TECNOLOGIAS ENERGETICAS

1
TECNOLOGIAS ENERGETICAS

• Docente Ing. Robert Guevara Chinchayan
• Postgrado en Uso Eficiente y Ahorro de Energia

2
MARCO REFERENCIAL

• La presente asignatura tiene el propósito de
  brindar a los estudiantes de la Escuela
  Académico Profesional de Ingeniería en Energía
  los conocimientos científico tecnológicos de los
  sistemas energéticos actuales en lo referente a
  generación y autoabastecimiento de energía ,
  existentes en el mercado nacional e
  internacional, así como los tópicos de
  cogeneración ,trigeneracion , plantas de
  licuefacción de gases , balances exergeticos y
  principios de termo economía, bajo el criterio de
  alto rendimiento técnico y control del medio
  ambiente.

3
PROGRAMACION POR UNIDADES

• PRIMERA UNIDAD Generación de Energía.
• SEGUNDA UNIDAD Autoabastecimiento de Energía.
• TERCERA UNIDAD Tópicos Selectos.
•  DE LAS PRACTICAS
• Visita Técnica Nº 1 a la Central Termoeléctrica
  de Ciclo combinado Kallpa , Refinería de
  Petroperú La Pampilla , Planta de Licuefacción de
  Pisco y al Instituto Peruano de Energía Nuclear o
  Central Térmica de Malacas , Refinería de Talara
  y Planta Criogénica de Pariñas.
• Visita Técnica Nº2 al Complejo de la Empresa
  SIDERPERU . Planta Criogénica de Oxigeno de
  Messer Gases.

4
1 UNIDAD GENERACION DE ENERGIA

• Semana Nº1 Ciclos Combinados. Descripción
  Técnica. Arreglos. Factores de Ponderación.
  Eficiencia . Pitch Point. Adición suplementaria
  de combustible . Generación Dual y Trial de
  Vapor.
• Semana Nº 2 Arreglos eficientes de Ciclos
  Combinados de Alta Eficiencia. Disposición 221
  y 331 . Diseño Técnico Económico de una central
  de Generación de Ciclo Combinado con GN.
• Semana Nº 3 Características de Ciclos
  Combinados de gasificación Integrada GICC.
  Integración de la Unidad de Gasificación, Planta
  de oxigeno y Planta de Generación de Ciclo
  Combinado con Gas de Carbón.
• Semana Nº 4 Centrales de Generación
  Especiales Centrales Nucleoeléctricas ( arreglos
  y disposiciones) , Instalaciones Magneto
  hidrodinámicas y Pilas combustibles.
• Semana Nº 5 Formación de los Precios de Energía
  , Precio de barra . Características del despacho
  económico de energía mediante teoría de costos
  marginales.
• Semana Nº 6 Examen de la I Unidad. Presentación
  de Trabajo Monográfico de I Unidad.

5
2 UNIDAD AUTOABASTECIMIENTO DE ENERGIA

• Semana Nº 7 Sistemas de cogeneración de
  Energía. Características .Tipos . Arreglos.
  Normatividad Peruana. Generación de Energía
  Distribuida.
• Semana Nº 8 Diseño de Sistemas de Cogeneración
  de Energía con Turbinas de Vapor y Grupos
  Electrógenos. Rentabilidad. Visita Técnica Nº 1.
• Semana Nº 9 Sistemas de refrigeración por
  absorción . Arreglos. Sistema Amoniaco agua ,
  sistema bromuro de litio-agua. Absorción de
  gases. Capacidad Térmica necesaria.
• Semana Nº 10 Trigeneracion de Energía.
  Autoabastecimiento de Calor, Energía Eléctrica y
  Frio. Diseño de un Sistema de Trigeneracion.
• Semana Nº 11 Examen de la II Unidad.
  Presentación de Trabajo Monográfico de II
  Unidad.

