Cogeneración - Raimon Argemi AESA - Presentaciones
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A E, S. A. 1
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.Contenido
1 Introduccinalacogeneracin.Fundamentacin,tecnologayeconoma
2 Elestudiodeviabilidadcomoherramientadedecisin3 Ciclosdecogeneracin
CiclosimpleCiclocombinadoTrigeneracinAplicacionesaprocesosdesecadoPoligeneracin
4 Componentesdeunsistemadecogeneracin5 Conexinalareddelossistemasdecogeneracin6 Alternativasparaeldesarrollodeunproyectodecogeneracin7 Microcogeneracin
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SISTEMAS DE COGENERACIN.
FUNDAMENTOS Y APLICACIONES
Raimon Argem Puigdomnech A E, S.A.
ASESORA ENERGTICA
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Energas deseadas(fciles de usar)
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
No todas las formas energticas producen el efecto deseado.
Es necesario convertir las energas primarias en formas energticas tiles
Escasas
Energa Elctrica
Fcil de transportar
Fcil de convertir en otras formas de energa
No existe en la naturaleza en forma aprovechable
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
ENERGAS PRIMARIAS(presentes en la naturaleza)
ENERGAS SECUNDARIAS(disponibles en el mercado)
ENERGAS TERCIARIAS(directamente tiles)
[crudo, gas natural, carbn]
[combustible (fuelleo, gasleo, gas natural), electricidad AT]
[vapor, agua caliente, gases calientes, fro, aceite trmico, electricidad MT y BT]
Sector energtico
Sector industrial y terciario
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
1 ley de la termodinmica:
La cantidad total de energa de un sistema aislado permanece invariable con el tiempo.
La cantidad de energa antes y despus de una conversin ser siempre la misma.
2 ley de la termodinmica:
La entropa de un sistema aislado jams disminuye, y tiende a incrementarse con el tiempo.
Al convertir la energa es inevitable que parte de sta se degrade, y se disipe al ambiente en forma de contaminacin trmica.
A menudo, tambin: Emisin de contaminantes (NOx, CO, SO2, etc.). Gases de efecto invernadero (CO2). Emisin de partculas.
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1973 - 1974.1980 - 1988.
1986.1990.1991.1997.2003.
1 crisis del petrleo.Guerra Irn-Iraq.2 crisis del petrleo.1 Guerra del Golfo.Disolucin URSS.Crisis asitica.2 Guerra del Golfo.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
Inestabilidad poltica en pases productores de petrleo y gas natural. Inestabilidad en el suministro. Aumento del precio de los combustibles fsiles.
Se empez a buscar nuevos sistemas que asegurasen la economa y la preservacin de las reservas fsiles de petrleo y gas natural.
La cogeneracin aparece, adems, como un sistema excepcionalmente eficiente para la reduccin de las emisiones de gases de efecto invernadero
Hasta 1973, el precio del petrleo se haba mantenido en un muy bajo coste; la electricidad era lo suficientemente barata para que no fuese necesario ingeniar nuevos sistemas para economizar la energa.
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
La cogeneracin es un:
Sistema de produccin de electricidad a partir de combustibles basado en el aprovechamiento del calor (que inevitablemente se genera en este proceso termoelctrico) para atender una demanda trmica econmicamente justificable.
Este aprovechamiento del calor es la base de su mayor eficiencia respecto a las centrales de tipo convencional, que lo deben disipar al ambiente.
ESTA MAYOR EFICIENCIA RESPECTO A SISTEMAS CENTRALIZADOS DA SENTIDO A LA COGENERACIN
Desde un punto de vista de economa productiva, debe considerarse adicionalmente la seguridad de suministro que, complementariamente, aportan los sistemas de cogeneracin.
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
PROCESO CONVENCIONAL
ENERGA PRIMARIA
SECTOR ENERGTICO
ENERGA SECUNDARIA
SECTOR INDUSTRIAL
ENERGA TERCIRIA
Yacimientos GN, petrleo, etc.
Refineras, plantas de depuracin
GN, fuel-oil, etc. Calderas de vapor
Vapor
Central termoelctrica
(R=52%)
Transformacin Alta Tensin
(1% prdidas)
Prdidas por transporte y
transformacin BT(6%)
214 111
100(R=90%)
103
54 53
50Electricidad
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
PROCESO COGENERATIVO
SECTOR ENERGTICO
TECNOLOGAS COGENERACIN
Yacimientos GN, petrleo, etc.
Refineras, plantas de depuracin
GN, fuel-oil, etc. Instalacin Cogeneracin
(R=80%)
Vapor
Central termoelctrica
Electricidad Alta Tensin
Prdidas por transporte
(1%)
187 187
100
50Electricidad
ENERGA PRIMARIA
ENERGA SECUNDARIA
ENERGA TERCIRIA
Ahorro Energa Primaria:(214 187) / 214 = 12,6%
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
Produccin centralizada, transmisin y consumo
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
Produccin distribuida y consumo
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.
La cogeneracin permite nuevos incrementos de eficiencia y potencial
Evolucin de los rendimientos de las distintas tecnologas
Los rendimientos obtenibles por las grandes centrales ya no son mejorables significativamente.
Las imposiciones medioambientales y el NIMBY alejan cada vez ms las centrales termoelctricas de los centros de consumo.
Las tecnologas de microgeneracinpermitirn ampliar el potencial de cogeneracin en el sector terciario.
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Una planta de cogeneracin bien diseada contribuye al ahorro de energa primaria.
Este ahorro depender de los siguientes factores:
Dimensiones de la planta. Ajustes en el diseo de la planta para
la demanda de calor.
RENDIMIENTO TRMICO (RV)
y Es la relacin entre el calor til generado (V) y el consumo total del combustible de la planta:
RENDIMIENTO ELCTRICO (RE)
y Es la relacin entre la energa elctrica generada (E) y el consumo total de combustible del sistema (Q)y Se define con la siguiente frmula:
RE(%) 100E
Q= RV(%) 100VQ=
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Parmetros caractersticos.
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RENDIMIENTO GLOBAL (RG)
Proporciona una idea de la eficiencia de la planta como productora de electricidad y calor til.Se define como el cociente de la suma de energa elctrica generada (E) y calor til (V) entre la cantidad de combustible consumido (Q):
No es un parmetro til para comparar plantas de cogeneracin, ya que le da el mismo peso al calor til y a electricidad generados.
RG(%) 100E V
Q
+=
RENDIMIENTO ELCTRICO EQUIVALENTE (REE)
Permite comparar el rendimiento de una planta de cogeneracin con el rendimiento de una central ordinaria.
Se define con la siguiente frmula:
Este parmetro no considera las prdidas en las redes de transporte y distribucin.
REE 100
EV
QRef H
=
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Parmetros caractersticos.
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AHORRO DE ENERGA PRIMARIA (AEP)
EP es el consumo de energa primaria necesario para la produccin separada de calor y electricidad
Entonces, el Ahorro de Energa Primaria se define como:
AHORRO PORCENTUAL DE ENERGA PRIMARIA (PES)
PES se define como el cociente entre el ahorro de energa primaria absoluto (AEP) y el consumo de energa primaria necesario para separar las producciones de electricidad y calor:
EP
E V
Ref E Ref H= +
AEP
E VQ
Ref E Ref H= +
PES(%) 100 1 100
AEP QE VEP
Ref E Ref H
= = +
Donde Ref E es el rendimiento elctrico de la planta elctrica (incluyendo las prdidas por transporte y transformacin de voltaje). Depende del voltaje generado.Ref H es el rendimiento trmico de la produccin de calor.
Donde Q es el consumo de combustible de la planta de cogeneracin.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Parmetros caractersticos.
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Eficiencia energtica:- Ahorro de energa primaria y aumento de reservas de combustibles fsiles.- Seguridad de suministro.- Garanta de potencia y control de la energa.- Produccin distribuida.
Eficiencia medioambiental:- Menos emisiones de gases de efecto invernadero.- Menor contaminacin trmica.
Eficiencia econmica:- Es la tecnologa ms econmica para suministrar electricidad a los usuarios.- Es la tecnologa ms econmica para ahorrar emisiones de CO2 en el sistema elctrico.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Conclusines
CONCLUSIONES
BENEFICIOS DE LA COGENERACIN:
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el estudio de viabilidad
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Anlisis de la demandaTiene por objeto definir los datos bsicos de partida a tener en cuenta para el diseo de la instalacin de cogeneracin. Este anlisis pretende determinar la demanda de calor til y la forma en que es utilizado. Se debe determinar
Tipologa de la demanda: vapor, agua caliente, aceite trmico, agua fra Caractersticas de la demanda: Temperatura de consumo, Presin de
consumo, temperatura de retorno, porcentaje de retorno de condensados Modelizacin de la demanda: perfil diario, semanal y mensual. Equipos de produccin de la demanda: Caldera de vapor y/o aceite trmico
y/o agua caliente (rendimiento), chiller elctrico (COP)..
