aguas oleosas y gases de escape)…………………………………………... 1.4 Resumen del cálculo térmico, balance térmico y de las curvas características……………………………………………………………………. 1.4.1 Cálculo térmico…………………………………………………………………... 1.4.2 Balance térmico………………………………………………………………….. 1.4.3 Características exteriores de los MCI………………………………………….. 1 3 4 4 4 5 6 7 8 9 9 10 10 11 12 15 15 21 24. Capítulo II. Descripción actual y futura de la Central Eléctrica UEB Cayo Santa María con motores de combustión interna de fuel oil y 28 estudio de sus principales parámetros de explotación………….. 2.. Descripción actual y futura de la Central Eléctrica UEB Cayo Santa María con motores de combustión interna de fuel oil y estudio de sus principales parámetros de explotación……………………………………………………... 2.1 Descripción de la central eléctrica UEB Cayo Santa María………………… 2.1.1 Datos de la entidad……………………………………………………………… 2.1.2 Descripción de la empresa………………………………………………………. 29 29 29 30. 2.2. Descripción de los motores de combustión interna Hyundai y MAN……….. 31. 2.2.1 Motor Hyundai HIMSEN 9H21/32……………………………………………… 2.2.2 Motor MAN 18V 28/32 S…………………………………………………………. 32 34.

(8) 2.3 Parámetros de recibimiento del aceite y combustible que utilizan los MCI Hyundai y MAN………………………………………………………………….. 2.4 Análisis de los consumos de combustible y aceite…………………………. 2.5 Análisis de la carga de cada motor por mes y año……………………….….. 2.5.1 Determinación del tiempo de trabajo por mes de los MCI Hyundai y MAN en los años 2015 y 2016………………………………………………………... 2.6 Consumos de combustibles futuro……………………………………………… 2.7 Determinación de la producción de lodo actual y futura……………………... 2.8 Descripción y funcionamiento del sistema de tratamiento de las aguas oleosas……………………………………………………………………………. 2.8.1 Descarga del lodo del proceso a los tanques de lodo y pasos……………... 2.8.2 Drenaje de los tanques de Lodo……………………………………………….. 2.8.3 Succión del sobrenadante de la trampa de aguas oleosas MAN, hacia el tanque 1T 037……………………………………………………………………. 2.8.4 Manipulación del esquema montado para la extracción del lodo sobrenadante en la trampa de aguas residuales de la tecnología Hyundai…………………………………………………………………………… 2.8.5 Procedimiento para efectuar la descarga de lodo, hacia la paila ubicada en el descargadero………………………………………………. 35 38 43 45 48 49 50 52 52 53. 55 56. Capítulo III. Confección de una metodología de cálculo en el MATLAB para desarrollar el cálculo térmico y trazar la curva característica de un MCI…………………………………………………………………. 3. Confección de una metodología de cálculo en el MATLAB para desarrollar el cálculo térmico y trazar la curva característica de un MCI…. 3.1 Confección de la metodología de cálculo en el MATLAB…………………… 3.2 Proceso de cálculo mediante el MATLAB para los MCI de fuel oil de la Central Eléctrica…………………………………………………………………. 3.2.1 Cálculo del motor Hyundai……………………………………………………… 3.2.2 Cálculo del motor MAN………………………………………………………….. Conclusiones…………………………………………………………………………... Recomendaciones……………………………………………………………………... Bibliografía……………………………………………………………………………… Anexos……………………………………………………………………………………. 57 58 58 59 59 64 69 70 71 73.

(9) Introducción En el mundo moderno, el desarrollo de un país se mide entre otros elementos por el nivel de electrificación que el mismo posee, debido a que la electricidad es la principal fuente de energía para la realización de la inmensa mayoría de las actividades productivas, económicas, administrativas y de servicios. Una interrupción por breve que sea, provoca considerables trastornos y pérdidas en la producción industrial, en el transporte, las comunicaciones, el sector financiero y en las tareas de la defensa del país. Uno de las primeros métodos que se utilizaron para generar energía eléctrica, fue aprovechando la fuerza del agua en los ríos fundamentalmente, lo que hoy se conoce como hidroeléctricas, otra forma de crear energía es a través de la fuerza del viento, conocida como energía eólica; también el hombre ha ido desarrollando con los avances tecnológicos otras formas de crear electricidad como son: las plantas termoeléctricas y las termonucleares, que son grandes plantas con una gran capacidad de generación y complicado diseño de fabricación. Existen otros métodos de generación aprovechando la energía del sol mediante su luz, para este tipo se utilizan celdas fotovoltaicas o paneles solares y otro método también conocido es aprovechando la fuerza de los motores de combustión interna en los llamados grupos electrógenos. En el 2004, Cuba sufrió una severa crisis en el Sistema de Generación Electro Energético Nacional (SEN), apoyado en aquel entonces en grandes plantas con elevados índices de consumo de combustibles y redes de transmisión y distribución en mal estado técnico, esta situación conllevó al surgimiento de la puesta en marcha de un nuevo programa. El cual consistía en un esquema de generación eléctrica distribuida que emplea la instalación de emplazamientos compuestos por baterías de grupos electrógenos, que operan con diesel o fuel-oil, constituyendo uno de los más profundos cambios conceptuales en esta esfera. Estos GE están distribuidos en dependencia de su potencia y utilidad, a todo lo largo y ancho del país y pueden ser pequeños, medianos o grandes. Los grandes, en su mayoría, están conectados a la red nacional con el fin de apoyar a las. 1.

(10) centrales termoeléctricas en el proceso normal de generación (Calzada et al., 2012). Los primeros emplazamientos instalados en el país trabajan con combustible diesel, a principio del año 2007 se anunció la conclusión oficial del programa de los grupos diesel, los cuales aportaban en conjunto más de 1 300 MW de potencia, y después del 2007 se conformó otro pero de los grupos fuel-oil, con motores Hyundai de procedencia Coreana y MAN de procedencia Alemana (Calzada et al., 2012). En el emplazamiento hotelero Cayo Santa María del municipio de Caibarién se decidió instalar una Central Eléctrica con motores de combustión interna. Esta planta de generación de electricidad la cual se encarga de abastecer a todas las zonas turísticas de este cayo posee dos grupos de generación. Posee un grupo que genera con combustible fuel oil y otro con diesel. El desarrollo de este trabajo se basará fundamentalmente sobre la generación de electricidad de esta Central Eléctrica con motores fuel oil del modelo Hyundai HIMSEN 9H21/32 y MAN 18V28/32 S. Objetivo general: . Estudiar los parámetros principales de explotación actual y futura de la Central Eléctrica UEB Cayo Santa María con motores de combustión interna de fuel oil Hyundai y MAN.. Objetivos específicos: . Analizar el desarrollo de la Generación Distribuida y su aplicación en Cuba. . Describir la Central Eléctrica UEB Cayo Santa María y su equipamiento.. . Describir los motores que trabajan con fuel oil en la UEB y determinar sus principales parámetros de explotación.. . Calcular la producción del lodo y aguas oleosas provenientes de la centrifugación del fuel oil actual y futura.. . Confeccionar una metodología de cálculo en el software MATLAB para desarrollar el cálculo térmico, el trasado de las características de los motores.. 2.

(11) Capítulo I. Estado del Arte.. 3.

