TECNOLOGIAS ENERGETICASDocente : Ing. Robert Guevara Chinchayán

Postgrado en Uso Eficiente y Ahorro de Energía

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

MARCO REFERENCIAL

PROGRAMACION POR UNIDADES

VISITAS :• Visita Técnica Nº 1 :

Ruta 1 : Central Termoeléctrica de Ciclo combinado ENERSUR , Refinería de Petroperú La Pampilla , Planta de Licuefacción de Pisco y al Instituto Peruano de Energía NuclearRuta 2 : Complejo de ETANOL de Caña Brava(Sullana) , Planta Criogénica (Pariñas) y Planta de Fosfatos (Bayobar).

• Visita Técnica Nº2 : Complejo de la Empresa SIDERPERU . Planta Criogénica de Oxigeno de Messer Gases.

•PRIMERA UNIDAD : Generación de Energía.•SEGUNDA UNIDAD : Autoabastecimiento de Energía.•TERCERA UNIDAD : Tópicos Selectos.

I UNIDAD : GENERACION DE ENERGIA

• Semana Nº1 : Ciclos Combinados. Descripción Técnica. Arreglos. Factores de Ponderación. Eficiencia . Pitch Point. Adición suplementaria de combustible . Generación Dual y Trial de Vapor.

• Semana Nº 2 : Arreglos eficientes y Estado del Arte de Ciclos Combinados de Alta Eficiencia. Disposición 2*2*1 y 3*3*1 . Diseño Técnico Económico de una central de Generación de Ciclo Combinado con GN.

• Semana Nº 3 : Características de Ciclos Combinados de gasificación Integrada GICC. Integración de la Unidad de Gasificación, Planta de oxigeno y Planta de Generación de Ciclo Combinado con Gas de Carbón.

• Semana Nº 4 : Centrales de Generación Especiales: Centrales Geotérmicas( Arreglos y Disposiciones ) ,Instalaciones Magneto hidrodinámicas , Centrales Nucleoeléctricas y Pilas combustibles.

• Semana Nº 5 : Formación de los Precios de Energía , Precio de barra . Características del despacho económico de energía mediante teoría de costos marginales.

• Semana Nº 6 : Examen de la I Unidad. Presentación de Trabajo Monográfico de I Unidad.

2 UNIDAD : AUTOABASTECIMIENTO DE ENERGIA

• Semana Nº 7 : Sistemas de cogeneración de Energía. Características .Tipos . Arreglos. Normatividad Peruana. Generación de Energía Distribuida.

• Semana Nº 8 : Diseño de Sistemas de Cogeneración de Energía con Turbinas de Vapor y Grupos Electrógenos. Rentabilidad. Visita Técnica Nº 1.

• Semana Nº 9 : Sistemas de refrigeración por absorción . Arreglos. Sistema Amoniaco –agua , sistema bromuro de litio-agua. Absorción de gases. Capacidad Térmica necesaria.

• Semana Nº 10 : Trigeneracion de Energía. Autoabastecimiento de Calor, Energía Eléctrica y Frio. Diseño de un Sistema de Trigeneracion.

• Semana Nº 11 : Examen de la II Unidad. Presentación de Trabajo Monográfico de II Unidad.

3 UNIDAD : TOPICOS ESPECIALES• Semana Nº 12 : Plantas de licuefacción de gases. Ciclos de cascada con

refrigerante mixto para GLP y GN. Visita Técnica Nº 2.• Semana Nº 13 : Plantas de licuefacción de gases a temperaturas

criogénicas. Arreglos y disposiciones.• Semana Nº 14 : Balances Exergeticos. Principios y aplicaciones de la 2ª Ley

de la Termodinámica.• Semana Nº 15 : Principios Básicos de termo economía.• Semana Nº 16 : Examen de la III Unidad. Presentación de Trabajo

Monográfico de III Unidad.• Semana Nº 17 : Exámenes Sustitutorios y Entrega de Actas.

I UNIDAD

TECNOLOGIAS ENERGETICAS DE GENERACION DE ENERGIA

CENTRALES DE GENERACION DE ENERGIA

• Centrales –Ciclo Rankine : Petróleo , Carboelectricas , Nucleares , Solares fototérmicas , Geotérmicas.

• Centrales- Ciclo Joule Brayton : Gas Natural , Diesel.• Centrales –Ciclo Diesel : Diesel2.• Centrales Ciclo Combinado : Gas Natural , Diesel.• Centrales de Gasificación Integrada.• Centrales Hidráulicas.• Centrales Eólicas.• Centrales con Biomasa -RSU• Centrales a futuro : Cero Emisiones , Ciclos Triple., Pilas

combustibles , MHD , Mareomotrices, hidrotermicas,etc.