6
3 UNIDAD TOPICOS ESPECIALES

• Semana Nº 12 Plantas de licuefacción de gases.
  Ciclos de cascada con refrigerante mixto para GLP
  y GN. Visita Técnica Nº 2.
• Semana Nº 13 Plantas de licuefacción de gases a
  temperaturas criogénicas. Arreglos y
  disposiciones.
• Semana Nº 14 Balances Exergeticos. Principios y
  aplicaciones de la 2ª Ley de la Termodinámica.
• Semana Nº 15 Principios Básicos de termo
  economía.
• Semana Nº 16 Examen de la III Unidad.
  Presentación de Trabajo Monográfico de III
  Unidad.
• Semana Nº 17 Exámenes Sustitutorios y Entrega
  de Actas.

7
1 UNIDAD

• TECNOLOGIAS ENERGETICAS DE GENERACION DE ENERGIA

8
CENTRALES DE GENERACION DE ENERGIA CONVENCIONALES

• Centrales Ciclo Rankine Petroleo , Carbon ,
  Nucleares , Solares fototermicas , Geotermicas.
• Centrales- Ciclo Joule Brayton Gas Natural ,
  Diesel.
• Centrales Ciclo Diesel .
• Centrales Ciclo Combinado Gas Natural , Diesel.

9
CICLOS DE POTENCIA CON TURBINAS A VAPOR

• El esquema representa los equipos y componentes
  de una instalación que verifica un ciclo de
  potencia Rankine

10
Detalles

• El rendimiento global del ciclo será tanto más
  alto cuanto
• Mayor sea la temperatura del vapor de entrada a
  la turbina.
• Menor sea la presión de condensación del vapor, a
  la salida de la turbina.
• Mayor sea la presión del vapor de entrada a la
  turbina.
• Mayores sean los rendimientos de la turbina de
  vapor y bombas del ciclo.
• La presión del vapor de entrada a la turbina
  estará limitada por el consecuente contenido de
  humedad en su vapor de salida.
• La máxima temperatura del vapor de entrada a la
  turbina dependerá de la calidad de los materiales
  empleados en los equipos del ciclo que están en
  contacto con el fluido.
• La presión de condensación del vapor, íntimamente
  relacionada a la temperatura obtenible del mismo
  a la salida de la turbina, estará relacionada a
  la temperatura del medio refrigerante disponible
  (agua o aire).
• La temperatura de condensación del vapor, será
  del orden de los 60 ºC si el enfriamiento es con
  aire y del orden de los 30 ºC si se refrigera con
  agua.

11
Recursos tecnologicos para mejorar el
rendimiento-Recalentamiento
12
Recursos tecnologicos para mejorar el
rendimiento-Regeneracion
13
Ciclo de Rankine con recalentamiento.47,60 de
? máx. obtenible
14
Rendimiento de los Ciclos de Turbinas a Vapor
15
CICLOS DE POTENCIA CON TURBINAS A GAS

• El esquema representa los equipos y componentes
  de una instalación que verifica un ciclo de
  potencia Joule Brayton Abierto

16
Rendimiento

• El diseño de un ciclo de TG permite definir dos
  parámetros básicos de funcionamiento del
  equipamiento que lo especifica
• La relación de compresión que el compresor le
  imprime al aire de entrada.
• La temperatura de entrada de la turbina (máxima
  del ciclo).
• El rendimiento del ciclo y la potencia
  específica sondependientes de estos parámetros.

17
EFECTOS DE LA MAXIMA TEMPERATURA DE CICLO
EVOLUCION DE LA MAXIMA TEMPERATURA DEL CICLO
VALORES MAXIMOS ALCANZADOS DEL RENDIMIENTO Y
TRABAJO ESPECIFICO
18
EFECTOS DE LA RELACION DE COMPRESION

• La relación de compresión se definirá de acuerdo
  a la utilizaciónque se hará de la turbina
• Será elevada para obtener los mejores
  rendimientos del ciclo, objetivo para el empleo
  en centrales eléctricas de base o en aviones.
• Será baja en usos como los siguientes cuando el
  objetivo sea lograr elevadas potencias
  específicas como es el caso de las centrales
  eléctricas de punta con la finalidad de poder
  reducir los costos de inversion y cuando se
  requiera una elevada temperatura de los gases de
  escape de la turbina, por ejemplo en un ciclo
  combinado o en una planta de cogeneracion.