Mediante la definicin de los apartados anteriores se pretende definir y modelizar lademanda para obtener el consumo cronolgico (hora a hora), mediante el cual establecemos la montona (curva cronolgica ordenada) mediante la que de disear y evaluaran las diferentes alternativas.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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Es muy difcil conocer este perfil, generalmente se usa uno perfil segn el tipo de industria (base de datos propia)
Se establece segn el horario de trabajo a lo largo de la semana
Se determina mediante las facturas de combustible/ electricidad
Facturas de combustible y electricidad
Equipos de Generacin
Rendimiento de los equipos
Caractersticas de la demanda
Imp: Temperatura, Presin.
Ret: Temperatura, % condensados
Consumo Energtico
en MWh/a
Caractersticas de la demanda
Calidad de la demanda (Temperatura)
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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Seleccin de AlternativasLas seleccin de alternativas tiene por objetivo determinar la tecnologa idnea para generar la demanda y la determinacin del rango de potencias a estudiar.
Seleccin de la Tecnologa en funcin de las caract. de la demanda
Calidad
Alta T: Gases de secado (400-500C) Media-alta T: Vapor de alta presin (P>20bara, 212C), aceite trmico (20 MWt, Demanda>25 t/h Media: Demanda entre 1 y 15 MWt, Demanda de 2 a 20 t/h Baja: Demanda
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Tecnologas segn la calidad y cantidad de la demandaA continuacin se clasifican las diferentes tecnologas segn la calidad y cantidad de la demanda
Turbina de Gas
Ciclo simple Ciclo Combinado Trigeneracin (1) Secado Microtrigeneracin
Motor de Gas
Ciclo Simple (2) Trigeneracin (1) Secado Micro trigeneracin
Calidad
Alta/media/baja Alta/media/baja Media/baja Alta Medaia/baja
Alta/media/baja Media/baja Alta Media/baja
Cantidad
Alta/media Alta/media Alta/media Alta/media Baja
Media Media Media Baja
(1) Generacin de fro mediante maquinas de absorcin de BrLicalidad baja y Amoniaco calidad media
(2) El 50% de la capacidad de produccin de calor es siempre agua caliente (HT camisas)
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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Determinacin de la potencia trmica a estudiar
Parmetros de diseo de una planta de cogeneracin:
Cantidad de demanda de calor => Determina la potencia de la planta
Temperatura de dicha demanda => Determina la tecnologa a seleccionar
La potencia trmica se dimensiona en base a las necesidades trmicas anuales y su comportamiento anual hora a hora, o curva montona
A continuacin se plantea el dimensionamiento de las tres posibles potencias planteables (superior a la media, igual a la media y inferior a la media
Planta demasiado pequea Planta demasiado grande
Desaprovechamiento del potencial trmico,
Eficiencias bajas y con alto riesgo de obtener resultados negativos.
Menores ahorros energticos frente una alternativa de mayor tamao
Es sensible a las variaciones de los precios de mercado (combustible y electricidad)
Mayor coste unitario del proyecto (/KWe)
Una inversin mayor tiene asociado un mayor riesgo econmico
22
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
175
115
0122
5130
0137
5145
0152
5160
0167
5175
0182
51
horas
M
W
Montona de Calor (Sector Alimentacin)
Vdis>Vmed
Vdis=Vmed
Vdis
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Estudio de las diferentes opciones de potencia.
1. Se empieza evaluando la potencia media Vdis = V/H
2. Se evalan plantas de menor potencia que la demanda media, con los contras planteados anteriormente y que se reflejaran en la evaluacin econmica
3. Se evalan plantas de mayor demanda hasta cubrir la demanda mxima, este caso puede ser beneficioso en algn caso tanto econmico como medioambientalmente (en valores absolutos y no en ndices especficos REE y PES). Esta solucin suele ser rentable a la practica con Ciclos combinados de 25MW que pueden competir contra generadores elctricos con un RE del 55%.
Todas las alternativas a estudiar debern cumplir con unas bases de diseo que se muestran a continuacin
Vcog
Sistemas auxiliares (postcombustin, calderas ..)
Vdis
Sistemas auxiliares (postcombustin, calderas
..)
Calor desechado/Calor Condensado para producir electricidad en Ciclos combinados
Calor desechado
Vdis
Vcog
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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Bases de diseo.Todas las alternativas a estudiar se disean segn las siguientes bases:
Rendimiento global de la instalacin RG = (E+V)/Q segn el Anexo II la Directiva 2004/8/CE. RG=80% si hay turbina de vapor de condensacin y RG=75% para el resto
En operacin, consecucin de un PES superior al 10% segn el Anexo III de la Directiva o, en Espaa, un REE > 55 59% segn la tecnologa (motores o turbinas), o un REE > 49,5 53% (micromotores o microturbinas).
En las plantas del sector terciario, destinadas a calefaccin y climatizacin, se considerar que siempre una parte de la electricidad generada cumple con los requisitos de eficiencia, y por lo tanto, tiene derecho prima al considerarse electricidad de cogeneracin. Se contabiliza la Electricidad de cogeneracin Ecog=CxV segn la Directiva 2004/8/ce y en Espaa la Eree segn el RD661.
La determinacin de la planta a instalar es, por lo tanto, un proceso con mltiples soluciones y debe plantearse como una seleccin entre diversas alternativas, tanto de tamao como de proceso.
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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Rendimientos de plantas consideradas de alta eficiencia
RE REE RG
Ciclo simple motores 40% 65% 75% C. Simple turbina gas 33% 69% 80% C. Simple turbina vapor 20% 51% 75% Ciclo combinado 40% 72% 80% C. Combinado gen.pura 55% 55% 55%
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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Estudio de las Diferentes alternativasUna vez modelizada la demanda y preseleccionado un rango de tecnologas y un rango de potencias, se evaluaran los siguientes aspectos de cada una de ellas.
Evaluacin energtica y medioambiental: calculo de las energas producidas, suministradas y consumidas durante un periodo anual y los ndices energticos REE, RG, PES, AEP. resultantes.
Evaluacin econmica del negocio (ingresos y gastos) segn el marco legal vigente RD661 y evaluacin de las inversiones. Resultados econmicos VAN, TIR, Pay-back
Evaluacin de la seguridad de suministro. Tan importante como los resultados econmicos y medioambientales es evaluar la cobertura y garanta el suministro energtico al usuario.
Calor. Prever fallo de equipos convencionales o fallo de cogeneracin. Electricidad. Prever fallo de red o fallo de cogeneracin.
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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Evaluacin energticaPara evaluar el comportamiento anual de la planta se realiza una evaluacin hora a hora sobre la montona de consumo que define el comportamiento horario de la demanda.
Para disear la planta AESA utiliza programas como el TESYS (balance energtico instantneo):
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Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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Para evaluar el comportamiento anual AESA utiliza programas como el RASYS
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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EconomaPara evaluar la economa del proyecto deben ser definidos:
Escenario energtico: Coste de las energas secundarias (Precio del combustible y precio de la electricidad) y coste de las energas terciarias (calor y fro) en funcin de las energas secundarias.
Costes adicionales: mantenimiento de los equipos generadores, personal de operacin, gestin energtica, mantenimiento general, seguros y varios.
Coste de la inversin. La determinacin de las inversiones debe ser un compromiso entre tiempo y margen de error, una inversin exacta se consigue despus de tener ofertas de suministradores y el proyecto desarrollado en su totalidad, por ello es muy importante tener referencias recientes de proyectos similares.
Mejoras medioambientalesClculo de Ahorro de Energa Primaria (AEP) y de ahorro en emisiones de CO2.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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caso prctico (I)
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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DATOS DEL PROCESO INDUSTRIAL
La papelera fabrica 125.000 t anuales de papel Programa de trabajo: continuo todo el ao menos agosto 8.500 h/a Consumo de vapor a 6 bar-a saturado y 14,5 bara saturada. Retorno de
condensados 80% a 80C Consumo de combustible anual 212.200 MWhpci/a. Consumo elctrico anual 59.000 MWh/a potencia promedio de 7,4 MWe,
potencia contratada 9,5 MWe
ES FACTIBLE INSTALAR UNA CENTRAL DE COGENERACIN?