(12) 1. Estado del Arte. 1.1. Generación Distribuida. En la actualidad aún no existe una definición rigurosa del concepto de generación distribuida (GD), el cual, de manera general, se refiere a la generación de energía eléctrica mediante instalaciones mucho más pequeñas que las grandes centrales convencionales, y situadas cerca de las instalaciones que consumen esta energía eléctrica que generan.. 1.1.1. Definición. Según la definición del Instituto de Ingenieros Eléctricos (por sus siglas en inglés IEEE), la cual es una de las más conocidas, la Generación Distribuida"... es la generación de electricidad mediante instalaciones que son suficientemente pequeñas en relación con las grandes centrales de generación, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema eléctrico" (Energía, 2014).. Teniendo en cuenta el concepto de GD de algunos autores se podría traducir o clasificar como: • Generación a pequeña escala instalada cerca del lugar de consumo. • Producción de electricidad con instalaciones suficientemente pequeñas en relación con las grandes centrales de generación, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema eléctrico. • Generación conectada directamente a las redes de distribución. • Generación de energía eléctrica mediante instalaciones mucho más pequeñas que las centrales convencionales y situadas en las proximidades de las cargas. • Sistemas de generación eléctrica o de almacenamiento, situados dentro o cerca de los centros de carga. • Producción de electricidad por generadores colocados, o bien en el sistema eléctrico de la empresa, en el sitio del cliente, o en lugares aislados fuera del alcance de la red de distribución.. 4.

(13) • Generación de energía eléctrica a pequeña escala cercana a la carga, mediante el empleo de tecnologías eficientes; destacándose la cogeneración, con la cual se maximiza el uso de los combustibles utilizados.. 1.1.2. Beneficios inherentes de la GD. Los sistemas de la GD han tenido un gran auge y desarrollo en el mundo, esto se debe gracias a los beneficios inherentes de estas tecnologías, tanto para el usuario como para la red eléctrica. A continuación, se mencionan algunos de estos beneficios.. Beneficios para el usuario (Energía, 2014) • Incremento de la confiabilidad. • Aumento de la calidad de la energía. • Reducción del número de interrupciones. • Uso eficiente de la energía. • Menor costo de la energía. • Uso de energías renovables. • Facilidad de adaptación a las condiciones del sitio. • Disminución de emisiones contaminantes. Beneficios para el suministrador (Energía, 2014) • Reducción de pérdidas en transmisión y distribución. • Abasto en zonas remotas. • Libera capacidad del sistema. • Proporciona mayor control de energía reactiva. • Mayor regulación de tensión. • Disminución de inversión. • Menor saturación. • Reducción del índice de fallas.. 5.

(14) 1.1.3. Grupos Electrógenos. Entre las tecnologías que se han ido introduciendo en los sistemas eléctricos con la concepción de la generación distribuida, están los grupos electrógenos que han mostrado una mayor posibilidad de uso por su facilidad de operación, simpleza y seguridad. En la red eléctrica nacional cubana estos han sido utilizados, por lo general, para compensar las interrupciones de energía de las redes de distribución, donde la falta de esta puede causar daños importantes o donde la red eléctrica no está disponible, es insuficiente o no es rentable como por ejemplo: lugares muy apartados o de difícil acceso, donde llevar la electricidad de forma tradicional no es económico por las grandes distancias; islas o pequeños asentamientos en parajes intrincados (Fernández, 2011). De igual manera, el grupo electrógeno se ha convertido en un elemento de extrema necesidad y seguridad en grandes empresas y en todos lugares donde exista una movilidad de personas.. Los GE poseen dos regímenes de funcionamiento: • Grupos de generación o producción • Grupos de emergencia.. De acuerdo a los regímenes de funcionamiento individual estos pueden prestar servicios generando energía eléctrica (Fernández, 2011): • De forma continua durante 24 horas e ininterrumpidamente como generación base. • De forma intermitente para servicios donde es necesario equilibrar los consumos y cubrir picos de consumo. • Como servicio de emergencia, en hospitales, (etc.). Aun cuando la red de alimentación de energía eléctrica en un sistema cualquiera se mantenga en general sin problemas en el servicio, es recomendable la colocación de Grupos Electrógenos en todos los edificios donde existan posibilidades de riesgos personales (policlínicos, hospitales), así como también en. 6.

(15) edificios de más de tres pisos de altura, teatros, clubes y estadios deportivos; lugares donde por su importancia económica o social sea necesario el servicio continuo de electricidad.. De acuerdo a su explotación presentan diferentes modos de operación por ejemplo (Fernández, 2011): • Operación continua a carga constante: Operación del grupo sin tiempo límite tomando en consideración los períodos de mantenimiento. Ejemplo: Operando como carga base en ciclo combinado. • Operación continua a carga variable: Operación del grupo sin tiempo límite tomando en consideración los períodos de mantenimiento. Ejemplo: Cuando el grupo opera en una localización donde no existe otra instalación o donde la alimentación de la instalación existente no es confiable. • Operación limitada a carga constante: Se define como la operación del grupo limitada en tiempo a carga constante. Ejemplo: Cuando el grupo opera en paralelo con alguna instalación o con el sistema durante los períodos de carga pico. • Operación limitada en tiempo a carga variable: Se define como la operación del grupo limitada en tiempo a carga variable. Ejemplo: Cuando el grupo realiza función de soporte básico a una instalación dada (grupo de emergencia) ante la falta de la alimentación a la instalación. 1.1.4. Beneficios de la GD en Cuba La GD ha traído consigo diversas aplicaciones y beneficios en Cuba. En el año 2004 había una capacidad de generación de electricidad de 4 048 MW y solo el 1.58% era aportado por la generación distribuida. Esta capacidad instalada no cubría la demanda, y también existía un alto % de pérdidas en las redes de transmisión y distribución eléctrica (Fernández, 2011). Durante los años 2004 y 2005, se trazaron estrategias con un enfoque integrador y sistemático para solucionar este problema. Se conformó el desarrollo simultáneo. 7.

(16) de más de 20 programas encaminados al uso racional de la energía, manteniendo e incluso incrementando el ritmo económico del país, con el consiguiente ahorro de los portadores energéticos. Todo esto lo realizaron con el fin de reducir la demanda de energía del país. Como primera etapa del desarrollo de la GD mediante MCI en el país, consistió en la instalación de baterías de grupos electrógenos de alta calidad y eficiencia suministrados por firmas prestigiosas. Según datos en dos años se instalaron más de 1 300 MW de potencia por generadores de Grupos Electrógenos Diesel en 116 municipios del país. Posteriormente se dio paso a la instalación de grupos de mayores potencias de tecnología fuel oil HYUNDAI de Corea del Sur y MAN de Alemania, hasta cubrir una capacidad instalada actual de casi 900 MW (Fernández, 2011). Todo este desarrollo e incremento de la generación distribuida mediante MCI diesel y fuel oil trajeron consigo según (Fernández, 2011) diversos beneficios como:  Permitir eliminar los apagones en menos de un año.  Elevar la eficiencia según sus bajos valores de insumos e índices de consumo de combustible.  Reducir las pérdidas de transmisión de electricidad.  Reducción de las pérdidas por eliminación de doble transformación.. 1.2. Contaminación ambiental y atmosférica. La contaminación es un problema mundial que hoy día tiene mucho peso respecto al desarrollo y modernización del hombre. Este es un aspecto el cual siempre se debe tener en cuanta ya que afecta directamente al hombre. A continuación de este epígrafe se habla de los aspectos que más incide en el medio ambiente y la atmósfera como agentes contaminantes.. 8.

