UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECATRÓNICA TRABAJO FINAL PROFESOR Ronceros Rivas, Julio Roman CURSO MECATRÓNICA APLICADA AL GAS (MC36) SECCIÓN IMA2 INTEGRANTES: · Auris Lopez, Luis Enrique u201621474 · Vásquez Llanovarced, Ian Andre u201612388 · Villasante Meza, Jorge Fabrizio u201621028 2021 - 1 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. MARCO TEÓRICO 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4. OBJETIVOS 5. METODOLOGÍA 6. RESULTADOS 7. CONCLUSIONES 8. BIBLIOGRAFÍA 1. INTRODUCCIÓN Se define como una central termoeléctrica a una instalación en donde la energía mecánica de un ciclo se convierte en energía eléctrica que puede obtenerse de la energía liberada por combustibles fósiles como el petróleo, gas natural, carbón, etc. Al conocer la definición de la misma, debemos saber que la vida del sector urbano en Perú, a comparación de su sector rural, es mucho más denso en la cantidad del consumo anual que se tiene. Por ello, se necesitan ideas nuevas en el sector ingenieril para obtener este resultado. Figura 1: Demanda Eléctrica en Perú hasta Mayo del 2020 Fuente: (Bnamericas, 2020) Un resultado del consumo anual brindado por COES SINAC (Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional) muestra la demanda de electricidad a través de los años. Como se puede analizar en el gráfico, el crecimiento desde el año 2013 hasta el 2015, es aproximadamente de 1000 MW. Por lo que podemos inferir que cada 2 años el consumo de electricidad en Perú crecerá en 1000 MW. Así mismo, los resultados de los últimos años se han visto afectados muy fuertemente por el periodo de pandemia, pero ni bien acaben estas medidas, el consumo seguirá creciendo a un ritmo acelerado. Además, se desea que al obtener electricidad en sectores alejados del sector urbano, esta no afecte al medio ambiente, ya que al dañar el ecosistema de algún lugar se pierde la diversidad que este país desea conservar. A causa de esto, se ha escogido como un medio de generación de electricidad al gas natural en un ciclo de gas, la cual proporciona una mayor eficiencia. Entonces, teniendo como noción que el país peruano seguirá demandando mayor electricidad en regiones donde aún no llega este alcance y, mayormente, en sectores urbanos, se busca realizar una central termoeléctrica que pueda producir 250 MW para poder satisfacer esta demanda . 2. MARCO TEÓRICO Como se mencionó anteriormente, la central termoeléctrica hace referencia a la producción de electricidad por medio de ciclos de vapor, energía nuclear, ciclos de combustión, geotérmicas, etc. De las cuales se escogen los conocimientos planteados en este curso. Estos conocimientos son ciclos de vapor y ciclos de gas. Por conocimientos brindados en el curso de Mecatrónica Aplicada al Gas Natural, se sabe que cada uno de estos ciclos tienen una buena eficiencia que logran resultados esperados menores al 50% independientemente. Entonces, si se combinan estos 2 ciclos independientes a un ciclo combinado, su eficiencia lograra sobrepasar esta valla del 50 %, obteniendo el resultado deseado. Una vez escogido los temas que se seleccionaron para la creación o el diseño de esta planta termoeléctrica se definirán conocimientos que se aplicarán para poder realizar el proyecto. 