GENERACION DE ENERGIA AL 2010-PERUMES DE JULIO-2011:

• Máxima Demanda = 4690.8 MW • Potencia Firme Despachada = 5404.1 MW• Potencia Firme = 6243.2 MW• Reserva Disponible= 24.9 % (14 % )• Tasa de Crecimiento de Potencia = 7%• Factor de Carga = 80 %• Centrales Hidroeléctricas (50 % )

Central de Mantaro = 650 MWCentral de Restitución = 215 MWCentral de Cañon del Pato = 263.5 MWCentral de Huinco = 257 MWCentral El Platanal= 220 MW ( Marzo-10)

• Centrales Termoeléctricas(50 %)Central TG Chilca 1-2-3 = 528 MW (GN)Central TG Kallpa 1-2 = 360 MW (GN)Central TV Ilo 2 = 147 MW(Carbon)Central TG Las Flores =190 MWCentral TG Santa Rosa = 180 MWCentral CCGN Ventanilla = 456 MW,etc

PROBLEMÁTICA DE LA CENTRAL DE MAYOR POTENCIA

PROBLEMÁTICA DE LA CENTRAL DE MAYOR POTENCIA

GENERACION DE ENERGIA –FUTUROPERU

Central TG de Nueva Esperanza-160 MW

Central CC CHILCA -810 MW

Central CC KALLPA- 855 MW + 1 TG adicional de 190 MW

Central de CC TERMOCHILCA-Santo Domingo de los Olleros

840 MW

Central de CC FENIX 840 MW

Central TG de 200 MW Quillabamba

Central TG de Ilo-200 MW Moquegua

PROYECTO KUNTUR GAS

Central de CC LAS FLORES 192 MW

Central TG de EL FARO 60MW

Centrales de Cogeneración GN.(P:E : Atocongo , Gloria,etc)

Central TG Diesel de Trujillo 60 MW

RESERVA FRIA TALARA-200MW

RESERVA FRIA ETEN-200MW

RESERVA FRIA ILO -400MW

GENERACION DE ENERGIA –FUTUROPERU

CH CERRO DEL AGUILA 400 MW-2015

CH Mayush 150 MW

CH Marañon 96 MW+-2013

CH Chaglla 400 MW (Huallaga)

CH INAMBARI 2200 MW

CH Molloco 200 MW

CH Pucara 130 MW-2011

CH CHEVEZ ( Oyon) 180 MW-2014

CH QUITARACSA 112 MW – 88 MW-2014

CH San Gaban II 196 MW

CH Huanza 86 MW-2013

300 MW adicionales en pequeñas CH

Proyecto marañon (20 CH = 12.4 GW)-2040

GENERACION DE ENERGIA –FUTUROPERU-2012

Central Eolica de Talara 30 MW

Central Eolica de Cupinisque 80 MW

Central Eolica de Marcona 30 MW

Central Solar Panamericana de ILO 20 MW

Central Geotérmica Calientes 150 MW –Botaderas 50 MW

Central Solar Repartición 20 MW

Central Solar de Majes 20 MW

Central Solar Tacna 20 MW

Central RSU HUAYCOLORO 4.4 MW

Central de Cogeneración BIOMASA Paramonga 23 MW

GENERACION DE ENERGIA –FUTUROPERU-2014

Central Eolica Tres Hermanas 90 MW

Central Solar MOQUEGUA FV 16 MW

Central RSU La Gringa V 2 MW

CICLOS DE POTENCIA CON TURBINAS A VAPOR

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

Detalles El rendimiento global del ciclo será tanto más alto cuanto:• Mayor sea la temperatura del vapor de entrada a la turbina.• Menor sea la presión de condensación del vapor, a la salida de la turbina.• Mayor sea la presión del vapor de entrada a la turbina.• Mayores sean los rendimientos de la turbina de vapor y bombas del ciclo.• La presión del vapor de entrada a la turbina estará limitada por el

consecuente contenido de humedad en su vapor de salida.• La máxima temperatura del vapor de entrada a la turbina dependerá de la

calidad de los materiales empleados en los equipos del ciclo que están en contacto con el fluido.

• La presión de condensación del vapor, íntimamente relacionada a la temperatura obtenible del mismo a la salida de la turbina, estará relacionada a la temperatura del medio refrigerante disponible (agua o aire).

• La temperatura de condensación del vapor, será del orden de los 60 ºC si el enfriamiento es con aire y del orden de los 30 ºC si se refrigera con agua.