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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Anlisis de la demanda
Consumo anual de 212.200 MWh/a Vapor de 14,5 bara:192.541 t/a promedio de 22,7 t/h Vapor de 6 bara: 82.275 t/a, promedio de 9,7 t/h Modelizacin de la demanda
segn perfil tipo de una papelera
Segn horario de trabajo
Segn facturas de gas
Montona
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
175
115
0122
5130
0137
5145
0152
5160
0167
5175
0182
51
horas
M
W
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Seleccin de Alternativas
La calidad trmica de la demanda es media La cantidad de la demanda es alta (32 t/h 22,5 MWt en promedio) Por la calidad y la cantidad se evaluaran ciclos simples y ciclos
combinados con turbina de gas
Rango de Potencia
Ciclos simples de 12 a 20 MWe. Considerando una C=0,6 tpica de un Cs TG para determinar el rango.
Ciclos combinados de 20 a 50 MWe. Considerando una C=1 tpica de un CCo TG para determinar el rango. Las plantas de 25 a 50 MWepresentarn condensacin
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 34
Diseo de las alternativas
Siguiendo los criterios expuestos a continuacin se disean ejemplos de diseo.
RG superiores al 80% en Cco con condensacin y 75% para el resto REE superiores al 59% (caso turbinas de gas) y el PES superior al 10%
aunque la importancia de estos valores radica en el resultado anual.
Para cumplir con las bases de diseo se ha considerado: CCo
Caldera con 2 niveles de generacin de vapor (60 y 6 bara). TV de Contrapresin desde 60 bara a 15 bara.
Cs
Caldera con 2 niveles de generacin de vapor (60 y 6 bara). TV de Contrapresin desde 60 bara a 15 bara.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 35
ALTERNATIVA 1 2 3 4 5 6 7 8Tipo de Ciclo Titan 130 en CS
32,4 t/hLA20 en CSS
32,4 t/hLM2500 PJ en
CS 32,4 t/hLA20 en CCo 2 calderines 32,4
t/h
LM2500 PJ en CCo 2 calderines
32,4 t/h
LM2500+ en CCo 2 calderines 32,4
t/h
RB211 en CCo 2 calderines 32,4
t/h
LM6000 en CCo 2 calderines 32,4
t/h
ESCRIPCIN DE LA ALTERNATIVAProduccin elctrica bruta (E) MWh/a 115.067 144.075 181.182 157.242 195.960 267.071 281.253 362.565Produccin elctrica neta MWh/a 111.615 139.753 175.746 153.311 191.061 260.394 274.222 353.501Consumo electricidad usuario MWh/a 0 0 0 0 0 0 0 0Electricidad a red MWh/a 111.615 139.753 175.746 153.311 191.061 260.394 274.222 353.501Electricidad de respaldo MWh/a 0 0 0 0 0 0 0 0
MWh/a 151.182 181.182 181.182 181.182 181.182 181.182 181.182 181.182Calor de calderas convencionales MWh/a 38.899 8.900 8.900 8.900 8.900 8.900 8.900 8.900Consumo combustible (Q) MWhPCI/a 333.758 425.296 487.253 425.296 487.221 611.989 640.192 802.245
MWhPCI/a 43.928 10.595 10.595 10.595 10.595 10.595 10.595 10.595Consumo agua desmineralizada m3/a 69.043 71.758 81.682 105.262 110.266 111.029 110.436 112.302
REE % 69,4 64,3 63,4 70,2 68,5 65,0 64,1 60,3RE % 34,5% 33,9% 37,2% 37,0% 40,2% 43,6% 43,9% 45,2%RG % 79,8% 76,5% 74,4% 79,6% 77,4% 73,2% 72,2% 67,8%AEP MWhpci/a 64.356 64.168 76.424 90.501 106.012 123.466 123.627 124.199Ahorro emisiones tCO2 13.004 12.966 15.443 18.287 21.422 24.948 24.981 25.096Ecog=c*v MWh/a 114.493 133.073 157.352 155.684 195.960 217.456 220.692 235.255%Ecog 100% 92% 87% 99% 100% 81% 78% 65%
% 15,2 12,1 12,5 16,5 16,8 15,6 15,0 12,1PES (REref
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Evaluacin econmica
Escenario energtico: 75 $/bbl Precio de la CMP: 21,92 /MWhpcs Precio del combustible: 27,5 /MWhpci Precio del pool elctrico promedio anual: 57,0 /MWh Tarifa de vento segn actual RD661 (se ha considerado venta a tarifa) Coste de las energas terciarias (Vapor): 31,7 /MWh
Costes adicionales: mantenimiento de los equipos generadores: 6,0 /MWhe personal de operacin::2,25 /MWh gestin energtica:0,3 /Mwhe min 20k/a mantenimiento general: 1% precio invercin seguros y varios:1,5% sobre la inversin +1 /Mwhe
Las inversiones se han determinado mediante la estimacin de los diferentes subsistemas y en referencia a la experiencia de AESA, validando el precio de los equipos principales con ofertas recientes de otros proyectos.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 37
ALTERNATIVA 1 2 3 4 5 6 7 8Tipo de Ciclo Titan 130 en CS
30 t/hLA20 en CSS 30
t/hLM2500 PJ en
CS 30 t/hLA20 en CCo 2
calderines 30 t/hLM2500 PJ en
CCo 2 calderines 30 t/h
LM2500+ en CCo 2 calderines 30
t/h
RB211 en CCo 2 calderines 30 t/h
LM6000 en CCo 2 calderines 30
t/h
ESCRIPCIN DE LA ALTERNATIVAInversin total prevista M 13,10 16,00 20,50 18,50 24,00 27,10 27,50 37,10
EVALUACIN ECONMICAINGRESOS M/a 15,56 17,50 20,27 19,06 22,04 26,21 27,11 32,29Precio mercado diario (76,44 /MWh) (76,44 /MWh) (76,44 /MWh) (76,44 /MWh) (76,44 /MWh) (72,48 /MWh) (72,48 /MWh) (72,48 /MWh)GASTOS M/a 12,86 14,97 17,31 14,90 17,15 21,55 22,52 28,19CASH-FLOW operacional M/a 2,70 2,53 2,96 4,17 4,88 4,66 4,59 4,09Coste de capital al 6% 10 aos M/a 1,78 2,17 2,79 2,51 3,26 3,68 3,74 5,04Cash-flow libre M/a 0,92 0,36 0,18 1,66 1,62 0,98 0,86 -0,95 CASH-FLOW M/a 2,70 2,53 2,96 4,17 4,88 4,66 4,59 4,09
aos 4,85 6,32 6,91 4,44 4,92 5,82 5,99 9,06
M/a 2,21 2,20 2,64 3,36 4,01 3,98 3,95 3,96TIR intrnseco a 10 aos despus de impuestos % 10,9 6,3 4,9 12,6 10,6 7,7 7,2 1,2VAN al 6% intrnseco a 10 aos despus de impuestos M 3,2 0,2 -1,0 6,2 5,5 2,2 1,5 -8,0
Cash-flow despus de impuestos
PERIODO RETORNO INVERSIN
Comparativa Econmica
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00
Potencia MWe
P
a
y
b
a
c
k
(
a
o
s
)
Comparativa Econmica
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00
Potencia MWe
T
I
R
(
%
)
Comparativa Econmica
-1,50
-1,00
-0,50
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00
Potencia MWe
C
a
s
h
f
l
o
w
l
i
b
r
e
(
M
)
C
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 38
Inversiones preliminares
Modalidad Llave en Mano
IMPORTES EN MILES DE EUROS
Descripcin Precio base ofertado Precio mnimo
Precio mximo Precio ms probable
- +Turbogenerador de gas 5% 5% 10300,0 9785,0 10815,0 10300,0Humidificador adibtico 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Motogeneradores gas / gasoil 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Generador de vapor 5% 5% 3800,0 3610,0 3990,0 3800,0Turbogenerador de vapor 5% 5% 1500,0 1425,0 1575,0 1500,0Mquina de absorcin d.e. 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Chillers convencionales 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Compresores de gas 5% 5% 600,0 570,0 630,0 600,0Generador de vapor convencional 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Electricidad alta tensin 5% 5% 700,0 665,0 735,0 700,0Teledisparo + Telecontrol 5% 5% 50,0 47,5 52,5 50,0Transformadores 5% 5% 505,4 480,2 530,7 505,4Electricidad baja tensin 10% 10% 290,0 261,0 319,0 290,0Sistema de gas combustible 10% 10% 160,0 144,0 176,0 160,0Sistema mecnico 10% 10% 635,0 571,5 698,5 635,0Quemadores 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Sistema Aire Comprimido 5% 5% 40,0 38,0 42,0 40,0Instrumentacin (incluye mon. gases) 5% 5% 220,0 209,0 231,0 220,0Tratamiento de agua + obra civil 5% 5% 50,0 47,5 52,5 50,0Conductos de gases 10% 10% 0,0 0,0 0,0 0,0Sistema de Control 10% 10% 110,0 99,0 121,0 110,0Sistema de Supervisin (SAD) 5% 5% 110,0 104,5 115,5 110,0Torre de refrigeracin 5% 5% 235,0 223,3 246,8 235,0Obra Civil 10% 10% 900,0 810,0 990,0 900,0Obra Civil subestacin elctrica 20% 20% 0,0 0,0 0,0 0,0Proteccin Contraincendios 5% 5% 45,0 42,8 47,3 45,0Ventilacin e insonorizacin 5% 5% 25,0 23,8 26,3 25,0Complementarios (pg, aa,mobiliario..) 10% 10% 20,0 18,0 22,0 20,0TOTAL INVERSIN FSICA 6% 6% 20295,4 19174,9 21416,0 20295,4Ingeniera (=12,5 + 2,5% IF) 607,4 607,4Direccin de obra 108,0 108,0Seguro montaje 25,4 25,4Costes avales 50,7 2,0%/a s/10% PV 50,7Legalizaciones 203,0 1,0% s/ IF 203,0Gastos Gestin Llave en Mano 405,9 2,0% s/ IF 405,9Imprevistos 608,9 3,0% s/ IF 569,0TOTAL COSTE PLANTA 22304,7 22264,8Beneficio industrial y contingencias 1784,4 8,0% s/ CP 1781,2Inversin en lnea externa 0,0 0,0Inversin externa (lnea elctrica) 0,0 0,0Precio Venta LLM 24089,0 24046,0
Coste especfico (/kW) 991 /kWe 990 /kWe
Criterios utilizadosprecio ms probable = (max+min+4*ofertado)/6Desviacin tipo () = (max-min)/6Desviacin tipo total = (2)
Grado precisin
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 39
Garanta de suministro
Garanta de suministro trmica: Todas las alternativas planteadas garantizan el suministro del 100% de la
energa trmica ya sea mediante la generacin de vapor por recuperacin con los gases de turbina o mediante los gases y la postcombustin. Los sistemas existentes se plantean como reserva para las indisponibilidades de la cogeneracin.