2.1. Ciclo de Brayton Ideal El ciclo Brayton o ciclo de gas, consiste en el uso de una turbina de gas que generará una potencia mecánica para convertirla en energía eléctrica. Con el fin de desarrollar la energía mecánica se debe utilizar un fluido que produzca una reacción a alta presión y una alta temperatura, para que la turbina de gas pueda proporcionar la energía eléctrica necesaria en una planta termoeléctrica. A continuación, se presentará un esquema del ciclo idealizado Brayton: Figura 1. Ciclo Brayton Fuente.(Pérez Sánchez, 2019) Como se puede visualizar en la figura 1, el ciclo Brayton está compuesto por un compresor, una cámara de combustión y una turbina. Comienza con la entrada de aire al sistema e incrementa su velocidad después de atravesar el compresor. Una vez concluido ello, el aire pasa por el intercambiador de calor, aumentando la presión y temperatura a un grado alto, el cual bajará una vez que atraviese la turbina de gas. Esto generará la potencia eléctrica deseada para que la planta termoeléctrica satisfaga la demanda de las personas. Para poder tener un control adecuado sobre el ciclo brayton ideal, es necesario tener un concepto sobre cómo cambia el aire cada vez que atraviesa un proceso. Por ello, el estudio termodinámico nos muestra como el aire de entrada va cambiando conforme va llegando al final de su carrera. A continuación, se presentará una tabla de Presión (P) vs Volumen (V) y Temperatura (T) vs Entropía (s). Figura 2. Presión vs Volumen Fuente. (Pérez Sánchez, 2019) Figura 3. Temperatura vs Entropía Fuente. (Pérez Sánchez, 2019) 2.2. Ciclo Rankine Ideal Regenerativo con Recalentamiento Mayormente en las centrales termoeléctricas, el vapor es el fluido más utilizado para generar una potencia eléctrica. Esto se debe a las ventajas que proporciona en comparación con los demás como el bajo costo, la disponibilidad del recurso y la alta entalpía de vaporización. Dentro de los ciclos de vapor para generar una potencia eléctrica se encuentra el ciclo de Carnot, ciclo Rankine, etc. Debido a que se realizará el diseño de una central termoeléctrica, se debe tener el conocimiento de los modelos que se puedan llevar a la práctica. Así mismo, como los desarrollados en el transcurso del ciclo. Por ello, dentro de todos los ciclos de vapor se ha escogido el ciclo rankine regenerativo ideal. El ciclo rankine se caracteriza por generar energía eléctrica a través de turbinas de vapor. Estas turbinas tienen el mismo fin que las turbinas las cuales generaban una energía mecánica que mediante una adaptación al eje se convierte en energía eléctrica. Debido a la necesidad de conseguir mayor eficiencia en el ciclo (generar mayor energía), el flujo de agua condensada vuelve a la caldera para calentarse en los precalentadores alimentados por el vapor extraído de las turbinas. A este concepto se le denomina Ciclo Regenerativo (Romero, 2005). Entonces, conociendo estos conceptos anteriores, se puede entender que con la combinación de estas técnicas se obtendrá un aumento de la eficiencia. Figura 4. Esquema y Gráfico de Temperatura (T) vs Entropía (s) del Ciclo Rankine Ideal