(17) 1.2.1. Contaminación ambiental. La contaminación ambiental es la alteración nociva del estado natural de un medio como consecuencia de la introducción de un agente totalmente ajeno a ese medio contaminante, causando inestabilidad, desorden, daño o malestar en un ecosistema, en el medio físico o en un ser vivo. El contaminante puede ser una sustancia química, energía (como sonido, calor o luz), o incluso genes. A veces el contaminante es una sustancia extraña, una forma de energía, o una sustancia natural (Rodríguez, 2002). Es siempre una alteración negativa del estado natural del medio, y por lo general, se genera como consecuencia de la actividad humana. La contaminación puede ser clasificada según el tipo de fuente de donde proviene, por ejemplo:  La contaminación puntual (que es aislada y fácil de identificar) ejemplo: las chimeneas de una fábrica o el desagüe en el río de una red de alcantarillado.  La contaminación lineal (que ocurre a lo largo de una línea) ejemplo: la contaminación acústica, química, y de residuos arrojados a lo largo de una autopista.  La contaminación difusa (que es difícil de ubicar) ejemplo: la contaminación de suelos y acuíferos por los fertilizantes y pesticidas empleados en la agricultura. O por el tipo de contaminante que emite o medio que contamina, por ejemplo: contaminación atmosférica, hídrica, genética, radioactiva, electromagnética, térmica, (etc.).. 1.2.2. Contaminación atmosférica. Se entiende por contaminación atmosférica a la presencia en la atmósfera de sustancias en una cantidad que implique molestias o riesgo para la salud de las personas y de los demás seres vivos, vienen de cualquier naturaleza, así como que puedan atacar a distintos materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables. El nombre de la contaminación atmosférica se aplica por lo general a las alteraciones que tienen efectos perniciosos en los seres vivos y los elementos materiales, y no a otras alteraciones inocuas. Los principales. 9.

(18) mecanismos de contaminación atmosférica son los procesos industriales que implican combustión, tanto en industrias, en automóviles y calefacciones residenciales, que generan dióxido y monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y azufre, entre otros contaminantes. Igualmente, algunas industrias emiten gases nocivos en sus procesos productivos, como cloro o hidrocarburos que no realizan combustión completa (Rodríguez, 2002). La contaminación atmosférica puede tener carácter local, cuando los efectos ligados al foco se sufren en las inmediaciones del mismo, o planetario, cuando por las características del contaminante, se ve afectado el equilibrio del planeta y zonas alejadas a las que contienen los focos emisores. Los contaminantes primarios son los que se emiten directamente a la atmósfera como el dióxido de azufre SO2, que daña directamente la vegetación y es irritante para los pulmones. Los contaminantes secundarios son aquellos que se forman mediante procesos químicos atmosféricos que actúan sobre los contaminantes primarios o sobre especies no contaminantes en la atmósfera. Los contaminantes secundarios más importantes son: el ácido sulfúrico, H2SO4 y el dióxido de nitrógeno NO2 (Rodríguez, 2002). 1.3. Incidencias del fuel oil sobre el medio ambiente mediante su uso en la generación de electricidad con MCI. 1.3.1. Definición del fuel oil. El fuel oil según la grafía recomendada por el diccionario panhispánico de dudas, también llamado en España fuelóleo y combustóleo en otros países hispano hablantes es una fracción del petróleo que se obtiene como residuo en la destilación fraccionada. De aquí se obtiene entre un 30 y un 50% de esta sustancia. Es el combustible más pesado de los que se puede destilar a presión atmosférica. Está compuesto por moléculas con más de 20 átomos de carbono, y su color es negro. El fuel oil se usa como combustible para plantas de energía eléctrica, calderas y hornos.. 10.

(19) El fuel oil se clasifica en seis clases, enumeradas del 1 al 6, de acuerdo a su punto de ebullición, su composición y su uso. El punto de ebullición, que varía de los 175 a los 600 °C; la longitud de la cadena de carbono, de 9 a 70 átomos; y la viscosidad aumentan con el número de carbonos de la molécula, por eso que los más pesados deben calentarse para que fluyan. El precio generalmente decrece a medida que el número de este combustible aumenta. Clases de fuel oil. . Número 1 es similar al queroseno y es la fracción que hierve justo luego de la gasolina.. . Número 2 es el diesel que usan las camionetas y algunos automóviles.. . Número 3 es un combustible destilado que es usado raramente.. . Número 4 es usualmente una mezcla de fuel oil destilado y de residuos, tales como No. 2 y 6; sin embargo, algunas veces es tan solo un fuerte destilado. Puede ser clasificado como diesel, destilado o fuel oil residual.. . Los Número 5 y Número 6 son conocidos como fuel oil residuales (RFO por sus siglas en inglés) o fuel oil pesados y se produce más el No.6.. 1.3.2. Origen de los componentes tóxicos y peligrosos de la quema del fuel oil. Estudios realizados respecto a la incidencia que tiene sobre el medio ambiente el combustible fuel oil al ser utilizado para la generación de energía eléctrica en los GE MAN y Hyundai de la central eléctrica UEB Cayo Santa María permiten conocer como inciden en el medio ambiente. Estos MCI que se explotan en esta empresa, requieren de un combustible de muy alta calidad para obtener parámetros óptimos de combustión, aumentar su vida útil y emisiones de gases de escape menos contaminantes, estas emisiones se consideran como un residuo tóxico. Para lograr la alta calidad del combustible, es necesario someterlo a un proceso de centrifugado o limpieza, con el objetivo de eliminar las impurezas mecánicas, el agua y partículas que se incorporan durante su transportación y almacenamiento.. 11.

(20) En el proceso de centrifugación del combustible diesel o “fuel oil” se genera un residual líquido oleoso producto de los lavados que se realizan con agua a presión, para eliminar las impurezas que se encuentran en el interior de la centrifuga, y también se genera cada una tonelada de combustible centrifugado 10 litros de lodo (Torres, 2011). 1.3.3. Impactos de los residuos tóxicos y peligrosos sobre el medio ambiente (aguas oleosas y gases de escape). Los residuales líquidos oleosos generados en el proceso de centrifugación están compuestos por dos fases fundamentales: fase agua y fase combustible (hidrocarburo) y son considerados como residuos peligroso. Estas aguas oleosas pasan por un tratamiento el cual es explicado en el capítulo siguiente, gran parte de esta es vertido directamente a los mangles con un gran contenido de hidrocarburos de petróleo. Algunas fracciones de ellos flotarán y formarán una capa delgada en la superficie que obstruye la entrada de los rayos solares y restringe el proceso de fotosíntesis, lo que evita la producción natural del oxígeno. La primera comunidad biológica que se afecta como resultado de lo anterior, es el plancton que debido a la toxicidad, muere por asfixia; la misma suerte corre las demás plantas principalmente los mangles, responsables de la producción de alimento y oxígeno para el resto de los animales. Los peces también se ven afectados, pues el hidrocarburo bloquea las estructuras respiratorias y aquellos que. logran. salvarse,. presentan. grados de. contaminación que. tendrían. consecuencias en los animales que se alimentan de ellos y el propio hombre que los consume. Afortunadamente es posible detectar la presencia del hidrocarburo por el olor a petróleo y rechazar su consumo (Martínez, 2016). Estos MCI al quemar el combustible expulsan a la atmósfera gases de escape los cuales son contaminantes para la atmósfera. Estos gases están compuestos básicamente por dos gases: nitrógeno (N2) y oxígeno (02). En un volumen determinado de aire se encuentra una proporción de nitrógeno (N 2) del 79 % mientras que el contenido de oxígeno es aproximadamente de un 21%. El nitrógeno durante la combustión, en principio, no se combina con nada y tal como entra en el cilindro es expulsado al exterior sin modificación alguna, excepto. 12.

