ciclo combinado

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Uso del Ciclo Combinado en la Generación de Energía Eléctrica

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  • 1. ELCICLOCOMBINADO; SUPOSIBLEUTILIZACION ENLAINDUSTRIADELA CAADEAZUCAR

2. EN QUE CONSISTESU EVENTUAL APLICACION EN LA INDUSTRIA DE LA CAA DE AZUCAR ? PORQUE SU UTILIZACION ? DIFERENTES ENFOQUES APORTESYDIFICULTADES 3. Aire Compresor Comb.Limp. Turbina de gas Turbina de vapor EE EE Vapor de baja Alsecado A la chim . Caldera derecuperacin Gases Gases Ciclo Combinado COMBUSTIBLE 4. 5. Temp. Entropa isobara isobara 1 2 3 4 W comp Q 1-2= 0 W exp CICLO BRAYTON (IDEAL) W comp = h 1- h 2 1-2 2-3 Q= mC p delta T 3-4 W exp = h 3- h 4 Q 2-3 Q 4-1 6. Temp. Entropa isobara isobara 1 2 3 4* W comp Q = 0 W exp CICLO BRAYTON (REAL) W comp = h 1- h* 2 1-2* 2*-3* Q= mC p delta T* 3*-4* W exp = h* 3- h* 4 4 2* Q 2*-3* 3* Q 4*-1 7. SEGUN CARNOT, EL TRABAJO (ENERGIA) MAXIMO QUE SE PUEDE OBTENER DE FORMA CICLICA,IDEAL, DE UNA CANTIDAD DE CALOR Q A UNA TEMPERATURA T VIENE DADO POR : W= Q*((T-T 0 )/T ) DONDET 0,ESLATEMPERATURADELFOCO FRIO AL QUE SE RECHAZA INEVITABLEMNETE UNA CANTIDAD DE CALOR IGUALA: Q (T 0 )/T DONDE RADICALA DIFERENCIA POSITIVA DE ENTREGA DE ENERGIA? 8. EL VALOR MAXIMO (IDEAL) DE (T - T 0 /T), LAEFICIENCIADE LA MAQUINA,=1-T 0 /T AUMENTA, CUANDO T AUMENTA EL VALOR MAXIMO DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE CON BAGAZO, CONDENSANDO A 700 C,TEMPERATURA DEL HORNO 11000 C, Y DEL VAPOR, 5200 C (UN CASO EXTREMO), ES : =(1 - (70+273)/(520+273))*100 = 56.7 % 9. PARA EL CICLO COMBINADO, CON 11000 C A LAENTRADA DE LA TURBINA DE GAS, 5500 C A SU SALIDA, 20 % DE PERDIDAS DE CALOR EN LA CALDERA DE RECUPERACION, GENERANDO VAPOR A 4000 C, Y 700C EN EL VAPOR CONDENSANTE. LA ENERGIA MECANICA MAXIMA POSIBLE ES: Q*(1- T 550 / T 1100 ) + Efcaldera *Q*(T 550 /T 1100 )*(1-(T 70 /T 400 )) = (1- T 550 / T 1100 ) + Efcaldera *(T 550 /T 1100) *(1-(T 70 /T 400 )) 10. (1- (550+273)/(1100+273))+ (80/100)*((550+273)/(1100+273))*(1-(70+273)/(400+273)) = [0.40 + 0.23] = 0.63* = 63.0 % ES DECIR, EN CUALQUIER CASO, LA EFICIENCIA DELCICLO COMBINADO VA A ESTAR POR LO MENOS10% POR ENCIMA DEL CICLO RANKINE.EN LA PRACTICA, LAS DIFERENCIAS SON MUCHO MAYORES, EL CICLO BRAYTON NO TIENE LASPERDIDAS DE DISPONIBILIDAD DE CONVER- SIONDE ENERGIA TERMICA EN MECANICA DEL RANKINE. 