Recursos tecnologicos para mejorar el rendimiento-Recalentamiento

Recursos tecnologicos para mejorar el rendimiento-Regeneracion

Ciclo de Rankine con recalentamiento.47,60% de η máx. obtenible

Rendimiento de los Ciclos de Turbinas a Vapor

CICLOS DE POTENCIA CON TURBINAS A GAS

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

Rendimiento

El diseño de un ciclo de TG permite definir dos parámetros básicos de funcionamiento del equipamiento que lo especifica:

• La relación de compresión que el compresor le imprime al aire de entrada.

• La temperatura de entrada de la turbina (máxima del ciclo).El rendimiento del ciclo y la potencia específica sondependientes de estos parámetros.

EFECTOS DE LA MAXIMA TEMPERATURA DE CICLO

EVOLUCION DE LA MAXIMA TEMPERATURA DEL CICLO

VALORES MAXIMOS ALCANZADOS DEL RENDIMIENTO Y TRABAJO ESPECIFICO

EFECTOS DE LA RELACION DE COMPRESION

• La relación de compresión se definirá de acuerdo a la utilizaciónque se hará de la turbina:

• Será elevada para obtener los mejores rendimientos del ciclo, objetivo para el empleo en centrales eléctricas de base o en aviones.

• Será baja en usos como los siguientes: cuando el objetivo sea lograr elevadas potencias específicas como es el caso de las centrales eléctricas de punta con la finalidad de poder reducir los costos de inversion y cuando se requiera una elevada temperatura de los gases de escape de la turbina, por ejemplo en un ciclo combinado o en una planta de cogeneracion.

Evolución del rendimiento y potencia específica de acuerdo a la relación de compresión:

ARREGLOS PARA UNA MEJORA DEL CICLO

• Las posibilidades de mejoras en un ciclo Joule Braytonparaincrementar su eficiencia son:

• Recalentado: este proceso divide la expansión de los gases en varias etapas de la turbina, aportando energía térmica adicional entre ellas.

• Interrefrigerado: es el enfriamiento del aire entre etapas del compresor, reduciendo la demanda de trabajo para su compresión.

• Regeneración: se precalienta el aire de salida del compresor con los gases de escape de la turbina, resultando un ahorro de energía térmica de

aporte en la cámara de combustión.

El rendimiento y el trabajo específico en una C.T.GComparación entre ciclos:

El rendimiento y el trabajo específico en una C.T.GRendimiento de ciclos con temperatura entrada en la turbina de gas:

¿QUE ALTERNATIVAS ENERGETICAS SURGEN?

REPOTENCIACION EN SERIE

DETALLES• Es el proceso convencional de repotenciación de una planta térmica del tipo TV, con el objeto

de aumentar su rendimiento y potencia.• Se agrega una TG en cabecera de un ciclo Rankine.• La potencia de la TG resulta del orden del 10 al 30% de la potencia total del nuevo CC obtenido.• Los ciclos Rankine preexistentes son muy regenerativos.• En este tipo de repotenciación, este recurso de mantiene ya que contribuye a aumentar el

rendimiento de su ciclo, dado que en este caso la mayor parte de la energía térmica se aporta a la caldera del ciclo Rankine con la combustión del combustible utilizado en la planta antes de la repotenciación.

• En estos esquemas, se sustituye parcialmente el aire para la combustión en la caldera del ciclo de la TV por los gases calientes de salida de la TG.

• La temperatura de los gases calientes de salida de la TG eleva la temperatura del comburente de la caldera convencional. Por ello, no tiene sentido la utilización de un precalentador deaire, habitualmente presente en las calderas de ciclos TV.

• Esta energía no empleada en el precalentador de aire se utiliza para mejorar el rendimiento del CC.

• Es así que el caudal de agua que en los ciclos convencionales es precalentada en forma regenerativa en los precalentadores del ciclo Rankine, se divide en dos circuitos: uno que continúa por los precalentadores y otro que precalienta el agua con los gases de escape de la caldera.

REPOTENCIACION EN PARALELO

VENTAJAS• Esta propuesta tecnológica se originó a comienzo de los años 90, para resolver los

problemas que la evolución de las TG y las mayores exigencias medioambientales produjeron en los esquemas de repotenciación en serie.

• En este tipo de repotenciación la potencia de la TG es del orden del 10 al 40% de la potencia total del CC.

• Se combinan las características del CC TG+TV con HRSG y las de la repotenciación en serie, permitiendo la utilización de cualquier combustible en la caldera convencional.

• En este esquema, el agua condensada del ciclo Rankine se precalienta, evapora y sobrecalienta en paralelo, por medio de los gases de escape de la TG en la HRSG y por la caldera convencional del ciclo Rankine.

• Se obtienen rendimientos comparables a los de la repotenciación en serie y la prolongación de la vida útil de la caldera convencional.