Garanta de suministro elctrica: Todas las alternativas planteadas garantizan el 100% del suministro
elctrico, en caso de tener que entrar en isla por fallo de la red elctrica, ya que todas las alternativas superan los 9,5 MWe contratados a compaa
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 40
PROPUESTA Tecnologa: Turbogenerador de gas en ciclo combinado Potencia elctrica de 20 a 25 MWe Inversin 20 a 25 M Resultados energticos
Ahorro de energa primaria. De 90 a 105 GWhpci/a REE entre el 68 y 70%, valor 10 puntos superior al exigido en el
actual RD661 PES aproximadamente del 16,5% muy superior al 10% del Anexo
III, para considerar la cogeneracin de alta eficiencia Resultados energticos
Pay back entre 3,5 y 4 aos TIR a 10 aos despus de impuestos aproximadamente un 15% VAN a 10 aos despus de impuestos unos 10 M Cash flow libre (cash flow costes de capital del 100% de la
inversin a 10 aos al 6% de inters) de 2,5 M
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 41
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 4242
caso prctico (II)
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 43
DATOS DEL PROCESO INDUSTRIAL
Industria qumica Programa de trabajo: 315 das al ao, continuo 24 horas da 7.500 h/a Consumo de vapor a 9 bar-a saturado, retorno de condensados 90% a
95C. Consumo de agua fra a 7C y agua caliente a 80C. Consumo de combustible anual 36.480 MWhpci/a. Consumo elctrico anual 20.200 MWh/a potencia promedio de 2,7 MWe,
potencia contratada 3,5 MWe. La factora cuenta con una trigeneracin de 1,6 MWe con motores de gas
ES FACTIBLE RENOVAR LAS INSTALACIONES DE COGENERACIN?
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 4444
Anlisis de la demanda
Consumo anual de vapor 34.900 MWh/a De lunes a viernes 125 t/da 5,2 t/h en promedio Fines de semana 75 t/da 3,1 t/h en promedio
Consumo de agua fra 7.030 MWh/a Periodos clidos de mayo a octubre 1,2 MW (puntas de 1,8 MW) Periodos fros de noviembre a abril 700 kW
Consumo de agua caliente 900 MWh/a, unos 100 kW en promedio
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 45
Seleccin de Alternativas
La calidad de la demanda es media La cantidad de la demanda media (6 t/h toneladas equivalentes 8,5
MWt en promedio) Por la calidad y la cantidad se evaluaran ciclos de trigeneracin con
turbina y motores de gas
Rango de Potencia
Trigeneracin de 6 MWe. Considerando una C=1 tpica de un MG para determinar el rango.
Trigeneracin de 4,5 MWe. Considerando una C=0,6 tpica de un TG para determinar el rango.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 46
Diseo de las alternativas
Siguiendo los criterios expuestos a continuacin se disean ejemplos de diseo. RG superiores al 75%, eso significa un mximo aprobechamiento del
agua caliente de los motores REE superiores al 59% (caso turbinas de gas) y 55% (caso motores de
gas) y el PES superior al 10% aunque la importancia de estos valores radica en el resultado anual.
Para cumplir con las bases de diseo se ha considerado: Trigeneracin motores
Generacin de las demandas de calefaccin mediante agua caliente, generacin de las demandas de fro mediante mquina de absorcin de simple efecto con agua caliente.
Trigeneracin turbinas Generacin de fro mediante vapor (mquina de absorcin de doble
efecto)
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 47
ALTERNATIVAS ESTUDIADAS Situacin sin cogeneracin Planta actualMG 6,1
MWMG 6,4
MWTG 4,5
MW
Potencia elctrica instalada(1) (kW) - 1.600 6.088 6.470 4.479
Produccin elctrica bruta (2), E (MWh/a) - 6.521 42.343 45.000 32.168
Calor til para proceso, V (MWh/a) 24.221 4.623 19.743 18.854 22.241
Frio para proceso, F (MWh/a) 7.031 2.565 6.469 6.469 3.668
Consumo combustible, Q (MWhPCI/a) 18.592 99.432 102.965 85.179
REE (= E/[Q-V/0,9-F]) (%) - 61,5% 64,0% 63,7% 64,9%
RG (=[E+V+F]/Q) (%) 90,0 % 73,7% 68,9% 68,3% 68,2%
PES(3) (REref 25kV=49,6%, RVref=90%) (%) - 18,9% 16,0% 16,1% 11,1%
AEP(4) (Ahorro E. Primaria) (MWhPCI/a) - 3.510 15.899 16.588 9.472
Ahorro emisiones (t/a de CO2) (5) - 702 3.180 3.318 1.894
(1) Los clculos han sido efectuados con el programa TESYS, desarrollado por el Grupo AESA (2) En el estudio se tendr en cuenta que la disponibilidad de equipos generadores es de 92% para MG y 95% para TG. (3) Para el calculo del ahorro de energa primaria o PES (Primary Energy Savings) se considera un rendimiento elctrico de referencia de REref=
49,56% conectado a 25 kV, con un RVref=90%(4) Ahorro de energa primaria: AEP = (E/0,496 + (V+Vfrio)/0,9) Q. Calculada contabilizando el gas natural ahorrado en calderas convencionales
y el gas natural evitado en una planta de generacin elctrica de ciclo combinado(5) Los ahorros de emisiones de CO2 estn calculados en base al ratio de emisin de 0,2t/MWhpci.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 48
Evaluacin econmica Precio del brent: 75 $/bbl, cambio EUR/USD = 1,2
Precio de gas natural 27,5 /MWhPCI Precio la CMP 21,92 /MWhPCS Electricidad a usuario 81,75 /MWh
Electricidad de exportacin Venta de excedentes segn RD661/04 operando en el mercado: - Precio estimado del pool elctrico medio anual: 57,0 /MWh- Planta con ms de 10 aos de antigedad: 64,61 /MWh- Planta con ms de 10 aos de antigedad: 77,84 /MWh
Exportacin total de electricidad
Valorizacin calor 31,7 /MWh
Mantenimiento especializado:- Motogenerador de gas: 8,0 /MWh- Turbina de gas: 6,0 /MWh
Resto de mantenimiento:1% sobre inversin
Personal de operacin: 90.000 /a (segn valor actual)
Otros gastos: gestin energtica, gastos generales, seguros, etc
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 49
(1) Las inversiones contemplan la sustitucin de una de las calderas convencionales existentes.