11. UNAPLANTA ELECTRICA MUY BUENA, DE RELATIVA- MENTE ALTA CAPACIDAD(300 MW), SEGUN EL CICLO RANKINE, PUEDE QUEMAR 220 GRAMOS DE PETROLEO COMBUSTIBLE POR KW-H, LO QUEEQUIVALE A 2156 KCAL POR KW-H, QUE ES IGUAL A 8553 BTU POR KW-H, O A 9.6MJ POR KW-H, QUECORRESPONDE A UNA EFICIENCIA DEL 40 %, . TODOSLOS INDICADORES, CUANDO PROCEDE,SOBRE LABASE DEL VALOR CALORICOBAJO. EN GAS TURBINE WORLD 2000-2001 HANDBOOK, SE REPORTAN TURBINAS DE GAS, CICLO BRAYTON, NOCICLO COMBINADO, CON INDICADORES SIMILARES,EN UNIDADES, INCLUSIVE BASTANTE MASPEQUEAS, DEL ORDEN DE 20 A 40 MW. 12. COMBUSTIBLES ? GAS NATURAL GAS DE PRODUCTOS RESIDUALES DE REFINACIONDEPETROLEO LIQUIDOS; KEROSENE Y OTROS CARBON; PULVERIZADO, OGASIFICADO BIOMASA;GASIFICADA TRATADAMECANICAMENTE TRATADA MECANICA+ QUIMICAMENTE. 13. GASIFICACION ;CONVERSION DE UN COMBUSTIBLESOLIDOOLIQUIDO EN UN COMBUSTIBLE GASEOSO DE PRIMERA IMPORTANCIA EN LA UTILIZACION DE LA BIOMASA COMO COMBUSTIBLE, AUNQUE NO ES OBLI -- GADA SU INCORPORACION. FUNDAMENTALMENTE, HAY DOS TIPOS,LA DE COM-- BUSTION DIRECTA POR AIRE Y LADE COMBUSTION INDIRECTAPOR CALENTAMIENTOCON UNSOLIDOEN LECHO FLUIDIZADO.ESTAULTIMA,GENERANDOUNA MEZCLA GASEOSA CON MAYOR VALOR CALORICO. GASIFICACION 14. ELEMENTOS IMPORTANTES EN LA GASIFICACION, DESDE PUNTOS DE VISTA DE LABIOMASA SON : -- MORFOLOGIAY GRANULOMETRIA DE LA BIOMASA --COMPORTAMIENTO MECANICO EN SU MANIPULACION -- SU HUMEDAD -- CONTENIDO DE CENIZAS -- COMPOSICION DE ESTAS, TANTO EN EL TEJIDO VEGETAL COMO DESPUES DE LA GASIFICACION -- COMPOSICION DEL GAS FORMADO -- SU VALOR CALORICO 15. DOCUMENTODELDPTO DE ENRGIA DEL GOBIERNODE EE UU (Accesible en INTERNET) DOE / GO-- 100096--349 NREL/FS22315 AGOSTO DEL 97, REVISADO EN ENERO DEL 2000 GASIFICACIONPORCALENTAMIENTO (COMBUSTION) DIRECTACONAIRE RENUGAS EN PROCESO DE DEMOSTRACION EN HAWAII DESARROLLADO POR INSTITUTE OF GAS TECHNOLOGY CON LA PARTICIPACION DE WESTINGHOUSE, HAWAII COMERCIAL SUGAR CORPORATION,EL ESTADO DE HAWAII, Y OTROS. SE PROBO CON BAGAZO EN LA ISLA DE MAUI EN 1996 A UNA RAZON DE 50 TON POR DIA, TRABAJANDO A UNA PRESION DE 150 LB / PULG CUADRADA. SE DESARROLLARON DOS VARIANTES, LA DE HAWAII Y LA DE FINLANDIA (TAMPELLA), ORIGINALMENTE DISE-- ADA PARA CARBON.ESDE LECHOFLUIDIZADO. 16. GASIFICACION POR CALENTAMIENTO (COMBUSTION)INDIRECTA. BATELLE / COLUMBUSEN PROCESO DE DEMOSTRACION EN McNEIL POWER STATION,BURLINGTON,VERMONT 17. 18. 19. 20. 21. 22. ASPECTOS ECONOMICOS INVOLUCRADOSEN EL TRABAJO BIOMASS GASIFICATION; COMMERCIALIZATION AND DEVELOPMENT, DE RICHARD L. BAIN, KEVIN C. CRAIG,YRALPH P. OVEREND, DEL NREL DEL DOE,LOS AUTORES CONSIDE-- RAN LOS COSTOS DE INVERSION EN GASIFICACION, SIMILARES A LOS DEL RESTO DEL CICLO, ESTO ES, ENTRE US$ 600 Y 800 POR KWDE POTENCIA INSTALADA. PARA UNA PRIMERA PLANTA US $ 650POR KW, Y PARA LA N PLANTA , US$ 450 POR KW INSTALADO. EN EL PROPIO TRABAJO SE DA COMO COSTO DEL MW-H US$43, DE LOS CUALES, 10.7 SE LO ASIGNAN AL COMBUSTIBLE. 