• Con la energía térmica de salida de la caldera del ciclo de Rankine se precalienta el aire de combustión.

• Esta configuración no precalienta el agua del ciclo de Rankine con los gases de salida de la caldera convencional (lo hace la HRSG). Por esto, es posible utilizar los SCR en la vena de gases calientes de la combustión, antes del sistema de desulfuración.

CICLOS COMBINADOS

• Se denomina CICLO COMBINADO cuando una máquina de generación o central emplean en su diseño más de un ciclo termodinámico.

• Tambien suele identificarse como planta CCPP (Combined Cycle Power Plant), o planta CCGT (Combined Cycle Gas Turbine).

ESQUEMA BASICO

Esquema básico

CICLO SUPERIOR

CICLO INFERIOR

Relacion de Potencias 2/1

VENTAJAS• Flexibilidad. Son capaces de operar en cualquier régimen de funcionamiento, con

gran rapidez de adaptación a las variaciones de carga.• Arranque rápido. Están equipadas con dispositivos que permiten tiempos de

arranque muy cortos.• Diseño fiable y alta disponibilidad. El diseño está probado y, normalmente, cada

grupo cuenta con redundancias del 100% en los equipos auxiliares importantes.• Alto rendimiento. Las modernas turbinas de gas y las de vapor hacen que los

grupos de ciclo combinado tengan un rendimiento más elevado que el de cualquier otra central. El rendimiento global, en energía primaria, puede ser un 57% superior.

• Costes de operación bajos. Como resultado de las características y optimización de los nuevos grupos, la operación es más sencilla y los costes de generación, inferiores.

• Tiempo de construcción reducido. Debido a que los proyectos siguen diseños estándar, los plazos de construcción se reducen de forma muy importante.

BENCHMARKING ENTRE CENTRALES TERMOELECTRICAS-PERU

• ENTRE CENTRALES CICLO COMBINADO :• CC Ventanilla : 52% -228 MW-6.763 MMBtu/KWh y CVC 18.31 U$/MWh s/f.a y 50%

-246 MW-7.093 MMBtu/KWh y CVC 18.93 U$/MWh c/f.a para un precio de 2.9698 U$/MMBtu.

• CC Chilina Diesel 50%- 16.7 MW- 0.278 Kg Diesel/KWh y CVC 126.43 U$/MWh para un precio de 1.25 U$/Galón.

• ENTRE CENTRALES DE DISTINTA TECNOLOGIA:TIPO NOMBRE POTENCIA(MW) CVC (U$/MWh)

Ciclo Combinado GN Ventanilla 3 228 18,31 (s f.a)

Ciclo Joule Brayton Simple Abierta GN Chilca 1 176 25,33 Nueva

Ciclo Joule Brayton Simple Abierta GN Aguaytia 1 88 23,89 El GN es de Aguaytia

Ciclo Joule Brayton Simple Abierta GN Santa Rosa UTI 5 52,6 36,51 Reconvertida

Ciclo Joule Brayton Simple Abierta GN Malacas 1 88 39,53Dueños del GN pero T.A

Ciclo Joule Brayton Simple Abierta D2 Chimbote (1-2-3) 62,8 158,64

Ciclo Rankine Sobrecalentado-Carbon Ilo 2 141,9 53,88

Ciclo Rankine Sobrecalentado-Residual 500 Ilo 1 TV 4 69 97,95

Ciclo Rankine Sobrecalentado-Residual500 Shougesa-Marcona 63 101,12

Ciclo Diesel S.A con Residual 6 Tumbes 1 9,2 77,53

Ciclo Diesel S.A con D2 Sullana 8,6 115,99

C.Cogeneracion GN Oquendo 26 ¿? Menor C.C

TIPOS DE DISPOCISIONES O ARREGLOS

• 1 Unidad Turbo Gas * 1 Unidad HRSG * 1 Unidad Turbo Vapor = 1*1*1

• 2 Unidades Turbo Gas * 2 Unidades HRSG * 1 Unidad Turbo Vapor = 2*2*1

• 3 Unidades Turbo Gas * 3 Unidades HRSG * 1 Unidad Turbo Vapor = 3*3*1

GENERACION DE VAPOR CON UNICA PRESION

1. Compresor2. Turbina de Gas3. Sobrecalentador4. Evaporador5. Economizador6. Domo7. Turbina de Vapor8. Bypass9. Condensador10. Bomba de Condensado11. Tanque desareador12. Bomba de agua13. Enfriador de gases14. Linea de vapor

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

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

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

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

Diagrama Energia Temperatura para un Ciclo de Generacion de Vapor a 1 sola presion

GVRC-HRSG

GRACIAS