Regenerativo con Recalentamiento Fuente. (Ronceros, 2021) 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Según Osinergmin, en un informe de resultados dados en el año 2014 y 2015, aproximadamente un 99.9% en Lima Metropolitana tienen acceso a electricidad. Esta cifra, solo demuestra lo demandado que es este servicio. Por lo que, se debe buscar la manera de generar mayor cantidad de electricidad para poder satisfacer la demanda de electricidad en caso de fallos de los diferentes suministros de electricidad a la ciudad. Figura 5. Informe de Resultados Fuente. (Osinergmin, 2015) Conforme a ello, presentaremos las centrales termoeléctricas que actualmente se encuentran en la ciudad Lima Metropolitana: “Asimismo, contamos con tres centrales térmicas, con una potencia de 224.3 MW, 187.8 MW y 469.4 MW respectivamente. La primera, Central Térmica Santa Rosa, ubicada en el Cercado de Lima, está constituida por las unidades UTI con 104.3 MW y TG7 de 120.0 MW, la segunda, Central Térmica Santa Rosa 2, ubicada también en el Cercado de Lima, está constituida por la unidad TG8 de 187.8 MW. La tercera, Central Térmica Ventanilla, ubicada en la provincia constitucional del Callao, cuenta con tres unidades de generación las cuales conforman el ciclo combinado, este ciclo fue el primero en instalarse en el Sein y actualmente corresponde a uno de los seis ciclos combinados con los que cuenta el sistema.” (Enel Generación Perú , 2016) Por ello, se busca diseñar una central termoeléctrica de ciclo combinado que genere una potencia neta de 250 MW, utilizando gas natural como combustible (Considerar metano en su composición total). La planta estará conformada por: a) turbinas de gas y de vapor, (considerar eficiencia isentrópica de 90% en las turbinas de gas) b) Un compresor de 85 % de eficiencia isentrópica. Para saber una adecuada ubicación de la planta, es necesario que la planta esté cerca a la ruta de un gasoducto, y para conseguir un mejor rendimiento, la planta deberá estar a nivel del mar. Por ello, se escogió que la central debe estar en el distrito de Ventanilla, a las cercanías de la Refinería la Pampilla, con la ubicación de Latitud: -11.893840676885295, Longitud: -77.14039346849249. La razón de su elección, es que cumple con los requerimientos para que la planta cumpla con un mejor rendimiento de eficiencia. Además de ello, se tiene conocimientos que la línea del gasoducto Camisea se encuentra a las cercanías de ello (Sistema de Distribución En Lima y Callao de Cálidda, 2020). Figura 6. Zona Escogida para el diseño de la planta termoeléctrica Fuente.(11°53’37.8"S 77°08’25.4"W - Google Maps, 2021) Teniendo conocimiento del lugar para obtener las menores pérdidas posibles en la eficiencia térmica, se propone mostrar los factores ideales que obtendremos para diseñar la planta termoeléctrica. CICLO DE VAPOR: Considere un ciclo Rankine ideal regenerativo con recalentamiento, con dos calentadores de agua de alimentación (abierto y cerrado). El vapor entra a la turbina a 15 MPa y 600 °C y se condensa a una presión de 15 kPa. Luego se extrae una parte de vapor a 4 MPa y se deriva al calentador cerrado, mientras que el resto se calienta a presión constante hasta