23. 24. 25. COMBUSTIBLES ? GAS NATURAL GAS DE PRODUCTOS RESIDUALES DE REFINACIONDEPETROLEO LIQUIDOS; KEROSENE Y OTROS CARBON; PULVERIZADO, OGASIFICADO BIOMASA; GASIFICADA TRATADAMECANICAMENTE TRATADA MECANICA+ QUIMICAMENTE. 26. BIOTEN INC , DE 10330 TECHNOLOGY DRIVE , KNOXVILLETENNESEE, EEUU,REPORTA LA OPERACION DE UNA INSTA-- LACION QUE TRABAJACON RESIDUOS DE MADERA SINGASIFICACION,SOLAMENTE CON ACONDICIONAMIENTOMECANICO Y SECADO (SAWDUST). LA TURBINA DE GAS, QUE MUEVE UN GENERADOR DE6.0 MW, FUE ADAPTADA DIRECTAMENTE POR ESTA EMPRESA, LA CAMARA DE COMBUSTION ES EXTERNA, Y LOS GASES SONLIMPIADOS SOLAMENTE CON UN SEPARADOR CICLON DELCUAL SALEN LOS GASES A LA TURBINA. 27. COMBUSTIBLES ? GAS NATURAL GAS DE PRODUCTOS RESIDUALES DE REFINACIONDEPETROLEO LIQUIDOS; KEROSENE Y OTROS CARBON; PULVERIZADO, OGASIFICADO BIOMASA; GASIFICADA TRATADAMECANICAMENTE TRATADA MECANICA+QUIMICAMENTE . 28. EN LA REUNION ANUAL DE LA AGENCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA. TAREA No. 17 (1999)SE REPORTO UN TRABAJO SOBRE LA UTILIZACION DE BIOMASA TRATADA MECANICA + QUIMICA-- MENTE MODIFICANDO SU POROSIDAD DE TAL FORMA QUE LAVELOCIDAD DE COMBUSTION AUMENTA HASTA 10 VECES, QUE-- MANDOSE COMO UN GAS CON LA CONSIGUIENTE DISMINUCIONDEL VOLUMEN DE LA CAMARA DE COMBUSTIONASI COMO CON LA POSIBILIDAD DE UTILIZAR BAJOS EXCESOS DE AIRE SOBRE ELTEORICOREQUERIDO, SOLO CINCO AL DIEZ PORCIENTO. 29. Combustion debagazotratado 30. Temp. Entropa isobara isobara 1 2 3 4* W comp Q = 0 W exp CICLO BRAYTON (REAL) W comp = h 1- h* 2 1-2* 2*-3* Q= mC p delta T* 3*-4* W exp = h* 3- h* 4 4 2* Q 2*-3* 3* Q 4*-1 31. Diagrama de Flujo de Informacin en el Clculo de la Turbina de Gas 32. Composicin Elemental del Bagazo Base libre decenizas Carbono . . . . . . . . . . .47.048.2 Hidrgeno . . . . . . . . . .6.56.7 Oxgeno . . . . . . . . . . . . 44.045.1 Cenizas. . . . . . . . . . . .2.5- -100.0 %100.0 % 33. Combustin de Bagazo Frmula emprica del bagazo C48.2/12H6.7/1O 45.1/16 o ( / 100 ) C 4.02 H 6.7 O 2.82 bagazo +(1.0+ / 100 )*( / 100 )*( 4.02*2 + ( 6.7 / 2) - 2.82)*( 1 / 2 ) O 2 moles de oxigeno que vienen en el aire Reaccin de Combustin; base de clculo C 4.02H6.7O2.82 PME (emprico)del Bagazo = 48.2+6.7+45.1 = 100 34. + ( 79 / 21 )*(1.0+ / 100 )*( / 100 )*( 4.02*2 + ( 6.7 / 2 ) - 2.82)*( 