19
Evolución del rendimiento y potencia específica
de acuerdo a la relación de compresión
20
ARREGLOS PARA UNA MEJORA DEL CICLO

• Las posibilidades de mejoras en un ciclo Joule
  Braytonparaincrementar su eficiencia son
• Recalentado este proceso divide la expansión de
  los gases en varias etapas de la turbina,
  aportando energía térmica adicional entre ellas.
• Interrefrigerado es el enfriamiento del aire
  entre etapas del compresor, reduciendo la demanda
  de trabajo para su compresión.
• Regeneración se precalienta el aire de salida
  del compresor con los gases de escape de la
  turbina, resultando un ahorro de energía térmica
  de aporte en la cámara de combustión.

21
El rendimiento y el trabajo específico en una
C.T.G

• Comparación entre ciclos

22
El rendimiento y el trabajo específico en una
C.T.G

• Rendimiento de ciclos con temperatura entrada en
  la turbina de gas

23
QUE ALTERNATIVAS ENERGETICAS SURGEN?
24
REPOTENCIACION EN SERIE
25
DETALLES

• Es el proceso convencional de repotenciación de
  una planta térmica del tipo TV, con el objeto de
  aumentar su rendimiento y potencia.
• Se agrega una TG en cabecera de un ciclo Rankine.
• La potencia de la TG resulta del orden del 10 al
  30 de la potencia total del nuevo CC obtenido.
• Los ciclos Rankine preexistentes son muy
  regenerativos.
• En este tipo de repotenciación, este recurso de
  mantiene ya que contribuye a aumentar el
  rendimiento de su ciclo, dado que en este caso la
  mayor parte de la energía térmica se aporta a la
  caldera del ciclo Rankine con la combustión del
  combustible utilizado en la planta antes de la
  repotenciación.
• En estos esquemas, se sustituye parcialmente el
  aire para la combustión en la caldera del ciclo
  de la TV por los gases calientes de salida de la
  TG.
• La temperatura de los gases calientes de salida
  de la TG eleva la temperatura del comburente de
  la caldera convencional. Por ello, no tiene
  sentido la utilización de un precalentador
  deaire, habitualmente presente en las calderas de
  ciclos TV.
• Esta energía no empleada en el precalentador de
  aire se utiliza para mejorar el rendimiento del
  CC.
• Es así que el caudal de agua que en los ciclos
  convencionales es precalentada en forma
  regenerativa en los precalentadores del ciclo
  Rankine, se divide en dos circuitos uno que
  continúa por los precalentadores y otro que
  precalienta el agua con los gases de escape de la
  caldera.

26
REPOTENCIACION EN PARALELO
27
VENTAJAS

• Esta propuesta tecnológica se originó a comienzo
  de los años 90, para resolver los problemas que
  la evolución de las TG y las mayores exigencias
  medioambientales produjeron en los esquemas de
  repotenciación en serie.
• En este tipo de repotenciación la potencia de la
  TG es del orden del 10 al 40 de la potencia
  total del CC.
• Se combinan las características del CC TGTV con
  HRSG y las de la repotenciación en serie,
  permitiendo la utilización de cualquier
  combustible en la caldera convencional.
• En este esquema, el agua condensada del ciclo
  Rankine se precalienta, evapora y sobrecalienta
  en paralelo, por medio de los gases de escape de
  la TG en la HRSG y por la caldera convencional
  del ciclo Rankine.
• Se obtienen rendimientos comparables a los de la
  repotenciación en serie y la prolongación de la
  vida útil de la caldera convencional.
• Con la energía térmica de salida de la caldera
  del ciclo de Rankine se precalienta el aire de
  combustión.
• Esta configuración no precalienta el agua del
  ciclo de Rankine con los gases de salida de la
  caldera convencional (lo hace la HRSG). Por esto,
  es posible utilizar los SCR en la vena de gases
  calientes de la combustión, antes del sistema de
  desulfuración.

28
CICLOS COMBINADOS

• Se denomina CICLO COMBINADO cuando una máquina de
  generación o central emplean en su diseño más de
  un ciclo termodinámico.
• Tambien suele identificarse como planta CCPP
  (Combined Cycle Power Plant), o planta CCGT
  (Combined Cycle Gas Turbine).