una temperatura de 600°C. El vapor extraído se condensa por completo en el calentador y se bombea hasta 15 MPa antes de mezclarse con el agua de alimentación a la misma presión. El vapor para el calentador abierto se extrae de la turbina de baja presión a una presión de 0,5 MPa. } Grupo 6: El vapor de agua se condensa a una presión de 15 kPa CICLO DE GAS El aire entra al compresor a 300 K y los gases de la combustión a la turbina a 1300 K, la relación de presión es igual a 4, los gases salen del intercambiador a 450 K. Finalmente encuentre la relación aire combustible, y el exceso de aire para el sistema requerido (considere la temperatura a la salida de la cámara de combustión como temp. de llama adiabática. 4. OBJETIVOS 4.1 Objetivo general Diseño conceptual de una central termoeléctrica de ciclo combinado de 250 MW con localización en Ventanilla 4.2 Objetivos específicos ❖ Diseño del ciclo de gas y de vapor según la potencia de 250 MW requerida. ❖ La central debe presentar viabilidad y ser eficiente. ❖ Proponer, a partir del actual trabajo, temas de interés relacionados para investigación que profundicen en la optimización de distintos elementos y alternativas de mejora en centrales de ciclo combinado 5. METODOLOGÍA La central termoeléctrica presenta un ciclo combinado con gas natural como combustible, en un ciclo Brayton que entrega calor - mediante un intercambiador de calor - al ciclo de vapor. Este último es un ciclo Rankine ideal regenerativo con recalentamiento, con dos calentadores de agua de alimentación, uno abierto y uno cerrado. La representación gráfica, así como el diagrama T-s del ciclo combinado se muestran a continuación. Figura 7. Representación Gráfica y Diagrama T-s del Ciclo Combinado Fuente. (Ronceros, 2021) Para la elaboración del presente trabajo, se realizó el siguiente procedimiento: 5.1. Cálculo de entalpías en el ciclo de vapor Estado 1: (15 kPa, x=0) ℎ = 225. 94 𝑘𝐽/𝑘𝑔 1 3 𝑣 = 0. 001014 𝑚 /𝑘𝑔 1 Estado 2: (0.5 MPa, 𝑣 = 𝑣 ) 1 2 ℎ = ℎ + 𝑣(𝑃 − 𝑃 ) 2 1 2 1 ℎ = 226. 432 𝑘𝐽/𝑘𝑔 2 Estado 3: (0.5 Mpa, x=0) ℎ = 640. 09 𝑘𝐽/𝑘𝑔 3 3 𝑣 = 0. 001093 𝑚 /𝑘𝑔 3 Estado 4: (15 MPa, 𝑣3 = 𝑣4) ℎ4 = ℎ3 + 𝑣(𝑃4 − 𝑃3) ℎ4 = 655. 9385 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Estado 5: (15 MPa, 𝑇 ≈ 𝑇 ) 5 6 𝑇 ≈ 250. 35 º𝐶 5 P = 15 MPa T (ºC) h (kJ/kg) 240 1039.2 250.3 5 ℎ 260 1134 5 Tabla 1. Interpolación de ℎ 5 ℎ = 1088. 259 𝑘𝐽/𝑘𝑔 5 Estado 6: (4 MPa, x=0) ℎ = 1087. 4 𝑘𝐽/𝑘𝑔 6 3 𝑣 = 0. 001252 𝑚 /𝑘𝑔 6 Estado 7: (15 MPa, 𝑣 = 𝑣 ) 6 7 ℎ = ℎ + 𝑣(𝑃 − 𝑃 ) 7 6 7 6 ℎ = 1101. 172 𝑘𝐽/𝑘𝑔 7 Estado 9: (15 MPa, 600 ºC) ℎ = 3583. 1 𝑘𝐽/𝑘𝑔 9 𝑠 = 6. 6796 𝑘𝐽/𝑘𝑔 · 𝐾 9 Estado 10: (4 MPa, 𝑠9 = 𝑠10) ℎ10 = 3155. 034 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑇10 = 375. 468 º𝐶 Estado 11: (4 MPa, 600 ºC) ℎ 11 𝑠 11 = 3674. 9 𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 7. 3706 𝑘𝐽/𝑘𝑔 · 𝐾 Estado 12: (0.5 MPa, 𝑠 11 =𝑠 ) 12 P = 0.5 MPa T (ºC) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) 250 𝑇 2961 7.2725 ℎ 12 7.3706 12 300 3064.6 7.4614 Tabla 2. Interpolación de ℎ 12 ℎ 12 𝑇 12 = 3012. 82 𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 276 º𝐶 Estado 13: (15 kPa, 𝑠 11 𝑠 13 𝑠 13 ℎ ℎ 13 13 13 = 7. 3706 𝑘𝐽/𝑘𝑔 · 𝐾 𝑠 <𝑠 𝑓 =𝑠 ) 13 <𝑠 𝑔 = 𝑠 + 𝑥· 𝑠 𝑓 =ℎ + 𝑥 ·ℎ 𝑓 x=0.9122 𝑓𝑔 𝑓𝑔 = 2390. 