ALTERNATIVA Situacin Sin Cogeneracin
Situacin Actual 2 MG 1,6 MW
Alternativa 1 2MG 6 MW
Alternativa 2 2MG 6,4 MW
Alternativa 3 TG 4,6 MW
Descripcin Ciclo simple con generacin de
vapor, agua caliente y agua
fra
Ciclo simple con generacin de
vapor, agua caliente y agua
fra
Ciclo simple con generacin de
vapor, agua caliente y agua
fra
Ciclo simple con generacin de
vapor, agua caliente y agua
fra
INGRESOS 911.627 3.522.033 3.735.399 2.747.954Complemento eficiencia /a 58.762 250.601 258.663 210.822Electricidad de exportacin /a 852.865 3.271.432 3.476.736 2.537.132GASTOS 3.726.086 5.221.932 5.381.126 4.754.723AHORRO EN COSTE ENERGTICO /a 2.843.447 4.637.713 1.114.560 1.168.732 807.690INVERSIN (PRELIMINAR) 4.089.000 4.737.000 4.352.000PERIODO RETORNO INVERSIN aos 3,67 4,05 5,39Cash-flow libre (despus costes financieros) /a 558.996 525.125 216.393TIR a 10 aos antes de impuestos % 24,1% 21,0% 13,2%TIR a 10 aos despus de impuestos % 16,7% 14,5% 9,0%
Precio exportacin /MWh 67,25 80,48 80,48 80,48
EVALUACIN ECONMICA
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 50
DescripcinAlternativa 1
CS MG 6,1 MW Alternativa 2
CS MG 6,4 MW Alternativa 3
CS TG 4,5 MW
Turbogenerador de gas 0,0 0,0 2.200,0Motogeneradores gas / gasoil 1.800,0 2.135,0 0,0Generador de vapor de recuperacin 350,0 400,0 300,0Turbogenerador de vapor 0,0 0,0 0,0Mquina de absorcin d.e. 0,0 0,0 230,0Mquina de absorcin s.e. 250,0 250,0 0,0Compresores de gas 0,0 0,0 0,0Electricidad alta tensin 150,0 170,0 140,0Teledisparo + Telecontrol 0,0 0,0 0,0Transformadores 85,0 95,0 70,0Electricidad baja tensin 70,0 70,0 40,0Sistema de gas combustible 65,0 65,0 55,0Sistema mecnico 150,0 160,0 130,0Instrumentacin (incluye mon. gases) 60,0 60,0 50,0Sistema de Control 50,0 50,0 50,0Sistema de Supervisin (SAD) 60,0 60,0 60,0Torre de refrigeracin 55,0 65,0 40,0Obra Civil 120,0 200,0 90,0Proteccin Contraincendios 5,0 5,0 5,0Ventilacin e insonorizacin 70,0 80,0 70,0Complementarios (pg, aa,mobiliario..) 0,0 0,0 0,0TOTAL INVERSIN FSICA 3.340,0 3.865,0 3.530,0Ingeniera 190,2 206,0 195,9Direccin de obra 45,0 72,0 72,0Seguro montaje 4,2 4,8 4,4Costes avales 8,4 9,7 8,8Legalizaciones 33,4 38,7 35,3Gastos Gestin Proyecto 66,8 77,3 70,6Imprevistos 96,0 113,0 113,0TOTAL COSTE PLANTA 3.783,9 4.386,4 4.030,0Beneficio industrial y contingencias 302,7 350,9 322,4Inversin en lnea externa 0,0 0,0 0,0Precio Proyecto LLM 4.086,6 4.737,3 4.352,4
Coste especfico sin recuperacimn de CO2(/kW) 671,3 732,2 971,7
Inversiones preliminares Modalidad Llave en Mano Falta coste
desmantelamiento de equipos que consideramos (en primera aproximacin) equivalente al ahorro de no realizar overhaul de motores (140.000 + 1 mes paro por motor)
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 51
Garanta de suministro
Garanta de suministro trmica: Se garantiza el suministro del 90% de la energa trmica en forma de
vapor y el 100% de la demanda de agua caliente y fra. Los sistemas existentes se usan para suministrar las puntas de demanda y se plantean como reserva para las indisponibilidades de la cogeneracin.
Garanta de suministro elctrica: Todas las alternativas planteadas garantizan el 100% del suministro
elctrico, en caso de tener que entrar en isla por fallo de la red elctrica, ya que todas las alternativas superan los 3,5 MWe contratados a compaa
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 52
PROPUESTA Tecnologa: Trigeneracin con turbina de gas Potencia elctrica 6 MWe Inversin 4 M Resultados energticos
Ahorro de energa primaria. De 16 GWhpci/a REE entre el 64%, 9 puntos superior al exigido en el actual
RD661 PES aproximadamente del 16% muy superior al 10% del Anexo
III, para considerar la cogeneracin de alta eficiencia Resultados energticos
Ahorro sobre costes energticos 1,11 M Pay back entre 3,7 aos TIR a 10 aos despus de impuestos aproximadamente un 17% Cash flow libre (cash flow costes de capital del 100% de la
inversin a 10 aos al 6% de inters) de 0,56 M
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 53
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad
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A E, S. A. 54
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de gas.
CICLO SIMPLE CON TURBINA DE GAS
Normalmente para demandas de vapor > 10 Tm/h.
Se suelen usar turbinas de > 4 MW
30% < RE < 40%
RG 80% Usado sobretodo en:
Industria del papel Refineras Industria qumica Industria alimentaria
Presenta ventajas operacionales por la simplicidad de su ciclo.
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A E, S. A. 55
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de gas.
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A E, S. A. 56
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de gas.
Gas Turbine
Return of Condensates
M
25276 kW
Exhaust Gases
Deareator Tank
Electrical power: 7653 kW
Steam Demand: 12586 kWTemperature: 188 CPressure: 12 bar (a)Flow: 18, 25 t/h
143 C
Combustion Air
1, 07 t/h
19, 31 t/h
540 C 29, 52 kg/s
0, 13 t/h
0 kW
Heat Recovery Steam Generator
Steam to Process
105 C
Natural Gas
0, 97 t/h 12 bar (a)
188 C
2, 00 bar (a)
120 C
2, 00 bar (a)
120 C
0, 84 t/h
Total power: 7653 kW
Electrical efficiency: 30, 28 %
Flash Tank
Global efficiency: 80, 07 %Steam collector
Back condensates (%): 90, 00 %
12 bar (a) 188 C
15 C
2, 68 t/h
Post- firing
16, 43 t/h 3, 00 bar (a) 80, 00 C
1, 80 bar (a) 20, 28 t/h
105, 00 C
Make- up Water
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A E, S. A. 57
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con motor de CI de gas natural.
CICLO SIMPLE CON MOTOR DE CI DE GAS NATURAL
Normalmente para demandas de vapor < 10 Tm/h
Amplio margen de potencias.
36% < RE < 45%
RG 70% Se suele aprovechar el calor del agua del circuito de
refrigeracin (~ 80 C).
Usado sobretodo en plantas de pequea o mediana potencia:
Industria alimentaria Industria textil Industria qumica
Mayor rendimiento elctrico que en turbinas.
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A E, S. A. 58
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con motor de CI de gas natural.
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A E, S. A. 59
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con motor de CI de gas natural.
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A E, S. A. 60
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
CICLO SIMPLE CON TURBINA DE VAPOR
3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de vapor.
Hace mucho tiempo que se usan en cogeneracin.
Tiene bajo rendimiento elctrico, pero suele tener un rendimiento global elevado si se trabaja en contrapresin.
La relacin entre electricidad y calor producido es relativamente pequea, y depende tanto del tamao como de las condiciones del vapor vivo.
Fiabilidad elevada.
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A E, S. A. 61
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de vapor.
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A E, S. A. 62
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de vapor.
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A E, S. A. 63
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
CICLO COMBINADO CON TURBINA DE VAPOR A CONTRAPRESIN
Mayor RE que ciclo simple.
Alta relacin E/V
Las potencias entre 7 MW y 400 MW.
Se pueden usar en gran diversidad de sectores.
3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con turbina de vapor de contrapresin.
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A E, S. A. 64
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con turbina de vapor de contrapresin.
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A E, S. A. 65
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con turbina de vapor de contrapresin.
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A E, S. A. 66
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
CICLO COMBINADO CON CONDENSACIN MARGINAL
3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con condensacin marginal.
Parte del vapor a la salida de la turbina de contrapresin es enviado a una turbina de condensacin.
Se puede generar ms electricidad con el exceso de vapor que se genera para el proceso.
En momentos de gran demanda de vapor, se puede prescindir de la turbina de condensacin.
La potencia oscila entre 10 MW y 100 MW.
Se obtiene un mayor rendimiento elctrico y una mayor relacin E/V.
Adecuado para industrias con demanda de vapor variable.
-
A E, S. A. 67
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con condensacin marginal.
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A E, S. A. 68
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
TRIGENERACIN
Adems de generar electricidad y vapor, se produce fro (agua a ~7 C), mediante una mquina de absorcin y una torre de refrigeracin.