(21) en pequeñas cantidades, para formar óxidos de nitrógeno (NOx). El oxígeno es el elemento indispensable para producir la combustión de la mezcla (Martínez, 2016). Descripción de las sustancias que integran los gases de escape (Meganeboy, 2014). . Nitrógeno (N2). El nitrógeno es un gas no combustible, incoloro e inodoro, se trata de un componente esencial del aire que respiramos (78 % nitrógeno, 21 % oxígeno, 1 % otros gases) y alimenta el proceso de la combustión conjuntamente con el aire de admisión. La mayor parte del nitrógeno aspirado vuelve a salir puro en los gases de escape; sólo una pequeña parte se combina con el oxígeno O2 (óxidos nítricos NOx).. . Oxígeno (O2). Es un gas incoloro, inodoro e insípido. Es el componente más importante del aire que respiramos (21 %). Es imprescindible para el proceso de combustión, con una mezcla ideal el consumo de combustible debería ser total, pero en el caso de la combustión incompleta, el oxígeno restante es expulsado por el sistema de escape.. . Dióxido de carbono (CO2). Se produce al ser quemados los combustibles que contienen carbono (p. ej. gasolina, gasoil). El carbono se combina durante esa operación con el oxígeno aspirado. Es un gas incoloro, no combustible. El dióxido de carbono CO2 a pesar de ser un gas no tóxico, reduce el estrato de la atmósfera terrestre que suele servir de protección contra la penetración de los rayos ultra violetas UV (la tierra se calienta). Las discusiones generales entorno a las alteraciones climatológicas (efecto “invernadero“), el tema de las emisiones de CO2 se ha hecho consciente en la opinión pública.. 13.

(22) . Monóxido de carbono (CO). Se produce con motivo de la combustión incompleta de combustibles que contienen carbono. Es un gas incoloro, inodoro, explosivo y altamente tóxico. Bloquea el transporte de oxígeno por parte de los glóbulos rojos. Es mortal, incluso en una baja concentración en el aire que respiramos. En una concentración normal en el aire ambiental se oxida al corto tiempo, formando dióxido de carbono CO2.. . Óxidos nítricos (NOx). Son combinaciones de nitrógeno N2 y oxígeno O2 (p. ej. NO, NO2, N2O). Los óxidos de nitrógeno se producen al existir una alta presión, alta temperatura y exceso de oxígeno durante la combustión en el motor. El monóxido de nitrógeno (NO), es un gas incoloro, inodoro e insípido. Al combinarse con el oxígeno del aire, es transformado en dióxido de nitrógeno (NO 2), de color pardo rojizo y de olor muy penetrante, provoca una fuerte irritación de los órganos respiratorios. Las medidas destinadas a reducir el consumo de combustible suelen conducir lamentablemente a un ascenso de las concentraciones de óxidos nítricos en los gases de escape, porque una combustión más eficaz produce temperaturas más altas. Estas altas temperaturas generan a su vez una mayor emisión de óxidos nítricos.. . Dióxido de azufre (SO2). El dióxido de azufre o anhídrido sulfuroso propicia las enfermedades de las vías respiratorias, pero interviene sólo en una medida muy reducida en los gases de escape. Es un gas incoloro, de olor penetrante, no combustible. Si se reduce el contenido de azufre en el combustible es posible disminuir las emisiones de dióxido de azufre..  Las partículas de hollín MP (masa de partículas). Son generadas en su mayor parte por los motores diesel, se presentan en forma de hollín o cenizas. Los efectos que ejercen sobre el organismo humano son nocivos sobre la salud. Las partículas penetran en los pulmones, los bloquean y evitan el paso del aire, lo cual conlleva al deterioro de los sistemas. 14.

(23) respiratorio y cardiovascular, alteración de los sistemas de defensa del organismo contra materiales extraños, daños al tejido pulmonar, carcinogénesis y mortalidad prematura. El tamaño de estas partículas cuando son a causa de la combustión son menores de 10 µm (acción, 2016). 1.4. Resumen del cálculo térmico, balance térmico y trazado de curvas. A continuación re realiza un resumen de la metodología de cálculo utilizada para realizar el cálculo térmico, balance térmico y trazado de curvas de los MCI de la Central Eléctrica UEB Cayo Santa María. 1.4.1. Cálculo térmico. Mediante este cálculo térmico se permite determinar los parámetros de diseño del ciclo, la potencia del motor, la presión de los gases en el espacio útil del cilindro en función del ángulo de rotación del cigüeñal. Basándose en los resultados del cálculo se pueden determinar las principales dimensiones del motor (diámetro del cilindro, carrera del pistón y potencia) y efectuar un cálculo comprobatorio de sus principales parámetros.. Para realizar este cálculo se necesita una metodología a seguir la cual se da a continuación: Es necesario saber el tipo de combustible que utiliza el motor, la composición másica de este combustible respecto al % carbono C, hidrógeno H, oxígeno O c, su poder calórico inferior Hu en MJ/kg, las rpm del motor (n), número de cilindros (i), relación de compresión (ε), coeficiente de exceso de aire (α), tipo de cámara, tiempos del motor y demás datos que harán falta en el trascurso del desarrollo de esta metodología de cálculo. Estos cálculos se realizan para un kg de combustible. En el anexo I se dan más detalles de esta metodología de cálculo y de cómo hallar todos los coeficientes y datos para el mismo (Jóvaj, 1987).. La cantidad teórica de aire necesaria en kg y kmol para quemar 1Kg de combustible se calcula por las siguientes expresiones (Jóvaj, 1987): 𝟏. 𝟖. 𝐥𝟎 = 𝟎,𝟐𝟑 ∗ (𝟑 ∗ 𝐂 + 𝟖 ∗ 𝐇 − 𝐎𝐜 ) = 𝐤𝐠. (1.1). 15.

(24) 𝟏. 𝐂. 𝐇. 𝐎. 𝐋𝟎 = 𝟎,𝟐𝟎𝟗 ∗ (𝟏𝟐 + 𝟒 − 𝟑𝟐𝐂 ) = 𝐤𝐦𝐨𝐥. (1.2). Donde : C, H, Oc, son el % de carbono, hidrógeno y oxígeno del combustible. La cantidad real de aire en kg y kmol que participa en la combustión de 1Kg de combustible se halla de: 𝛂 ∗ 𝐥𝟎 = 𝐤𝐠 (1.3) 𝛂 ∗ 𝐋𝐎 = 𝐤𝐦𝐨𝐥. (1.4). Donde: α – es el coeficiente de exceso de aire, l0 y L0 son la cantidad real de aire. La cantidad total de mescla fresca será: 𝐆𝟏 = 𝛂 ∗ 𝐥𝟎 = 𝐤𝐠. (1.5). La cantidad total de aire será: 𝐌𝟏 = 𝛂 ∗ 𝐋𝐎 = 𝐤𝐦𝐨𝐥. (1.6). La cantidad total de productos de la combustión para α = 1 (M2 )α=1 se halla por la expresión: 𝐂. 𝐇. (𝐌𝟐 )𝛂=𝟏 = 𝟏𝟐 + 𝟐 + 𝟎, 𝟕𝟗 ∗ 𝐋𝐎 =. 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐤𝐠. (1.7). Por lo que el excedente de aire se calcula por: (𝛂 − 𝟏) ∗ 𝐋𝐎 = 𝐤𝐦𝐨𝐥/𝐤𝐠. (1.8). La cantidad de sustancia de los productos M2 se halla de: 𝐌𝟐 = (𝐌𝟐 )𝛂=𝟏 + (𝛂 − 𝟏) ∗ 𝐋𝐎 = 𝐤𝐦𝐨𝐥. (1.9). Coeficiente teórico de variación molecular será: 𝐌. 𝛍𝐨 = 𝐌𝟐 𝟏. (1.10). Cálculo de los procesos de un MCI Parámetros del proceso de admisión. Para este cálculo se asumen algunos parámetros los cuales se escogen en dependencia del tipo de combustible del motor, tiempo del motor y si está sometido a sobrecarga o no.. 16.