29
Ciclos termodinamicos
30
Esquema básico
CICLO INFERIOR
CICLO SUPERIOR
Relacion de Potencias 2/1
31
VENTAJAS

• Flexibilidad. Son capaces de operar en cualquier
  régimen de funcionamiento, con gran rapidez de
  adaptación a las variaciones de carga.
• Arranque rápido. Están equipadas con dispositivos
  que permiten tiempos de arranque muy cortos.
• Diseño fiable y alta disponibilidad. El diseño
  está probado y, normalmente, cada grupo cuenta
  con redundancias del 100 en los equipos
  auxiliares importantes.
• Alto rendimiento. Las modernas turbinas de gas y
  las de vapor hacen que los grupos de ciclo
  combinado tengan un rendimiento más elevado que
  el de cualquier otra central. El rendimiento
  global, en energía primaria, puede ser un 57
  superior.
• Costes de operación bajos. Como resultado de las
  características y optimización de los nuevos
  grupos, la operación es más sencilla y los costes
  de generación, inferiores.
• Tiempo de construcción reducido. Debido a que los
  proyectos siguen diseños estándar, los plazos de
  construcción se reducen de forma muy importante.

32
TIPOS DE DISPOCISIONES O ARREGLOS

• 1 Unidad Turbo Gas 1 Unidad HRSG 1 Unidad
  Turbo Vapor 111
• 2 Unidades Turbo Gas 2 Unidades HRSG 1 Unidad
  Turbo Vapor 221
• 3 Unidades Turbo Gas 3 Unidades HRSG 1 Unidad
  Turbo Vapor 331

33
Los ciclos combinados de acoplamiento interno

• Son dos las posibilidades que se presentan para
  estos CC
• En los de acoplamiento másico, los ciclos
  elementales comparten el mismo fluido de trabajo.
  Es el caso del ciclo Field, compuesto por un
  Brayton regenerativo y un Rankine regenerativo,
  con vapor de agua.
• En los de acoplamiento térmico, los ciclos
  elementales reciben energía térmica en un mismo
  punto. Se los suele mencionar como ciclos
  combinados en paralelo. Un ejemplo de este tipo
  de planta es el ciclo STIG.

34
Los ciclos combinados de acoplamiento externo

• Este acoplamiento es siempre térmico, y en el
  mismo el ciclo de menor nivel térmico (de cola)
  aprovecha la energía térmica residual del ciclo
  de mayor nivel térmico (de cabecera).
• Estas configuraciones son las más utilizadas en
  la actualidad, en un elevado número de
  configuraciones. Una de ellas en es el
  ampliamente construido CC TGTV.
• Suelen denominarse ciclos combinados en serie.
• Pueden ser de diferentes tipos
• El ciclo de cola funciona solamente con el calor
  residual del ciclo de cabecera.
• El ciclo de cola funciona con el calor residual
  del ciclo de cabecera al que se agrega el
  suministro directo de energía térmica (ej.
  calderas de recuperación con quemadores
  postcombustión).

35
Los ciclos combinados construidos

• En estos ciclos, se combinan ciclos y fluidos de
  trabajo para lograr altas temperaturas de entrada
  y bajas temperaturas de salida, resultando
  elevados rendimientos termodinámicos.
• Algunos de los ciclos combinados construídosson
• Rankine mercurio Rankine agua
• Rankine potasio Rankine agua
• Rankine agua Rankine amoníaco
• Brayton aire (TG) Rankine agua (TV), con varias
  alternativas.
• Acoplamiento serie paralelo de los ciclos Brayton
  y Rankine(STIG)
• Ciclos Brayton y Rankine operando a 2 o 3
  presiones, con acoplamiento másico interno y
  calentamiento en paralelo.

