Diseño de un sistema de vapor (CHP) parte 1

En una planta de cogeneración de extracción de aceite del coquito de palma africana, el vapor de agua entra a la turbina de contrapresión a 1,015 psig y 935°F. De la turbina se extrae una parte de vapor a 1,015 psig para el proceso térmico, el condensing se lleva a cabo a 0.75 psig. Luego la corriente condensing se condensa a presión constante y se bombea hasta la presión del vapor a 1,015 psig. En momentos de alta demanda de energía térmica al proceso, una parte del vapor que sale de la caldera a través de una corriente de derivación se estrangula hasta 687 psig y se envía al proceso térmico. El flujo másico de vapor que produce la caldera es de 120,000 lb/hr. La caldera tiene una eficiencia de caldera del 84%. La temperatura del agua fresca es de 65°F y la del aire ambiente es 80°F. La caldera utiliza bunker como combustible (0.15 MBtu/galón) y el costo de Q17.00/galón. La purga es del 4% en masa. El sistema opera 8,400 horas por año. El porcentaje de azufre del combustible es del 2.5%.

Determine el factor de cogeneración si la tasa máxima del calor de proceso, la potencia producida cuando no se suministra calor de proceso y el factor de utilización, la tasa de suministro de calor de proceso cuando 15% del vapor se extrae antes que entre a la turbina y 60% del vapor se extrae de la turbina a 687 psig para el proceso térmico.

De manifold al proceso térmico salen las siguientes corrientes:

  • 3 intercambiadores de alta presión a 85 psig
  • 3 secadores de baja presión a 45 psig
  • 3 intercambiadores de baja presión a 45 psig
  • 4 autoclaves a 70 psig
  • 3 marmitas a 70 psig
  • 2 tanques de dilución a 40 psig
  • Sistema lavado cisternas a 40 psig

Se requiere calcular lo siguiente:

  1. Determinar el flujo de vapor en lb/h saliendo de la caldera, baypaseado al proceso térmico.
  2. Determinar el vapor flasheado (lb/h) por tanque de R.C. y total.
  3. Determinar el agua entrando a la caldera, retornos de condensados, agua fresca del sistema.
  4. Dimensionar (diámetro y longitud) de tuberías de vapor y condensado, encontrando la caída de presión.
  5. Determinar la temperatura del a.a.c.
  6. Determinar los galones por hora del combustible utilizado.
  7. Determinar el costo de 1,000 libras de vapor del proceso de producción de energía eléctrica, del proceso térmico y del proceso completo (energía térmica y eléctrica).
  8. Determinar la eficiencia térmica de la turbina de vapor por medio de entalpías.
  9. Cálculo del factor de cogeneración.
  10. Determinar TSR, ASR, KW producidos de presentación turbinas, tomando en cuenta los factores que consideren necesarios.
  11. Determinar TSR, ASR, KW del proceso de cogeneración y compararlos con los identificados de turbinas.
  12. Cálculo de la energía eléctrica para el proceso.   
  13. Eficiencia total del ciclo de cogeneración
  14. Balances de masa y energía.
  15. Dimensionar con todo detalle el economizador y precalentador, usando para ambos tubería de 1 pulgada y 10 pies de largo, teniendo la siguiente información:

Precalentador

Economizador

Gases de escape

-Temperatura= 850º F

-Presión = 100 kPa

-Flujo volumétrico a 850 ºF = 100,000 pie3/min

Aire de combustión

-Flujo volumétrico medido a 80ºF = 4,800 pie3/min

 

Eficiencia =75%

 

Gases de chimenea

-T = 850º F

-P = 100kPa

-Flujo a 850º F = 351,560

 pie3/min

 

Eficiencia =85%

 

 

 

16.Diagrama del sistema completo de cogeneración y diagrama de los recuperadores de calor (energía). (En el sistema completo de cogeneración colocar toda la información original y calculada, tomando en cuenta entre otros cálculos, los siguientes: Largo de tuberías de vapor y condensado, diámetros, pérdidas de presión en todas las tuberías (vapor y condensado), manifold principal y secundarios, válvulas de compuerta, reducidores de presión, reguladores de presión, trampas de vapor, sistemas de retornos de condensados, entre otros a considerar para completar el diagrama).

Datos para la elaboración del diagrama del proceso

De la caldera sale vapor a ciertas condiciones 3 m arriba, luego 30 m horizontal, luego hacia abajo 10 m y llega a la turbina de contrapresión. En el tramo de 30 m, a los 15 m (mitad distancia) hay una Te en la cual baja 70 m la tubería hacia el manifold principal de la planta de proceso térmico.

La turbina dispone de una extracción de vapor que va al proceso térmico y un condensing con su torre de enfriamiento. Luego del condensing, baja la tubería 3 m y luego 5 m a la izquierda, donde hay una bomba y luego a 5 m el tanque de condensado, en el cual en la parte de abajo hay dos bombas, opera una y la otra cuando se arruina la que estaba en operación, El ciclo usa agua desmineralizada. De la energía eléctrica producida, 1 MW se usa para operar el ciclo de potencia para abastecer los ventiladores de tiro forzado, tiro inducido, automatización e iluminación. Para la iluminación, antes del panel de esta hay un transformador de 460 V a 230 V. 

Manifold principal a proceso:

  • Del manifold principal de vapor sale vapor a 3 intercambiadores de calor de alta presión, 14 metros hacia arriba, y 50 m horizontal hacia la derecha.
  • Del manifold principal de vapor sale vapor a 3 secadores de baja presión, 12 m arriba y 70 m horizontal hacia la derecha, 20 m arriba y 5 m horizontal.
  • Del manifold principal de vapor sale vapor a 3 intercambiadores de baja presión, 10 m arriba, luego 80 m horizontal hacia la derecha y 5 m arriba.
  • Del manifold principal de vapor sale vapor a 4 autoclaves, 8 m arriba del manifold, 15 m horizontal hacia la derecha, 30 m abajo 10 m horizontal hacia la derecha.
  • Del manifold principal de vapor sale vapor a 3 marmitas, 6 m arriba, 15 m horizontal hacia la derecha, 30 m abajo, 10 m horizontal hacia la derecha.
  • Del manifold principal de vapor sale vapor a 2 tanques de dilución, 4 m arriba, 5 m horizontal a la derecha, 20 m vertical hacia abajo y 10 m horizontal hacia la derecha.
  • Del manifold principal de vapor sale vapor a 4 sistemas de lavado de tanques cisterna, 2 m arriba, 3 m horizontal hacia la derecha, 25 m abajo y 20 m horizontal hacia la izquierda.