(25) La densidad de la carga en la admisión es: 𝐤𝐠⁄ 𝐦𝟑. 𝐩. 𝛒𝟎 = 𝐑∗𝐓𝟎 = 𝟎. 𝐑𝐚 =. 𝟖𝟑𝟏𝟒 𝛍𝐚. (1.11). 𝐲 𝛍𝐚 = 𝟐𝟖, 𝟗𝟔 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐭𝐚𝐧𝐭𝐞. Donde: To y po son la temperatura y la presión atmosféricas. La presión al final de la admisión pa será: (1.12). pa = 0,85*po=MPa. El coeficiente de gases residuales ɣ𝐫 se calcula mediante la expresión: ɣ𝐫 =. 𝐓𝐨 +∆𝐓. 𝐩. ∗ 𝛆∗(𝐩 𝐫∗𝒑. 𝐓𝐫. 𝐚. (1.13). 𝐫). Donde: ∆T es el incremento de la temperatura en el proceso de calentamiento de la carga, Tr y pr son la temperatura y presión de los gases residuales y ε es la relación de compresión del motor.. La temperatura al final de la admisión Ta será: 𝐓𝐚 =. 𝐓𝟎 +∆𝐓+ɣ𝐫+ 𝐓𝐫 ɣ𝐫+ 𝟏. =𝐊. (1.14). El rendimiento volumétrico 𝒏𝑽 es:. 𝒏𝑽 =. 𝛆 𝛆−𝟏. ∗. 𝐩𝐚 𝐩𝟎. ∗. 𝐓𝟎 𝐓𝐚 ∗(𝟏+𝛄𝐫 ). (1.15). Parámetros del proceso de compresión. Se calcula la presión al final de la compresión 𝐩𝐜 por la ecuación: 𝐩𝐜 = 𝐩𝐚 ∗ 𝛆𝐧𝟏 = 𝐌𝐏𝐚. (1.16). Donde: n1 es el exponente politrópico de compresión. La temperatura al final de la compresión 𝐓𝐜 será: 𝐓𝐜 = 𝐓𝐚 ∗ 𝛆𝐧𝟏 −𝟏 = 𝐊. (1.17). Parámetros al final de la combustión El coeficiente real de la variación molecular 𝛍𝐫 es: 𝛍𝐫 =. 𝛍𝟎 +𝛄𝐫 𝟏+𝛄𝐫. (1.18). 17.

(26) Donde: 𝛍𝟎 – Coeficiente teórico de variación molecular La ecuación de combustión para motores diesel está dada por la expresión siguiente: 𝛆𝐙 ∗ 𝐇𝐔 𝐌𝟏 ∗(𝟏+𝛄𝐫. + ). 𝐔𝐂 +𝛄𝐫 ∗𝐔´´ 𝐂 𝟏+𝛄𝐫. + 𝟖, 𝟑𝟏𝟒 ∗ 𝛌 ∗ 𝐓𝐜 = 𝛍𝐫 ∗ (𝐔 ´´ 𝐙 + 𝟖, 𝟑𝟏𝟒 ∗ 𝐓𝐳 ). (1.19). Donde: 𝛆𝐙 – Coeficiente de aprovechamiento del calor 𝛌 – Grado de elevación de la presión 𝐓𝐳 – temperatura al final de la combustión Por lo que: 𝐔𝐂 - es la energía interna de 1 kmol de aire a la temperatura de compresión y esta dada por la expresión: 𝐔𝐂 = (𝛍𝐜𝐯 )𝐂 ∗ 𝐓𝐂 , en kJ/kmol. (1.20). (𝛍𝐜𝐯 )𝐂 - Es el calor específico molar de los gases de la tabla 6 del Tomo I del Jovaj y se halla con la temperatura Tc en 0C. 𝐔´´ 𝐂 Es la energía interna de 1 mol de productos de la combustión al final del proceso de compresión para α = 1 y se halla por la expresión: 𝐔´´ 𝐂 = (𝐔´´ 𝐂 )𝛂=𝟏 ∗. (𝐌𝟐 )𝛂=𝟏 𝐌𝟐. + 𝐔𝐂 ∗. (𝛂−𝟏)∗𝐋𝐎 𝐌𝟐. (𝐔´´ 𝐂 )𝛂=𝟏 = (𝛍𝐜𝐯 )𝛂=𝟏 ´´ ∗ 𝐓𝐂. (1.21) (1.22). (𝛍𝐜𝐯 )𝛂=𝟏 ´´ Es el calor específico de productos de la combustión tabla 8 del Tomo I del Jovaj y se entra con la temperatura Tc en 0C. Al hallar la temperatura TZ se procede a calcular los otros parámetros de este proceso.. Coeficiente de expansión preliminar de la combustión 𝛒 será:. 𝛒=. 𝛍𝐫 𝛌. ∗. 𝐓𝐙 𝐓𝐂. (1.23). 18.

(27) La presión máxima de combustión será: 𝐩𝐙 = 𝐩𝐜 ∗ 𝛌 = 𝐌𝐏𝐚. (1.24). Donde: Tc y pc son la temperatura y presión al final de la compresión. Parámetros del proceso de expansión El grado de expansión posterior 𝛅 del proceso de expansión se calcula por la expresión: 𝛆. 𝛅=𝛒. (1.25). La temperatura al final de la expansión es: 𝐓. 𝐓𝐛 = 𝛅𝐧𝟐𝐙−𝟏 = 𝐊. (1.26). Donde: n2 – Coeficiente politrópico de expansión La presión al final de la expansión es: 𝐩. 𝐩𝐛 = 𝛅𝐧𝐙𝟐 = 𝐌𝐏𝐚. (1.27). Parámetros principales del ciclo. La presión media indicada del ciclo está dada por la expresión: 𝛆 𝐧𝟏. 𝛌∗𝛒. (𝐩𝐢 )𝐚𝐧 = 𝐩𝐚 ∗ 𝛆−𝟏 ∗ [𝛌 ∗ (𝛒 − 𝟏) + 𝐧. 𝟐 −𝟏. 𝟏. ∗ (𝟏 − 𝛆𝐧𝟐−𝟏 ) − 𝐧. 𝟏 𝟏 −𝟏. 𝟏. ∗ (𝟏 − 𝛆𝐧𝟏−𝟏 )]. (1.28). Teniendo en cuenta el coeficiente de redondeo φi entonces la presión media indicada real será: 𝐩𝐢 = 𝛗𝐢 ∗ (𝐩𝐢 )𝐚𝐧 = 𝐌𝐏𝐚. (1.29). Pérdidas mecánicas La presión indicada que se gasta en vencer la fricción y accionar los mecanismos auxiliares es: 𝐩𝐦 = 𝟎, 𝟏𝟎𝟓 + 𝟎, 𝟎𝟏𝟐 ∗ 𝐯𝐩. (1.30). Donde: 𝐯𝐩 es la velocidad del pistón. La presión media efectiva del ciclo será: 𝐩𝐄 = 𝐩𝐢 − 𝐩𝐦 = 𝐌𝐏𝐚. (1.31). 19.