3. Ciclos de cogeneracin. Trigeneracin.
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A E, S. A. 69
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Trigeneracin.
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A E, S. A. 70
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Trigeneracin con turbina de gas.
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A E, S. A. 71
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Trigeneracin con motor alternativo.
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A E, S. A. 72
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
APLICACIONES A PROCESOS DE SECADO
Consiste en el aprovechamiento directo de los gases calientes de escape de una turbina de gas para un proceso industrial (normalmente secado de algn producto).
Tambin se puede recalentar los gases con una aportacin adicional de combustible, si el proceso lo requiere, o enfriarlos con una aportacin extra de aire.
En los momentos en que no se necesite la totalidad de los gases de escape, stos son desviados a la atmsfera a travs de un by-pass.
3. Ciclos de cogeneracin. Aplicaciones a procesos de secado.
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A E, S. A. 73
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Aplicaciones a procesos de secado.
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A E, S. A. 74
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Aplicaciones a procesos de secado.
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A E, S. A. 75
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
POLIGENERACIN
A menudo la demanda trmica no es de tipo nico, sino que est compuesta por diferentes demandas a diferentes niveles trmicos.
3. Ciclos de cogeneracin. Poligeneracin.
Se puede aprovechar mejor el calor producido mediante un sistema de recuperacin de diferentes niveles
trmicos
P.ej.:
Vapor AP+
Vapor BP+
Aceite trmico+
Agua caliente+
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A E, S. A. 76
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Poligeneracin.
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A E, S. A. 77
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
TURBINA DE GAS
-
A E, S. A. 78
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
TURBINA DE GAS
-
A E, S. A. 79
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Se desarrollaron a partir de las turbinas de aviacin.
Rango de potencias: 30 kW 350 MW
Para uso industrial: > 4 MW (excepto microturbinas)
Permiten recuperar el calor de manera fcil.
Son extremadamente fiables
Diagrama de una turbina de gas
RG 80%
-
A E, S. A. 80
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Turbina de gas de 340 MW
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A E, S. A. 81
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Fases de funcionamiento
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A E, S. A. 82
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Compresin
Tericamente isoentrpica (en realidad politrpica)
Combustin:
Tericamente isobrica (prdidas de carga)
Expansin:
Tericamente isoentrpica
1 2
2 3
3 4
Ciclo termodinmico: ciclo de Brayton
-
A E, S. A. 83
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 84
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 85
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
COMPRESOR
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Esttor o difusor (labes fijos)
Rtor (labes mviles)
Parmetros caractersticos:
Relacin de compresin ( )
Caudal de aire que circula por l
Potencia absorbida
Tipos
Centrfugo
Axial
Axial multietapa
Psalida
Pentrada
-
A E, S. A. 86
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 87
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 88
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Si no, se obtendran T demasiado elevadas para los materiales de la
turbina
Relacin combustible/aire
Relacin estequiomtrica
-
A E, S. A. 89
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 90
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Transformacin:
Suelen estar formadas por 2 ms etapas.
Cada etapa est constituda por:
Energa gases de combustin
Energa mecnica
Energa cintica gases
(propulsin)+
Energa trmica gases
+Energa presin
aire
Accionamiento compresor
+Accionamiento
alternador
- labes fijos (distribuidor)
- labes mviles (rueda)
Conversin presin velocidadFuerza rotacin
TURBINA
+
-
A E, S. A. 91
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Segn mecanismo de conversin energtica:Etapa de accin
Etapa de reaccin
Etapa de accin Etapa de reaccin
P cte. P cte.
-
A E, S. A. 92
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 93
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 94
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
Eficiencia Elctrica
La eficiencia elctrica de las turbinas de gas depende en gran medida de su tamao:
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
0 10 20 30 40 50E (MW)
E
E
(
%
)
.
Turbinas de gasindustriales
Turbinas de gasaeroderivadas
-
A E, S. A. 95
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE GAS
Sistema de combustible
Sistema de lubricacin
Sistema de encendido
Sistema de arranque
Sistema de venteo
Sistema de control
-
A E, S. A. 96
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
-
A E, S. A. 97
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
ESCOLLIR-NE UNA DE LES 2
-
A E, S. A. 98
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
Desarrollados por la industria naval.
Su potencia oscila entre 10 kW y 50 MW.
Para uso industrial: > 1 MW.
Pueden funcionar con gas natural, gasoil.
Requieren de un sistema de refrigeracin.
Son ms eficientes que las turbinas en la conversin
Calor a T ms difcil de aprovechar
Esquema de un motor alternativo
HT LT
ETRMICA EMECNICA(R = 40 - 50%)
-
A E, S. A. 99
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
Ciclo OTTO Ciclo Diesel
-
A E, S. A. 100
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
EQUIPOS AUXILIARES MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
Alternador elctrico sncrono trifsico
Bancada para emplazamiento del motor, alternador y auxiliares
Admisin de aire desde exterior
Circuito de agua de refrigeracin
Bombas de lubricante
Arranque elctrico
Silenciador gases escape
Sincronizador de tensiones con la red
-
A E, S. A. 101
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
TURBINA DE VAPOR
-
A E, S. A. 102
Tiene bajo RE ( ~ 7% )
Alto RG a contrapresin ( ~ 89% )
Histricamente muy usado
En la actualidad ciclos combinados
Tipos
Segn mecanismo de conversin
Turbinas de accin
Turbinas de reaccin
Segn aplicacin
Contrapresin
Condensacin
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
Esquema de una turbina de vapor
-
A E, S. A. 103
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
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A E, S. A. 104
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
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A E, S. A. 105
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE VAPOR
Reductor
Alternador elctrico sncrono trifsico
Admisin de aire
Acoplamiento
Sellado de eje
Sistema de admisin de vapor
Sistema de lubricacin
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
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A E, S. A. 106
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
GENERADOR DE VAPOR
-
A E, S. A. 107
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
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A E, S. A. 108
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
Recuperacin de calor de flujos msicos mediante intercambiadores:
FLUJO CALIENTE
(~ 500 C)
Gases a alta TN2 + O2 + CO2 + H2O
(+ NOx)
FLUJO FRO
Agua
Intercambio de calor
CALDERA DE RECUPERACIN[ HRSG (Heat Recovery Steam Generator) ]
-
A E, S. A. 109
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
a) Energa trmica a recuperar
Depende de:
b) Vapor a producir
Determinar la eleccin de la turbina o motor
Condicionantes de diseo:
- Superficies de intercambio
- T del agua de alimentacin
Para aportar las posibles diferencias entre la demanda de V y la energa que puede obtenerse de los gases:
Segunda caldera convencional
Quemador de postcombustinPermite adaptar la produccin a las oscilaciones de la demanda de vapor
-
A E, S. A. 110
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
Evaporador En l se produce la evaporacin del agua
Economizador Intercambiador agua-aire para precalentar el agua de entrada
Compuerta by-pass Cuando la demanda de vapor es muy baja, deriva a la atmsfera
parte de los gases de escape
Quemador de postcombustin Aporta energa, permite la modulacin de la produccin
Segn modelo constructivoGeneradores pirotubulares
Generadores Acuotubulares
EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE VAPOR
-
A E, S. A. 111
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
Interior tubos gases combustin Exterior tubos agua Presin del vapor hasta 15 bar
Caudales hasta 15 Tm/h
Generadores pirotubulares
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A E, S. A. 112
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
Interior tubos agua Exterior tubos gases combustin Presiones y caudales mayores
Normalmente flujo a contracorriente
Generadores acuotubulares
-
A E, S. A. 113
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
MQUINA DE ABSORCIN
-
A E, S. A. 114
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
Genera fro a partir de energa trmica generada por recuperacin.
Segn nivel trmico:
Basadas en LiBr hasta 6 C Absorbente: LiBr
Refrigerante: agua
Basadas en NH3 hasta -40 C Absorbente: Agua
Refrigerante: NH3
Segn grado de optimizacin
Simple efecto 0,5 < COP < 0,7 Doble efecto 1,1 < COP < 1,4
-
A E, S. A. 115
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
De simple efecto:
-
A E, S. A. 116
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
De simple efecto:
-
A E, S. A. 117
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
De doble efecto:
-
A E, S. A. 118
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
De doble efecto:
-
A E, S. A. 119
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.5. Conexin a la red de sistemas de cogeneracin.
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A E, S. A. 120
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.5. Conexin a la red de sistemas de cogeneracin.
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A E, S. A. 121
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.5. Conexin a la red de sistemas de cogeneracin.
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A E, S. A. 122
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.5. Conexin a la red de sistemas de cogeneracin.