36
Ciclos combinados TG TV en serie

• Caso 1Los gases de escape de la TG proveen la
  totalidad de la energía térmica del ciclo
  Rankine.El equipo de acoplamiento es un
  intercambiador de calor convectivo.Es la llamada
  caldera de recuperación de calor o HRSG, que son
  las siglas de la denominación en inglés
  (HeatRecoverySteamGenerator).Esta configuración
  es la más aplicada en los ciclos combinados en
  operación.La TG tiene una potencia del orden del
  doble de la TV.
• Caso 2Antes de su ingreso en la HRSG, los gases
  de escape de la TG reciben un aporte de calor
  adicional.El calor agregado resulta de la
  combustión de combustible fósil, aprovechando
  como comburente el exceso de aire en los gases de
  escape.El aporte térmico de los gases de escape
  sigue siendo el más importante, aunque el aporte
  de calor adicional permite la utilización de una
  TV de mayor potencia.También permite mayores
  grados de libertad en el diseño del ciclo de
  cola.

37
(No Transcript)
38
(No Transcript)
39
(No Transcript)
40
(No Transcript)
41
Comparacion de precios llave en mano
42
Eficiencias Netas según la Potencia
43
Tiempo de Construccion para varias Plantas
Dependencia del Costo de Electricidad con las
horas anuales de uso
44
Costos Variables de Operación y Costos de
Mantenimiento
45
Efecto de la Temperatura de salida de la Turbina
de Gas
Para la Eficiencia de un Ciclo Simple Joule
Brayton
Para la Eficiencia de un Ciclo Combinado
46
GENERACION DE VAPOR CON UNICA PRESION

1. Compresor
2. Turbina de Gas
3. Sobrecalentador
4. Evaporador
5. Economizador
6. Domo
7. Turbina de Vapor
8. Bypass
9. Condensador
10. Bomba de Condensado
11. Tanque desareador
12. Bomba de agua
13. Enfriador de gases
14. Linea de vapor

47
GVRC-HRSG
48
Diagrama Energia y Temperatura para Generacion de
Vapor a 1 sola presion

• El pitch point o punto de estriccion es la
  diferencia de las temperaturas entre los gases
  de la combustion y el vapor de agua

49
Diagrama Energia y Temperatura para Generacion de
Vapor a 1 sola presion

• El pitch point o punto de estriccion es la
  diferencia de las temperaturas entre los gases
  de la combustion y el vapor de agua

50
EFECTOS DE LA PRESION DE VAPOR SOBRE LA
EFICIENCIA DEL HRSG , POTENCIA DE LA TURBINA DE
VAPOR Y DE HUMEDAD DEL VAPOR A LA SALIDA
51
Diagrama Energia Temperatura para un Generador
de Vapor Convencional
52
Diagrama Energia Temperatura para un Ciclo de
Generacion de Vapor a 1 sola presion
53
GENERACION DUAL DE VAPOR EN UN HRSG

1. Compresor
2. Turbina de Gas
3. Sobrecalentador HP
4. Evaporador HP
5. Economizador HP
6. Evaporador LP
7. Domo HP
8. Domo LP
9. Turbina de Vapor
10. Bypass HP
11. Bypass LP
12. Condensador
13. Bomba de Condensado
14. Tanque desareador
15. Bomba de agua LP
16. Bomba de agua HP
17. Precalentadores

54
DIAGRAMA TEMPERATURA ENERGIA CICLO DUAL
55
GENERACION TRIAL DE VAPOR EN UN HRSG

1. Compresor
2. Turbina de Gas
3. Sobrecalentador HP/IP
4. Evaporador HP
5. Economizador HP Sobrecalentador IP
6. Evaporador LP
7. Economizador HP
8. Evaporador LP
9. Economizador IP
10. Domo HP
11. Domo IP
12. Domo LP
13. Turbina de Vapor
14. Bypass HP
15. Bypass IP
16. Bypass LP
17. Condensador
18. Bomba de Condensado
19. Tanque desareador

56
(No Transcript)
57
DIAGRAMA TEMPERATURA ENERGIA CICLO TRIAL
58
Efectos del Pitch Point del EvaporadorHP sobre
la Potencia de la Turbo Vapor
Optimizacion de la Temperatura del Vapor para
Ciclo Trial
59
Diagrama Temperatura Energia para diversas
temperaturas de los gases entrantes al HRSG
60
Performance de comparacion
61
Ciclo combinado con inyeccion de vapor en la
camara de combustion del Ciclo Brayton
62
DESAGREGADOS DE COSTOS EN EL MONTAJE DE UN C.C
63
Tabla comparativo combustibles
64
(No Transcript)