0316 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Estado 8: (∑ 𝑚'ℎ = ∑ 𝑚'ℎ) 𝑒 𝑠 Figura 8. Representación Gráfica de Intercambiador de Temperatura Fuente. (Ronceros, 2021) 𝑦 ·ℎ 10 + (1 − 𝑦)ℎ = ℎ (1 − 𝑦) + ℎ · 𝑦 4 5 6 y = 0.1729 Figura 9. Representación Gráfica de Calentador Abierto Fuente. (Ronceros, 2021) 𝑧 ·ℎ 12 + (1 − 𝑦 − 𝑧)ℎ = ℎ (1 − 𝑦) 2 3 z = 0.1228 Figura 10. Representación Gráfica de Calentador Abierto Fuente. (Ronceros, 2021) 𝑦 · ℎ + (1 − 𝑦)ℎ = ℎ 7 5 8 ℎ = 1090. 492 𝑘𝐽/𝑘𝑔 8 5.2. Cálculo de entalpías en el ciclo de gas Estado 14: (𝑇 ℎ 14 𝑃 14 = 300 𝐾) = 300. 19 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑟14 = 1. 386 Estado 15: (rp = 4) 𝑃 𝑃 15 = 𝑃 14 𝑟15 𝑃 = 4 ⇒ 𝑃 𝑟14 = 5. 544 𝑟15 T (K) h (kJ/kg) Pr 440 441.61 5.332 𝑇 ℎ 15 5.544 15 450 451.8 5.775 Tabla 2. Interpolación de ℎ y 𝑇 15 ℎ 15 𝑇 15 = 446. 486 𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 444. 8 𝐾 Estado 16: (𝑇 ℎ 16 𝑃 15 16 = 1300 𝐾) = 1395. 97 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑟16 = 330. 9 Estado 17: (rp = 4) 𝑃 16 𝑃 𝑃 = 17 𝑟16 𝑃 = 4 ⇒ 𝑃 𝑟17 T (K) h (kJ/kg) 920 𝑇 17 940 955.38 ℎ 17 977.92 = 82. 725 𝑟17 Pr 82.05 82.725 89.28 Tabla 2. Interpolación de ℎ y 𝑇 17 ℎ 17 𝑇 17 = 957. 48 𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 921. 9 𝐾 Estado 18: (𝑇18 = 450 𝐾) ℎ18 = 451. 8 𝑘𝐽/𝑘𝑔 17 5.3. Cálculo de relación vapor-gas Figura 11. Representación Gráfica de Recalentamiento Fuente. (Ronceros, 2021) ṁ · ℎ + ṁ (1 − 𝑦) · ℎ 𝑣 𝑟 = 8 𝑣 ṁ 𝑣 = ṁ 𝑔 5.4. ℎ −ℎ 17 +ṁ ·ℎ 10 𝑔 18 ℎ +(1−𝑦)·ℎ −ℎ −(1−𝑦)·ℎ 9 11 8 17 = ṁ · ℎ + ṁ (1 − 𝑦) · ℎ 𝑣 = 0. 1729 10 9 𝑣 𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑠 Cálculo del trabajo neto En el Ciclo de Vapor: 𝑤 𝑤 𝑇𝑣 𝑇𝑣 | = ℎ −ℎ 9 | + (1 − 𝑦)|ℎ11 − ℎ12| + (1 − 𝑦 − 𝑧)|ℎ12 − ℎ13| 10 = 1414. 302 𝑘𝐽/𝑘𝑔 | | | | | 𝑤 = (1 − 𝑦 − 𝑧) ℎ − ℎ + (1 − 𝑦) ℎ − ℎ + 𝑦 ℎ − ℎ 𝑏 2 1 4 5 𝑤 = 15. 836 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑏 𝑤 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝑉 =𝑤 𝑇𝑣 − 𝑤 = 1398. 466 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑏 En el Ciclo de Gas: 𝑤 𝑤 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝐺 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝐺 | =𝑤 −𝑤 = ℎ 𝑇 𝑐 16 −ℎ | − |ℎ15 − ℎ14| 17 = 292. 194 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Trabajo Neto Ideal Total: 𝑤𝑁𝑒𝑡𝑜 = 𝑤𝑁𝑒𝑡𝑜 𝐺 + 𝑤𝑁𝑒𝑡𝑜 𝑉 · 𝑟 = 533. 989 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝑔𝑎𝑠 7 | 6 11 +ṁ ·ℎ 𝑔 18 5.5. Cálculo de la eficiencia térmica ideal: Calor específico del ciclo: | 𝑞 = ℎ 𝑒 15 𝑡𝑒𝑟𝑚 𝑁𝑒𝑡𝑜 = = 56. 24 % 𝑞𝑒 Cálculo de entalpías reales (𝑛 = 85% y 𝑛 = 90%) 𝑐 ℎ15−ℎ 14 0. 85 = ℎ −ℎ 15𝑅 ℎ −ℎ 16 0. 9 = ⇒ℎ 14 17𝑅 ℎ −ℎ 16 5.7. | = 949. 484 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑤 𝑛 5.6. −ℎ 16 17 15𝑅 𝑡 = 472. 303 𝑘𝐽/𝑘𝑔 ⇒ℎ 17𝑅 = 1001. 329 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Cálculo de la relación vapor-gas real: Figura 12. Representación Gráfica de Recalentamiento Fuente. (Ronceros, 2021) ṁ · ℎ + ṁ (1 − 𝑦) · ℎ 𝑣 𝑟' = 8 ṁ 𝑣 ṁ 𝑔 5.8. 𝑣 = ℎ 17𝑅 10 +ṁ ·ℎ 𝑔 −ℎ 18 ℎ +(1−𝑦)·ℎ −ℎ −(1−𝑦)·ℎ 9 11 8 17𝑅 = ṁ · ℎ + ṁ (1 − 𝑦) · ℎ 𝑣 = 0. 