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A E, S. A. 123
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.5. Conexin a la red de sistemas de cogeneracin.
-
A E, S. A. 124
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.5. Conexin a la red de sistemas de cogeneracin.
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A E, S. A. 125
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.5. Conexin a la red de sistemas de cogeneracin.
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A E, S. A. 126
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Introduccin.
Unidad de microcogeneracin: unidad de cogeneracin con potencia elctrica mxima inferior a 500 kWe
Aplicacin en climatizacin de edificios: pequeas industrias, hoteles, escuelas, hospitales, oficinas, centros deportivos, etc.
Minimiza los altos costes que supone la generacin autnoma si no hay recuperacin trmica.
Estas instalaciones estn basadas en microturbinasde gas y micromotores alternativos.
Microcogeneracin
-
A E, S. A. 127
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Introduccin.
Generacin distribuida
Con microcogeneracin generacion en cada punto de consumo
En edificios aislados, la generacin se ha hecho tradicionalmente con motores diesel.
Con microcogeneracin se pueden reducir las emisiones y se puede mejorar el rendimiento en la generacin de energa.
El calor generado se puede aprovechar para uso sanitario, calefaccin, agua fra para climatizacin, etc.
Con microcogeneracin el sistema elctrico ver descargadas sus lneas al no tener que transportar tanta potencia hasta los puntos de consumo.
Microcogeneracin produccin distribuidaahorro en prdidas por transporte y
transformacin
-
A E, S. A. 128
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Introduccin.
El reducido tamao de las instalaciones de microcogeneracin permite instalarlo en los puntos de consumo, favoreciendo as la produccin distribuida de energa:
-
A E, S. A. 129
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Introduccin.
Motores Turbinas Numerosas partes mviles.
Necesitan lubricantes.
Funcionan con engranajes.
Alto nivel de mantenimiento.
Puesta en marcha con motores auxiliares.
Sensibles al contenido de metano.
Puesta en marcha sin auxiliares.
Emisiones Ultra-bajas.
Mantenimiento sencillo.
Una nica parte mvil.
Lubricacin por aire.
Funcionamiento con gases pobres en metano.
Transmisin sin engranajes.
-
A E, S. A. 130
Larga historia en el campo aeronutico:
El modo de funcionamiento de la microturbina no difiere mucho del de una turbina convencional.
Diferencias transformacin de energa mecnica a elctrica.
Rango de funcionamiento entre 45000 y 96000 rpm.
A la salida se mantienen 400 V y 50 Hz.
La conexin y desconexin es inmediata.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Microturbinas.
Microturbinas
generacin elctrica y aire comprimido en tierra para el arranque de las grandes turbinas de propulsin
no se usa transmisin mecnica (reductor) que haga funcionar el alternador a 50 Hz sino que funciona a
1600 Hz y la conversin es por electrnica de potencia (AC DC AC).
-
A E, S. A. 131
sta es la nica parte mvil de la microturbina:
Son solidarios el compresor, la etapa de potencia y el eje del alternador.
En los extremos los cojinetes son de aire para evitar el uso de aceites lubricantes.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Microturbinas.
-
A E, S. A. 132
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
Las microturbinas usan un proceso regenerativo para mejorar el RE.
Se obtiene un RE parecido a las turbinas de potencias 100 veces superiores.
7. Microcogeneracin. Microturbinas.
-
A E, S. A. 133
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Microturbinas.
Las microturbinas usan un proceso regenerativo para mejorar el RE.
Se obtiene un RE parecido a las turbinas de potencias 100 veces superiores.
-
A E, S. A. 134
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Microturbinas.
-
A E, S. A. 135
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
Generador de imn permanente Funciona de forma asncrona, hasta unas 96000 rpm a plena carga. No existe
una transmisin mecnica (reductor gearbox) entre la turbina y el generador.
Compresor
Recuperador de calor
Turbina Alta velocidad y bajo par.
Electrnica de potencia Este sistema se encarga de convertir la energa elctrica a 1600 Hz en una
salida estable a 380 V y 50 Hz. El hecho de funcionar con electrnica permite
que la sincronizacin con la red sea prcticamente instantnea gracias a los
tiristores.
7. Microcogeneracin. Microturbinas.
Componentes de las microturbinas
-
A E, S. A. 136
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Microturbinas.
-
A E, S. A. 137
Solar Turbines Mercury 50
Kaw asaki GPB30D
Dresser-Rand KG2-3E
Capstone C200 Capstone C1000
Siemens SGT-100Ingersol Rand MT250
Elliott TA100R
Rolls Royce 501-KB5S
Kaw asaki GPB15D
OPRA Turbines OP16-3B (DLE)
Solar Turbines Saturn 20
Solar Turbines Centaur 40Solar Turbines Centaur 50
Kaw asaki GPB60DRolls Royce 501-KB7S
Dresser-Rand KG2-3C
General Electric GE5-1 (DLN)
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
0 1 2 3 4 5 6
Power Output (MW)
E
l
e
c
t
r
i
c
a
l
E
f
f
i
c
i
e
n
c
y
(
%
)
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Rendimiento elctrico.
RE de algunas microturbinas
-
A E, S. A. 138
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Ejemplos.
Algunos ejemplos de microcogeneracin:
-
A E, S. A. 139
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Ejemplos.
-
A E, S. A. 140
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Ejemplos.
-
A E, S. A. 141
Hospitals
Hotels Schools
Large Retailers
Oil & Gas
U.S. Govt
Landfills Waste Water Plants
Telecom
Digesters
Hybrid EV
Office Buildings
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Aplicaciones.
-
A E, S. A. 142
En el campo de la microgeneracin, las microturbinas son mquinas de ltima generacin con las caractersticas adecuadas para ofrecer la calidad y disponibilidad deseadas adems de una capacidad multicombustible.
Los tiempos de instalacin reducidos, la compactacin, poco peso, la ausencia de lquidos lubricantes y de refrigeracin, intervalos de mantenimiento elevados, alta disponibilidad, todo el calor fcilmente aprovechable en gases, etc. ventajas frente a motores.
Las emisiones gaseosas de una microturbina son ms bajas que las de motores de combustin interna.
Los lmites de emisiones en algunas ciudades en NOx hacen tambin de la microturbina la nica solucin posible.
La combinacin de microturbinas y mquinas de absorcin es posible gracias a que todo el calor disponible est a alta temperatura.
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Conclusiones.
Conclusiones
-
A E, S. A. 143
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
TURBINA DE GAS
-
A E, S. A. 144
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
TURBINA DE GAS
-
A E, S. A. 145
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Se desarrollaron a partir de las turbinas de aviacin.
Rango de potencias: 30 kW 350 MW
Para uso industrial: > 4 MW (excepto microturbinas)
Permiten recuperar el calor de manera fcil.
Son extremadamente fiables
Diagrama de una turbina de gas
RG 80%
-
A E, S. A. 146
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Turbina de gas de 340 MW
-
A E, S. A. 147
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Fases de funcionamiento
-
A E, S. A. 148
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Compresin
Tericamente isoentrpica (en realidad politrpica)
Combustin:
Tericamente isobrica (prdidas de carga)
Expansin:
Tericamente isoentrpica
1 2
2 3
3 4
Ciclo termodinmico: ciclo de Brayton
-
A E, S. A. 149
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 150
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 151
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
COMPRESOR
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Esttor o difusor (labes fijos)
Rtor (labes mviles)
Parmetros caractersticos:
Relacin de compresin ( )
Caudal de aire que circula por l
Potencia absorbida
Tipos
Centrfugo
Axial
Axial multietapa
Psalida
Pentrada
-
A E, S. A. 152
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 153
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 154
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Si no, se obtendran T demasiado elevadas para los materiales de la
turbina
Relacin combustible/aire
Relacin estequiomtrica
-
A E, S. A. 155
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
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A E, S. A. 156
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Transformacin:
Suelen estar formadas por 2 ms etapas.
Cada etapa est constituda por:
Energa gases de combustin
Energa mecnica
Energa cintica gases
(propulsin)+
Energa trmica gases
+Energa presin
aire
Accionamiento compresor
+Accionamiento
alternador
- labes fijos (distribuidor)
- labes mviles (rueda)
Conversin presin velocidadFuerza rotacin
TURBINA
+
-
A E, S. A. 157
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Segn mecanismo de conversin energtica:Etapa de accin
Etapa de reaccin
Etapa de accin Etapa de reaccin
P cte. P cte.
-
A E, S. A. 158
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 159
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 160
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
Eficiencia Elctrica
La eficiencia elctrica de las turbinas de gas depende en gran medida de su tamao:
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
0 10 20 30 40 50E (MW)
E
E
(
%
)
.