(28) El rendimiento mecánico será: 𝐩 𝐧𝐦 = 𝐩𝐄. (1.32). El consumo específico indicado de combustible será: 𝐧𝐯 ∗𝛒𝐎 𝐠 𝐢 = 𝟑𝟔𝟎𝟎 𝐏 ∗𝛂∗𝐥 = 𝐠/𝐤𝐖𝐡. (1.33). 𝐢. 𝐢. 𝐎. Donde: 𝛒𝐎 – es la densidad de la carga en la admisión El consumo específico efectivo de combustible será: 𝐠 𝐠 𝐞 = 𝐧 𝐢 = 𝐠/𝐤𝐖𝐡 𝐦. (1.34). El rendimiento indicado del ciclo será: 𝟑𝟔𝟎𝟎. 𝐧𝐢 = 𝐠 ∗𝐇. (1.35). El rendimiento efectivo del ciclo será: 𝐧𝐞 = 𝐧𝐢 ∗ 𝐧𝐦. (1.36). 𝐢. 𝐔. El volumen de trabajo de un cilindro es: 𝐕𝐡 =. 𝐜𝐢𝐥𝐢𝐧𝐝𝐫𝐚𝐝𝐚. (1.37). 𝐢. Donde: i – es el número de cilindros del motor La potencia indicada para un motor de cuatro tiempos 𝐍𝐢 =. 𝐩𝐢 ∗𝐢∗𝐕𝐡 ∗𝐧 𝟏𝟐𝟎. = 𝐤𝐖. (1.38). Donde: n – es la potencia del motor en r.p.m. La potencia que se gasta en pérdidas mecánicas será: 𝐍𝐌 =. 𝐩𝐦 ∗𝐢∗𝐕𝐡 ∗𝐧 𝟏𝟐𝟎. = 𝐤𝐖. (1.39). La potencia efectiva para un motor de cuatro tiempos será: NE = Ni − NM = kW. (1.40). El consumo horario de combustible 𝐠 𝐠 = 𝐠 𝐞 ∗ (𝐍𝐄 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 ) = ⁄𝐡. (1.41). Donde: NE – es la potencia en kW del motor. 20.

(29) 1.4.2. Balance térmico Del análisis del ciclo del motor se desprende que para realizar el trabajo efectivo se consume solamente una pequeña parte del calor que se obtiene al quemar el combustible. Para determinar la tendencia del aprovechamiento de calor y las vías de su mejoramiento, así como los datos necesarios para el cálculo del sistema de enfriamiento, se debe establecer en qué se gasta el calor introducido al motor. Con este fin al investigar el motor se determinan las componentes separadas del balance térmico en función de los diferentes parámetros que caracterizan las condiciones de explotación (carga, frecuencia de rotación, composición de la mezcla, etc.). La proliferación por todo el país de GE basados en motores alternativos de combustión interna introduce una alternativa real de cogeneración / trigeneración de amplias posibilidades de aplicación con usos diversos en dependencia de las condiciones locales (Martínez et al., 2008). A continuación se expondrá el balance térmico de un motor: Del análisis del ciclo del motor se desprende que para realizar el trabajo efectivo se consume solamente una pequeña parte del calor que se obtiene al quemar el combustible. Para determinar la tendencia del aprovechamiento de calor y las vías de su mejoramiento, así como los datos necesarios para el cálculo del sistema de enfriamiento, se debe establecer en qué se gasta el calor introducido al motor. Con este fin al investigar el motor se determinan las componentes separadas del balance térmico en función de los diferentes parámetros que caracterizan las condiciones de explotación (carga, frecuencia de rotación, composición de la mezcla, etc.) (Martínez et al., 2008). La ecuación del balance térmico (la cantidad de calor está referida a la unidad de tiempo) es (1.42). 21.

(30) donde Q0 es la cantidad total de calor introducida con el combustible al motor en el régimen dado; Qe, el calor equivalente al trabajo efectivo del motor; Q ref, el calor cedido al medio refrigerante; Qg, el calor que se llevan del motor los gases de escape; Qc. i, la parte del calor del combustible que se pierde debido a su combustión incompleta; Ql el calor entregado al lubricante; Qr, el término independiente que determina las pérdidas no incluidas en las demás componentes del balance térmico. El balance térmico puede determinarse en porcentaje de la cantidad total de calor introducido. Los valores aproximados de los componentes del balance térmico se dan en la tabla1.1. Entonces. Es evidente que: (1.43) La cantidad total de calor consumida en 1 segundo (s) es: (1.44) Donde Gc viene en kg/s y Hu en J/kg. El calor (en J/s) equivalente a la potencia efectiva (en W) es:. El calor transmitido al medio refrigerante a través de las paredes del cilindro, culata, pistón y de sus segmentos puede determinarse recurriendo a la ecuación. (1.45) Donde: Gref es la cantidad del agente refrigerante que pasa por el motor, en k/s; cref, el calor específico del mismo (para el agua ca = 4186 J/kg); tSal, la temperatura del agente refrigerante a la salida del motor, en 0C; tent, lo mismo, pero a la entrada del motor, en °C.. 22.

(31) El calor que arrastran los gases de escape es: (1.46) donde GcM2 (cp”) tg es la cantidad de calor evacuado del cilindro con los gases de escape, en J/s; GcM1 (cp) t0, la cantidad de calor introducida al cilindro del motor con la carga fresca, en J/s; cp”y cp son los calores específicos molares a presión constante respectivamente de los productos de combustión y de la carga fresca, en J/(kmol.0C)]; tg la temperatura de los gases quemados, medida detrás del colector de escape, en 0C; t0, la temperatura de la carga fresca que entra en el cilindro del motor, en 0C. El calor Ql se determina midiendo la cantidad de calor cedida por el lubricante al agua en el enfriador de aceite. El valor de Qc. i cuando   1, que es el caso del motor diesel, generalmente no se calcula aisladamente, sino que se incluye en el término Qr, que se puede calcular por la diferencia: (1.47). Tabla 1.1. Componentes del balance térmico. 23.

(32) 1.4.3. Características exteriores de los MCI. Las máquinas automotrices se mueven como resultado de la acción sobre ellas de diferentes fuerzas. Estas fuerzas se dividen en fuerzas que mueven la máquina automotriz (motrices) y fuerzas que se oponen al movimiento (resistencias). La principal fuerza motriz es la fuerza tractiva (Pt), la cual se aplica a las ruedas motrices. Surge como resultado del trabajo de la fuente motriz, del sistema de transmisión y de la interacción de las ruedas motrices con la vía. Para la determinación de la fuerza tractiva máxima en cada condición de movimiento, se utiliza la característica exterior de velocidad del motor, la cual considera la dependencia de la potencia efectiva (Ne), del momento efectivo (Me) y del consumo específico de combustible (ge) en función de la frecuencia de rotación del cigüeñal del motor (W). La característica exterior de velocidad del motor se obtiene para carga total, es decir, para máximo suministro de combustible. En la figura 1.1 está representada la característica exterior de velocidad de un MCI. En la misma, se señalan los siguientes puntos característicos: frecuencia de rotación mínima y máxima (W mín., Wmáx.), momento torsor máximo (Me. máx.),. potencia máxima (Ne. máx.). y consumo. específico mínimo (ge mín.). Las frecuencias de rotación que se corresponden con los parámetros Ne. máx.,. Me. máx.. y ge. mín.. , se han señalado por WN, W M y W ge. respectivamente. La Wmín. es la mínima frecuencia de rotación del cigüeñal para la cual el motor trabaja establemente bajo carga total.. Con el aumento de la frecuencia de. rotación, el Me y la Ne se incrementan y alcanzan sus valores máximos para frecuencias de rotación W M y W N, respectivamente. Para W >W N la Ne disminuye y se incrementan las cargas dinámicas que actúan sobre las piezas del mecanismo biela-manivela, por eso se trata de que la W máx. no sobrepase la W N en más de un 10-20 % (Martínez et al., 2008).. 24.