188 10 9 𝑣 𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑠 Cálculo del trabajo neto real En el Ciclo de Vapor: | | | | | 𝑤𝑇𝑣 = ℎ9 − ℎ10 + (1 − 𝑦) ℎ11 − ℎ12 + (1 − 𝑦 − 𝑧) ℎ12 − ℎ13 𝑤𝑇𝑣 = 1414. 302 𝑘𝐽/𝑘𝑔 | | | | | 𝑤𝑏 = (1 − 𝑦 − 𝑧) ℎ2 − ℎ1 + (1 − 𝑦) ℎ4 − ℎ5 + 𝑦 ℎ7 − ℎ6 𝑤𝑏 = 15. 836 𝑘𝐽/𝑘𝑔 | | 11 +ṁ ·ℎ 𝑔 18 𝑤 =𝑤 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝑉 𝑇𝑣 − 𝑤 = 1398. 466 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑏 En el Ciclo de Gas: 𝑤 𝑤 | ' =𝑤 ' −𝑤' = ℎ 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝐺 𝑇 𝑐 16 −ℎ | − |ℎ15𝑅 − ℎ14| 17𝑅 ' = 222. 528 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝐺 Trabajo Neto Real Total: 𝑤 5.9. ' =𝑤 𝑁𝑒𝑡𝑜 ' +𝑤 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝐺 ' · 𝑟' = 485. 440 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝑉 Cálculo de la eficiencia térmica real: Calor específico del ciclo: | 𝑞' = ℎ 𝑒 𝑛 16 ' = 5.10. 15𝑅 𝑤𝑁𝑒𝑡𝑜' 𝑞' 𝑡𝑒𝑟𝑚 | = 923. 667 𝑘𝐽/𝑘𝑔 −ℎ = 52. 555 % 𝑒 Cálculo del gas requerido (kg/s) Ciclo ideal 𝑊 = 250 𝑀𝑊 = ṁ · 𝑤 ṁ𝑔 = 250000 𝑘𝐽/𝑠 533.989 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝑔 𝑁𝑒𝑡𝑜 = 468. 174 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑠/𝑠 𝑔𝑎𝑠 Flujo de vapor en el ciclo Rankine (kg/s): ṁ 𝑟 = 𝑣 ṁ𝑔 = 0. 1729 ṁ = 80. 947 𝑘𝑔 𝑣 𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑠 ⇒ ṁ = 0. 1729 ṁ 𝑣 /𝑠 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 Ciclo real 𝑊 ' = 250 𝑀𝑊 = ṁ · 𝑤 𝑁𝑒𝑡𝑜 ṁ'= 𝑔 𝑔 ' = 514. 997 𝑘𝑔 250000 𝑘𝐽/𝑠 485.440 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑁𝑒𝑡𝑜 𝑔𝑎𝑠 /𝑠 𝑔𝑎𝑠 Flujo de vapor que en el ciclo Rankine (kg/s): 𝑔 𝑔𝑎𝑠 𝑟' = ṁ𝑣 𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑠 = 0. 188 ṁ 𝑔 ṁ ' = 96. 819 𝑘𝑔 𝑣 5.11. ⇒ ṁ ' = 0. 188 ṁ 𝑣 𝑔 /𝑠 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 Combustión Asumiendo combustión completa: 𝐶𝐻 + α (𝑂 + 3. 76 𝑁 ) → 𝑥 𝐶𝑂 + 𝑦 𝐻 𝑂 + 𝑧 𝑁 4 2 𝐶: 𝑥 = 1 2 2 2 2 𝐻: 𝑦 = 2 𝑁: 3. 76 α = 𝑧 = 7. 52 𝑂: α = 𝑥 + 0. 5 𝑦 α= 2 Ecuación balanceada: 𝐶𝐻 + 2 (𝑂 + 3. 76 𝑁 ) → 𝐶𝑂 + 2 𝐻 𝑂 + 7. 52 𝑁 4 2 2 2 2 2 Asumiendo aire en exceso: 𝐶𝐻 + 2(1 + 𝑒)(𝑂 + 3. 76 𝑁 ) → 𝑥 𝐶𝑂 + 𝑦 𝐻 𝑂 + 𝑧 𝑁 + 𝑤 𝑂 4 2 𝐶: 𝑥 = 1 2 2 2 Cálculo de 𝐻 𝑓 + 2(1 + 𝑒)(ℎ + ∆ℎ) 𝑓 𝐶𝐻 4 𝑁 𝑂 2 2 3029 444.8 ∆ℎ ∆ℎ 𝑁 2 5912 𝑂 2 6088 Tabla 3. Interpolación de ∆ℎ y ∆ℎ 𝑁 2 𝑁 = 4288. 568 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 ∆ℎ 2 𝑓 ∆ℎ (𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙) ∆ℎ (𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙) 2971 ∆ℎ + 7. 52(1 + 𝑒)(ℎ + ∆ℎ) 𝑂 2 400 500 𝑤 = 2𝑒 𝑅 𝐻 = (ℎ + ∆ℎ) T(K) 2 𝐻: 𝑦 = 2 𝑁: 7. 52(1 + 𝑒) = 𝑧 𝑂: 2(1 + 𝑒) = 𝑥 + 0. 5𝑦 + 𝑤 𝑅 2 𝑂 𝑂 2 = 4399. 432 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 2 𝐻𝑅 = (− 74873) + 2(1 + 𝑒)(4399. 432) + 7. 52(1 + 𝑒)(4288. 568) 𝐻𝑅 = − 33824. 10464 + 41048. 89536 𝑒 𝑁 2 Cálculo de 𝐻 𝑃 𝐻 = (ℎ + ∆ℎ) 𝑃 𝑓 + 2(ℎ + ∆ℎ) 𝑓 𝐶𝑂 + 7. 52(1 + 𝑒)(ℎ + ∆ℎ) 𝑓 𝐻 𝑂 2 2 𝑁 1300 𝑂 2 2 31501 𝑓 2 ∆ℎ (𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙) ∆ℎ (𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙) ∆ℎ T(K) + 2𝑒(ℎ + ∆ℎ) 𝑁 33351 𝐶𝑂 (𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙) ∆ℎ 𝑂 2 (𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙) 𝐻𝑂 2 2 50158 30903 Tabla 4. Datos de 𝐻 𝑃 𝐻 = (− 393522 + 50158) + 2(− 241827 + 30903) + 7. 52(1 + 𝑒)(31501) + 2𝑒(33351) 𝑃 𝐻 = − 528324. 