Turbinas de gasindustriales
Turbinas de gasaeroderivadas
-
A E, S. A. 161
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE GAS
Sistema de combustible
Sistema de lubricacin
Sistema de encendido
Sistema de arranque
Sistema de venteo
Sistema de control
-
A E, S. A. 162
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
-
A E, S. A. 163
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
ESCOLLIR-NE UNA DE LES 2
-
A E, S. A. 164
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
Desarrollados por la industria naval.
Su potencia oscila entre 10 kW y 50 MW.
Para uso industrial: > 1 MW.
Pueden funcionar con gas natural, gasoil.
Requieren de un sistema de refrigeracin.
Son ms eficientes que las turbinas en la conversin
Calor a T ms difcil de aprovechar
Esquema de un motor alternativo
HT LT
ETRMICA EMECNICA(R = 40 - 50%)
-
A E, S. A. 165
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
Ciclo OTTO Ciclo Diesel
-
A E, S. A. 166
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
EQUIPOS AUXILIARES MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
Alternador elctrico sncrono trifsico
Bancada para emplazamiento del motor, alternador y auxiliares
Admisin de aire desde exterior
Circuito de agua de refrigeracin
Bombas de lubricante
Arranque elctrico
Silenciador gases escape
Sincronizador de tensiones con la red
-
A E, S. A. 167
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
TURBINA DE VAPOR
-
A E, S. A. 168
Tiene bajo RE ( ~ 7% )
Alto RG a contrapresin ( ~ 89% )
Histricamente muy usado
En la actualidad ciclos combinados
Tipos
Segn mecanismo de conversin
Turbinas de accin
Turbinas de reaccin
Segn aplicacin
Contrapresin
Condensacin
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
Esquema de una turbina de vapor
-
A E, S. A. 169
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
-
A E, S. A. 170
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
-
A E, S. A. 171
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE VAPOR
Reductor
Alternador elctrico sncrono trifsico
Admisin de aire
Acoplamiento
Sellado de eje
Sistema de admisin de vapor
Sistema de lubricacin
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
-
A E, S. A. 172
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
GENERADOR DE VAPOR
-
A E, S. A. 173
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
-
A E, S. A. 174
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
Recuperacin de calor de flujos msicos mediante intercambiadores:
FLUJO CALIENTE
(~ 500 C)
Gases a alta TN2 + O2 + CO2 + H2O
(+ NOx)
FLUJO FRO
Agua
Intercambio de calor
CALDERA DE RECUPERACIN[ HRSG (Heat Recovery Steam Generator) ]
-
A E, S. A. 175
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
a) Energa trmica a recuperar
Depende de:
b) Vapor a producir
Determinar la eleccin de la turbina o motor
Condicionantes de diseo:
- Superficies de intercambio
- T del agua de alimentacin
Para aportar las posibles diferencias entre la demanda de V y la energa que puede obtenerse de los gases:
Segunda caldera convencional
Quemador de postcombustinPermite adaptar la produccin a las oscilaciones de la demanda de vapor
-
A E, S. A. 176
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
Evaporador En l se produce la evaporacin del agua
Economizador Intercambiador agua-aire para precalentar el agua de entrada
Compuerta by-pass Cuando la demanda de vapor es muy baja, deriva a la atmsfera
parte de los gases de escape
Quemador de postcombustin Aporta energa, permite la modulacin de la produccin
Segn modelo constructivoGeneradores pirotubulares
Generadores Acuotubulares
EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE VAPOR
-
A E, S. A. 177
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
Interior tubos gases combustin Exterior tubos agua Presin del vapor hasta 15 bar
Caudales hasta 15 Tm/h
Generadores pirotubulares
-
A E, S. A. 178
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.
Interior tubos agua Exterior tubos gases combustin Presiones y caudales mayores
Normalmente flujo a contracorriente
Generadores acuotubulares
-
A E, S. A. 179
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
MQUINA DE ABSORCIN
-
A E, S. A. 180
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
Genera fro a partir de energa trmica generada por recuperacin.
Segn nivel trmico:
Basadas en LiBr hasta 6 C Absorbente: LiBr
Refrigerante: agua
Basadas en NH3 hasta -40 C Absorbente: Agua
Refrigerante: NH3
Segn grado de optimizacin
Simple efecto 0,5 < COP < 0,7 Doble efecto 1,1 < COP < 1,4
-
A E, S. A. 181
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
De simple efecto:
-
A E, S. A. 182
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
De simple efecto:
-
A E, S. A. 183
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
De doble efecto:
-
A E, S. A. 184
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.
De doble efecto:
-
A E, S. A. 185
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
TURBINA DE GAS
-
A E, S. A. 186
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
TURBINA DE GAS
-
A E, S. A. 187
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Se desarrollaron a partir de las turbinas de aviacin.
Rango de potencias: 30 kW 350 MW
Para uso industrial: > 4 MW (excepto microturbinas)
Permiten recuperar el calor de manera fcil.
Son extremadamente fiables
Diagrama de una turbina de gas
RG 80%
-
A E, S. A. 188
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Turbina de gas de 340 MW
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A E, S. A. 189
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Fases de funcionamiento
-
A E, S. A. 190
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Compresin
Tericamente isoentrpica (en realidad politrpica)
Combustin:
Tericamente isobrica (prdidas de carga)
Expansin:
Tericamente isoentrpica
1 2
2 3
3 4
Ciclo termodinmico: ciclo de Brayton
-
A E, S. A. 191
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 192
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 193
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
COMPRESOR
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Esttor o difusor (labes fijos)
Rtor (labes mviles)
Parmetros caractersticos:
Relacin de compresin ( )
Caudal de aire que circula por l
Potencia absorbida
Tipos
Centrfugo
Axial
Axial multietapa
Psalida
Pentrada
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A E, S. A. 194
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 195
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 196
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Si no, se obtendran T demasiado elevadas para los materiales de la
turbina
Relacin combustible/aire
Relacin estequiomtrica
-
A E, S. A. 197
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 198
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Transformacin:
Suelen estar formadas por 2 ms etapas.
Cada etapa est constituda por:
Energa gases de combustin
Energa mecnica
Energa cintica gases
(propulsin)+
Energa trmica gases
+Energa presin
aire
Accionamiento compresor
+Accionamiento
alternador
- labes fijos (distribuidor)
- labes mviles (rueda)
Conversin presin velocidadFuerza rotacin
TURBINA
+
-
A E, S. A. 199
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
Segn mecanismo de conversin energtica:Etapa de accin
Etapa de reaccin
Etapa de accin Etapa de reaccin
P cte. P cte.
-
A E, S. A. 200
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 201
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
-
A E, S. A. 202
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
Eficiencia Elctrica
La eficiencia elctrica de las turbinas de gas depende en gran medida de su tamao:
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
0 10 20 30 40 50E (MW)
E
E
(
%
)
.
Turbinas de gasindustriales
Turbinas de gasaeroderivadas
-
A E, S. A. 203
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.
EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE GAS
Sistema de combustible
Sistema de lubricacin
Sistema de encendido
Sistema de arranque
Sistema de venteo
Sistema de control
-
A E, S. A. 204
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
-
A E, S. A. 205
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
ESCOLLIR-NE UNA DE LES 2
-
A E, S. A. 206
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
Desarrollados por la industria naval.
Su potencia oscila entre 10 kW y 50 MW.
Para uso industrial: > 1 MW.
Pueden funcionar con gas natural, gasoil.
Requieren de un sistema de refrigeracin.
Son ms eficientes que las turbinas en la conversin
Calor a T ms difcil de aprovechar
Esquema de un motor alternativo
HT LT
ETRMICA EMECNICA(R = 40 - 50%)
-
A E, S. A. 207
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
Ciclo OTTO Ciclo Diesel
-
A E, S. A. 208
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
EQUIPOS AUXILIARES MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.
Alternador elctrico sncrono trifsico
Bancada para emplazamiento del motor, alternador y auxiliares
Admisin de aire desde exterior
Circuito de agua de refrigeracin
Bombas de lubricante
Arranque elctrico
Silenciador gases escape
Sincronizador de tensiones con la red
-
A E, S. A. 209
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
TURBINA DE VAPOR
-
A E, S. A. 210
Tiene bajo RE ( ~ 7% )
Alto RG a contrapresin ( ~ 89% )
Histricamente muy usado
En la actualidad ciclos combinados
Tipos
Segn mecanismo de conversin
Turbinas de accin
Turbinas de reaccin
Segn aplicacin
Contrapresin
Condensacin
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
Esquema de una turbina de vapor
-
A E, S. A. 211
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
-
A E, S. A. 212
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.
-
A E, S. A. 213
Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.
EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE VAPOR
Reductor
Alternador elctrico sncrono trifsico
Admisin de aire
Acoplamiento
Se