(33) Wmáx. = (1.1 – 1.2) ∗ WN Ne Me ge. (1.48). Nemáx Memáx. gemín. Wmín. WM. Wge. WN. Wmáx. Figura 1.1. Curva característica exterior de velocidad de un MCI. Los criterios para la determinación de la frecuencia de rotación mínima estable se estudiarán más adelante, por cuanto es necesaria para establecer el rango de trabajo del motor, cuando se realizan cálculos teóricos de la característica exterior de velocidad. De tal modo, la característica exterior se puede determinar de forma experimental, en un banco de ensayo de motores, o por fórmulas empíricas, siendo la más utilizada la siguiente:.  W N e x  N emax  C1   x   WN donde: Ne. máx,.  W   C2   x   WN. 2.  W   C3   x   WN.   . 3.   (KW) . (1.49). W N - potencia máxima y frecuencia de rotación para potencia. máxima. Ambos datos acompañan la documentación técnica del motor. Nex - es la potencia para una frecuencia de rotación W x del motor. C1, C2, C3 - son coeficientes empíricos que dependen del tipo de motor (Tabla 1.2 y expresiones 1.52-1.53).. 25.

(34) De esta forma, el torque para una frecuencia de rotación W x del cigüeñal del motor:. M ex.  N ex  10 3   M eN  C1  C 2 Wx . M eN. N emáx  10 3  WN. W   x  WN.  W   C 3   x   WN.   . 2.   . N.m). (1.50). donde: MeN – torque para potencia máxima en característica exterior. Mex - es el torque para una frecuencia de rotación W x del motor. Para determinar el consumo específico de combustible:. g ex  g eN.  W  C 4  C5   x   WN.    C 6 . W   x  WN.   . 2.   (g/kW.h) . (1.51). Donde: gex - consumo específico para una W x determinada. geN - consumo específico para Ne máx. Es un dato de la documentación técnica. C4, C5, C6 - son coeficientes empíricos que dependen del tipo de motor. Tabla 1.2. Coeficientes empíricos para la determinación de los parámetros de salida del motor. Motor. C1. C2. C3. C4. C5. C6. Carburación. 1,00. 1,00. 1,00. 1,20. 1,00. 0,80. Diesel de 2t.. 0,87. 1,13. 1,00. 1,55. 1,55. 1,00. -Inyección Directa. 0,53. 1,56. 1,09. 1,55. 1,55. 1,00. -Precámara.. 0,70. 1,30. 1,00. 0,35. 1,35. 1,00. -Cámara de Turbulencia. 0,60. 1,40. 1,00. 1,20. 1,20. 1,00. Diesel de 4t.. 26.

(35) Para la determinación de estos coeficientes C1, C2 y C3 en los motores equipados con limitadores o reguladores de la frecuencia de rotación, se pueden utilizar las siguientes ecuaciones: C1  1 . AMe en  2  en   ; 100 en  12. C2  2 . AMe en  ; 100 en  12. C3 . AMe 100.  en      en  1. 2. (1.52). Para motores que no poseen limitadores o reguladores se utilizan las siguientes ecuaciones:. C1  2 . AMe  en . M. 25 ; AMe emax. C2 .  M eN 100 M eN. WN WM. 50  1; AMe. eM . C3 . 25 AMe.  M emax    1 100  eM  1 100  M eN   . (1.53). (1.54). M emax M eN. Donde: AMe -es el coeficiente de adaptabilidad del motor en, eM - coeficientes de elasticidad de frecuencia de rotación y torque, respectivamente. Si bien la mayor parte del tiempo el motor de una máquina automotriz trabaja a cargas parciales, y el trabajo en característica exterior es poco frecuente, en lo adelante nuestro trabajo se centrará en el uso de la característica exterior, porque a partir de ella se pueden conocer las mayores potencialidades del vehículo, y estimar con más acierto las posibilidades de movimiento de éste (Martínez et al., 2008). La característica ideal de un motor, debe ser aquella capaz de conservar los valores máximos de potencia en el tren de rodaje, independientemente de la velocidad de movimiento. O sea, este motor debe entregar Nemáx constante para todo el rango de W x.. 27.

(36) Capítulo II. Descripción actual y futura de la Central Eléctrica UEB Cayo Santa María con motores de combustión interna de fuel oil y estudio de sus principales parámetros de explotación.. 28.

(37) 2. Descripción actual y futura de la Central Eléctrica UEB Cayo Santa María con motores de combustión interna de fuel oil y estudio de sus principales parámetros de explotación. 2.1. Descripción de la central eléctrica UEB Cayo Santa María. A continuación se hará un análisis y descripción acerca de la localización, condiciones naturales,. socioeconómicas del entorno donde está enclavada la. Central Eléctrica UEB Cayo Santa María. 2.1.1. Datos de la entidad. Nombre: UEB Cayo Santa María Dirección: Cayo Santa María, municipio Caibarién, provincia Villa Clara. Teléfono: 350007 - 08, 350150 Organismo: Ministerio de Energía y Minas (MINEM). La Central Eléctrica se encuentra enclavada en la base de apoyo, situada al suroeste de Cayo Santa María, colindando por el oeste con la UEB de atención al hombre perteneciente a la Empresa Constructora de Obras para el Turismo (ECOT); y por el resto de las direcciones con vegetación natural (mangle) y la zona costera. A esta entidad se accede a través de la base de apoyo por el vial regional principal y está separado del mismo por unos 350 metros de zona costera, según se muestra en la figura 2.1.. Figura. 2.1. Ubicación de la UEB Cayo Santa María. El ecosistema costero es de gran fragilidad y ha sido fuertemente modificado donde los componentes naturales han tenido un alto grado de transformación,. 29.

(38) debido a las acciones derivadas de la acción del hombre (desbroce, compactación de los suelos y construcción de viales, entre otras), originadas fundamentalmente por la actividad constructiva de las instalaciones presentes en la base de apoyo . La instalación se encuentra rodeada por un bosque de mangle con sustrato arenofangoso que circunda gran parte del área de donde está ubicada la instalación, según se muestra en la figura 2.2.. Figura 2.2. Entorno donde está enclavada la UEB Cayo Santa María.. 2.1.2. Descripción de la empresa. Actualmente existen 4 tecnologías para la generación de energía eléctrica, dos de ellas generan con combustible fuel oil y las otras dos generan con diésel. Hay un grupo de generación MAN él cual está ubicado en una nave techada con su sala de control la cual controla constantemente y automáticamente a estos motores. Otro grupo de motores Hyundai, el que está integrado por un ETU (sala de control) y dos grupos más MTU serie 4 000 los cuales son de procedencia China y Alemán (en esta unidad se desarrolla el proceso de centrifugación del combustible diesel). Cada grupo de estos está compuesto por un número determinado de motores de combustión interna, Se cuentan con 8 motores MTU de tecnología alemana los cuales se encuentran al lado derecho de la nave de centrifugado y tratamiento de las aguas, hay otros 12 motores MTU de tecnología China instalados recientemente los cuales se encuentran distribuidos equitativamente al extremo derecho del área de generación eléctrica HYUNDAI y de la subestación, 2 motores. 30.