48 + 303589. 52 𝑒 𝑃 Llama Adiabática 𝐻 =𝐻 𝑅 𝑃 − 33824. 10464 + 41048. 89536 𝑒 = − 528324. 48 + 303589. 52 𝑒 𝑒 = 1. 8835 Ecuación Balanceada: 𝐶𝐻 + 5. 767 (𝑂 + 3. 76 𝑁 ) → 1 𝐶𝑂 + 2 𝐻 𝑂 + 21. 684 𝑁 + 3, 767 𝑂 4 2 2 2 2 2 Cálculo de la relación A/C 𝑟 𝑟 𝐴/𝐶 = 4.76×5.767×29 12+4 = 49. 755 𝐴/𝐶 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 Cálculo de flujo másico de aire y combustible ideal ṁ =ṁ 𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 +ṁ 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 468. 174 𝑘𝑔 ṁ = 458. 950 𝑘𝑔/𝑠 ṁ = 9. 224 𝑘𝑔/𝑠 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏 /𝑠 ṁ 𝑔𝑎𝑠 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 49. 755 ṁ 𝑐𝑜𝑚𝑏 Cálculo de flujo másico de aire y combustible real ṁ𝑔' = ṁ𝑎𝑖𝑟𝑒' + ṁ𝑐𝑜𝑚𝑏' = 514. 997 𝑘𝑔𝑔𝑎𝑠/𝑠 ṁ𝑎𝑖𝑟𝑒' = 49. 755 ṁ𝑐𝑜𝑚𝑏' 2 ṁ ' = 504. 850 𝑘𝑔/𝑠 ṁ ' = 10. 147 𝑘𝑔/𝑠 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏 Consumo anual del ciclo combinado Densidad del 𝐶𝐻 : ρ 𝐶𝐻 4 = 0. 657 𝑘𝑔/𝑚 3 4 Flujo volumétrico del 𝐶𝐻 : 4 ṁ 𝑉' 𝐶𝐻 4 = ' 𝑐𝑜𝑚𝑏 ρ𝐶𝐻 3 10.147 = 0.657 = 15. 444 𝑚 /𝑠 4 Volúmen de combustible anual 3 𝑉 𝐶𝐻 = 15. 444 4 𝑚 𝑠 × 3600 𝑠 ℎ × 24 3 ℎ 𝑑í𝑎 × 365 𝑑í𝑎𝑠 = 487 056 000 𝑚 /𝑎ñ𝑜 𝑎ñ𝑜 Costo anual en dólares 3 1 𝑀𝑀𝐵𝑇𝑈 = 28. 263682 𝑚 𝐶𝐻4 = $ 3. 52 3 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 487 056 000 𝑚 × 1 𝑀𝑀𝐵𝑇𝑈 28.263682 𝑚 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = $ 60 658 661. 53 3 × $ 3.52 1 𝑀𝑀𝐵𝑇𝑈 $1 = 𝑆/. 3. 97 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 𝑆/. 240 814 886. 27 6. RESULTADOS Los resultados obtenidos anteriormente en la turbina y compresor ideales como para los reales, nos ayudarán a realizar una comparativa en los cambios que se producen por cada situación. Cabe resaltar que para este último se consideró una eficiencia isentrópica en la turbina de 90% y en el compresor de 85%. Figura 13. Gráfica T-s del ciclo combinado. Elaboración propia En la Tabla 1 se presentan los valores de entalpía para cada estado del proceso, tanto ideal como real. Tabla 5. Entalpías de los estados. Fuente: Elaboración propia. Los valores que se encuentran resaltados en la tabla corresponden a las entalpías que varían según el ciclo, entre ideal y real. Estos fueron evaluados de acuerdo a los datos obtenidos de las turbinas, de gas y vapor, y del compresor. En la siguiente tabla (Ver tabla 2), se presenta la relación de vapor-gas encontrada durante la realización del presente trabajo. Se logra observar que su valor puede variar según el proceso, ya sea ideal o real. El proceso ideal consume menos gas que el real con un mismo flujo de vapor. Tabla 6. Relación vapor-gas. Fuente: Elaboración propia En la tabla 3, de la misma manera que en los casos anteriores, se visualiza una variación respecto a los resultados obtenidos, ya sea si el ciclo es ideal o real. La variación en el trabajo neto del ciclo de gas es de 69.666 kJ/kg y la variación del trabajo neto del ciclo combinado es de 48.549 kJ/kg. Tabla 7. Trabajo neto del ciclo de vapor, ciclo de gas y ciclo combinado. Fuente: Elaboración propia. En la tabla 4 se muestra la eficiencia térmica del ciclo combinado. Esto se realiza con la finalidad de poder obtener cuanto porcentaje del calor suministrado