1 / 2 ) N 2 moles nitrogeno que vienen con el oxigeno del aire + ( )*( hum / 100 )/ 18 ) H 2 O moles de agua como humedad en el combustible calor liberado 4.02*( / 100 )[ CO 2 +(( 6.7 / 2 )*( / 100 )[H 2 O]+(BC)*( moist / 100 )/ 18 ) H 2 O +( / 100 )*( / 100 )*( 4.02*2 + ( 6.7 / 2 ) - 2.82)*( 1 / 2 ) O 2 + ( 79 / 21 )*(1.0+ / 100 )*( / 100 )*( 4.02*2 + ( 6.7 / 2 ) - 2.82)*( 1 / 2 ) N 2 35. C 4.02 H 6.7 O 2.82+ (4.285 O 2+ 16.12 N 2 ) (1+ /100)4.02CO 2+ 3.35H 2 O + 4.285( /100)O 2+16.12(1+ /100)N 2 o de otra forma C 4.02 H 6.7 O 2.82+ 20.4 (1+ /100) Ai reBagazo 4.02CO 2+ 3.35H 2 O + 4.2 85( /100)O 2+16.12(1+ /100)N 2 36. BASE DE CALCULO ; 1000 KG DE BAGAZO TRATADO,CON 15 % DE HUMEDAD Y CERO CENIZAS SEGUN CALCULOS EN HOJA EXCEL, SE OBTIENE, ENTRE OTROS RESULTADOS; % molC P prom 200/800Kcal/mol-Kg- 0K CO 27.8811.83O 2 10.927.89 N 2 72.707.48 H 2 O8.499.17 PROMEDIO8.01 PMP MOL-KG TOTALES DE GASES433.4728.85 MOL-KG TOTALES DE AIRE398.9128.84 37. Clculos de la Estequiometra, Termofsica yTermoqumica de la Combustin 38. COMPRESIONDELAIRE, ETAPA 1-2* PARA UN PROCESO ISENTROPICO AIRE 1) 2) 3) 4) IGUALANDO LAS EXPRESIONES 2 Y 3, SUSTITU- YENDO C p , REUBICANDO T, INTEGRANDO, RES- PETANDO UNIDADES (J), E INTRODUCIENDO EFICIENCIA DEL COMPRESOR . 39. J ; equivalente mecnico del BTU = 778.26 pie-lb fuerza/ BTU R = 1544 pie-lb fuerza/ mol-lb -0R p 2= 90 lb / pulg2abs; p 1atm., 14.696 lb/pulg 2abs. p 2/ p 1; razn de compresin del compresor = 6.12 = delta H ideal / delta H real = 0.85 T 1 ; temperatura admisin del aire = 240C T 2 ; temperatura de salida del aire = 9380R = 521 K 2480C Trabajo de compresin; 2913 BTU/ mol-lb 1618 Kcal / mol-kg 1.8818 Kw-h/mol-Kg 40. Trbajo de Compresin del Aire 41. ENTALPIA DE LOS REACTIVOS (BAGAZO + AIRE) + VCB = ENTALPIA DE LOS PRODUCTOS(CO 2+ O 2+ N 2+ H 2 O) MEDIANTE EL BALANCE,SE CALCULA LA TEM- PERATURA DE SALIDA DE LOS GASES DE LA CA- MARA (ENTRADA A LA TURBINA), EN ESTE CASO;= 1495K = 12220C = 22320F CALENTAMIENTO ISOBARICO BALANCEDEENTALPIAENLACAMARA DE COMBUSTION;ETAPA2*-3* 42. EXPANSION CASI ISENTROPICA EN LA TURBINA DE GAS(ETAPA 3*-4*) EL MODELO A SEGUIR ES EL MISMO DEL COMPRESOR, SOLO MOVIENDO LA EFICIENICIA DE LA MAQUINA AL TERMINO DE LA DERECHA 43. Trabajo de Expansin Realizado por los Gases 44. TEMPERATURA DE LOS GASES A LASALIDA DE LA TURBINA7760C = 14290F ENTREGA DE ENERGIA POR LA TURBINA DE GAS = 3643 Kcal / mol-Kg= 6558 Btu/mol-lb = 4.2364 Kw-h/mol-Kg ENERGIA UTILIZADA POR EL COMPRESOR PORCIENTO DE LA GENERADA POR LA TURBINA.((398.92*1.8818 )/(433.