(39) de generación MAN y otros 4 motores Hyundai, esto se muestra en el esquema actual de la empresa el cual se encuentra en el anexo II. En el emplazamiento se cuenta con una subestación moderna de tecnología italiana la que está destinada al control del proceso de generación, está equipada por un gran número de paneles de control. Se cuenta con una cisterna que tiene la capacidad de acumular 500 m3 de agua, un almacén techado y uno a cielo abierto. Al lado de estos almacenes existe una nave en la cual existe un laboratorio químico en el que se realiza los análisis a los combustibles, aceite y aguas oleosas; y está compuesta también de un taller mecánico, en el cual se realizan las reparaciones y organizan los mantenimientos de los GE. También cuentan con un área de descargue de combustibles. Disponen de 2 tanques de recepción de fuel oil de 700 m3 de capacidad cada uno, 3 tanques de diésel de 100 m3 de capacidad cada uno, existe un tanque de fuel oil de pre centrifugado y otro para el fuel centrifugado; 1 tanque para la recepción de aceite limpio, y otro para el aceite de uso. Hay habilitado 2 tanques de lodos, un foso oleaginoso para cada tecnología de fuel oil y un sistema de trampas para estas tecnologías. Se tiene un sistema de canales para la recogida y drenaje de las aguas residuales, además de contener la UEB una cerca perimetral. Se cuenta con una casa de tratamiento de combustibles en la que se trata el combustible de la tecnología MAN, y el agua para sus diferentes usos. Esta empresa tiene un edificio socio-administrativo a la entrada en el que se compone de diferentes oficinas y un comedor. 2.2. Descripción de los motores de combustión interna Hyundai y MAN. Los MCI utilizados en la Central Eléctrica de Cayo Santa María para la generación de energía eléctrica con fuel oil actualmente son: . Hyundai HIMSEN 9H21/32. . Motor MAN 18V 28/32 S. 31.

(40) 2.2.1. Motor Hyundai HIMSEN 9H21/32. Este motor es del tipo Hyundai HIMSEN 9H21/32 de cuatro tiempos, con turbo cargador y refrigeración interna. La inyección se realiza de forma vertical y directa. La dirección de rotación del motor se realiza en el sentido de rotación de las manecillas del reloj visto del lado del generador eléctrico. Este sentido de rotación del motor es irreversible producto a la acción del generador eléctrico. El motor está formado por 9 cilindros configurados en línea, la velocidad de operación es de 900 rpm (revoluciones por minutos). La potencia por cilindros es de 200 KW por lo que el motor cuenta con una potencia de 1.8 MW. El diámetro de los cilindros es de 210 mm, el desplazamiento del pistón es de 320 mm y el volumen de barrido por un solo cilindro es de 11.1 dm3. En la tabla 2.1 se muestran algunas características de este motor dadas por su fabricante (Cheonha-Dong and DongGu, 2003). Tabla 2.1. Principales características de las unidades de generación Hyundai HIMSEN 9H21/32 (Cheonha-Dong and Dong-Gu, 2003). Parámetro. Especificación. Tipo de Motor. Hyundai HIMSEN 9H21/32. Diámetro interior. 210 mm. Carrera del pistón. 320 mm. Velocidad media del pistón. 9.6 m/s. Peso del motor. 50 t. Longitudes del motor. 2.4x3.4x12 m. Consumo de combustible. 187-193 g/kW*h. Relación de compresión. 17:1. Potencia. 1700 kW. En la siguiente tabla 2.2 se exponen los principales parámetros de este motor dados por su fabricante y de los cuales se escogerán algunos para realizar el cálculo térmico de este motor en el capítulo posterior.. 32.

(41) Tabla 2.2. Parámetros principales del motor Hyundai HIMSEN 9H 21/32 (Cheonha-Dong and Dong-Gu, 2003). Motor HIMSEN Hyundai Potencia total. 50-100 kW. Velocidad Turbo.. < 4 092. Velocidad Motor.. 891-909 rpm. Combustible. Presión.. 7.0 – 10 bar. Temperatura.. 110 – 149 °C. Aceite de lubricación Temperatura. Presión de aceite a la entrada del motor. Presión a la entrada del filtro.. 60 – 73 °C 4 – 5 bar 5,0 – 6,0 bar. Temperatura del aire. Temperatura del aire dentro del contenedor. 30 – 45 °C. Temperatura del aire de carga. 35 – 55 °C. Presión de sistemas de aire. Presión de aire de carga.. 1,0 – 3,2 bar. Presión de arranque.. 20 – 30 bar. Presión de aire en las válvulas de cambio de combustible.. 7,0 – 8,0 bar.. Sistema de agua de enfriamiento. Presión de agua a la entrada del radiador.. 0,7 – 0,9 bar. Presión de agua a baja temperatura.. 0,1 – 0,3 bar. Presión de agua a alta temperatura.. 2,5 – 4,5 bar. Temperatura de agua a la entrada al enfriador del aire de carga.. 30 - 40 °C. Temperatura del sistema de gases Temperatura de los cilindros.. 250 – 390 °C. Temperatura a la entrada del turbo.. 450 – 520 °C. Temperatura a la salida del turbo.. 250 – 380 °C. 33.

(42) 2.2.2. Motor MAN 18V 28/32 S. Los motores MAN instalados en el país y en la central eléctrica UEB Cayo Santa María, son máquinas de 4 tiempos cuya configuración es en V con una disposición de cilindros de 12 -16 - 18 y gama de potencia de 2 700 a 4 230 kW, velocidad de rotación: 720 - 750 rpm, diámetro interior de los pistones 280 mm y una carrera de 320 mm, por cada cilindro con una cilindrada de 19,7 litros, relación de compresión de 13,9:1, presión de compresión máxima de 145 bar, son motores sobrealimentado, cuyo principio de turbo es sistema de presión constante con enfriador intermedio, aceptan una calidad del combustible hasta 700 CSt/50°C, la potencia por cilindro van desde 225-235 kW y la velocidad de los cilindros desde 7,7-8 m/s. Las principales características y parámetros que se escogen y que son dados por el fabricante se muestran en las tablas 2.3 y 2.4 respectivamente (Diesel, 2003). Tabla 2.3. Principales características de las unidades de generación MAN 18V 28/32S (Diesel, 2003). Parámetros. Valor nominal. Tipo de Motor. 18V28/32 S. Rango de velocidad. 720 rpm – 750 rpm. Potencia por cilindro. 225 KW. Diámetro interior. 280 mm. Carrera del pistón. 320 mm. Área del pistón por cilindro. 616 cm2. Radio de compresión. 13,9. Peso del motor seco. 70,8 ton. Longitud del motor. 6 626 mm. Tipo de generador. AMG 0900SK 10 DSE. Voltaje. 13 800 V. Corriente. 204 A. Frecuencia. 60 HZ. Potencia Total. 3 700 kW. 34.