al sistema se transforma en trabajo neto. En el proceso ideal la eficiencia es mayor a la del proceso real. Sin embargo, su variación no es tan grande, de 3.685%. Tabla 8. Eficiencia térmica del ciclo combinado real e ideal. Fuente: Elaboración propia. En la tabla 5 se presenta los flujos másicos del gas, del vapor, del aire y del combustible. Se puede visualizar que los valores reales son mayores a los valores ideales, es decir que habrá mayor consumo. Si bien, a pesar que el flujo másico del combustible es menor a los demás, es el más costoso. En la tabla 6 se señalará el costo anual de la planta termoeléctrica. Tabla 9. Flujo másico de los fluidos utilizados. Fuente: Elaboración propia. En la siguiente tabla se observa que el costo anual de la planta será de 60.7 millones de dólares o 240.8 millones de soles. Este valor se calculó según el costo de 1 MMBTU, el cual es la unidad utilizada para el gas natural. Tabla 10. Costo anual de la central termoeléctrica. Fuente: Elaboración propia. 7. CONCLUSIONES ❖ Debido al alto consumo en la ciudad de Lima con un aproximado del 99.9% de la población, se necesitaba el desarrollo de una nueva planta termoeléctrica que brindara un aproximado de 250 MW. Por ello, la localización para este diseño se llevó a cabo en Ventanilla, donde se aprovecharon las condiciones locales como un terreno cerca al mar para obtener un buen refrigerante y el terreno a nivel del mar para reducir la eficiencia energética que podría perderse por no estar en un lugar óptimo. Por último, estar en la cercanía del gasoducto Camisea con el que se tendrá el flujo de gas constante para el trabajo. ❖ Al calcular la eficiencia térmica del ciclo realizado, se obtuvo un valor mayor al 50%, esto quiere decir que más del 50% de la energía suministrada se convierte en trabajo. Por ello, es posible afirmar que el ciclo tiene un buen desempeño. En comparación con la eficiencia ideal la real es ligeramente más baja; sin embargo esta se mantiene sobre el 50%. ❖ Se logró diseñar la central termoeléctrica con la potencia requerida de 250 MW. Esta, como se mencionó anteriormente, deberá ubicarse al nivel del mar y cerca a un gasoducto. Esto con la finalidad de poder brindar mayor productividad y desempeño en la realización del presente diseño. Además, se considera óptimo que se ubique la central en el distrito de ventanilla. 8. BIBLIOGRAFÍA 11°53’37.8"S 77°08’25.4"W - Google Maps. (2021, June 26). Google. https://www.google.com/maps/place/11°53’37.8%22S+77°08’25.4%22W/@-11.8916885 ,-77.1573558,14z/data=!4m5!3m4!1s0x0:0x0!8m2!3d-11.8938407!4d-77.1403935 Bnamericas. (2020, June 9). Proyección de eléctrica demanda de Perú.Bnamericas. https://www.bnamericas.com/es/noticias/proyeccion-de-demanda-electrica-de-peru-se-r ecuperara-en-2021 Bianchini, J., & Santana, F. (2015). Mayor Eficiencia Energética con Menos Combustible: Ciclo Rankine x Ciclo Rankine Regenerativo. https://www.atamexico.com.mx/wp-content/uploads/2017/11/10-FÁBRICA-2015.pdf Enel Generación Perú . (2016, September). Américas. Enel https://www.enelamericas.com/es/conocenos/a201609-enel-generacion-peru.html Osinergmin. (2015, December 15). 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