DIMENSIONAMIENTO DE CONVERSIÓN DE PLANTA DE GENERACIÓN A COGENERACIÓN

 

Mario Santizo Calderón, PhD.
 

Energía y optimización de procesos
 

RESUMEN
 

La metodología utilizada es simple, pero se utiliza únicamente como una primera aproximación para luego dependiendo de los resultados preliminares, se realiza un estudio de factibilidad.

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La inversión con equipo usado se recupera en tres años y luego de este tiempo, se obtiene un ahorro equivalente a $ 572,544.00 anuales.

En proyectos de cogeneración este período de recuperación de la inversión, es viable [tres años], pero está sujeto a la venta del excedente de energía no utilizada anualmente [Ya que se asumió un factor de utilización eléctrica del 100%] y además el ahorro real anual es del 85% del proyectado, ya que se asume un 15% de gastos por mantenimiento, o sea un ahorro anual de $ 486,662.40.

Este es un escenario de cálculo muy rápido, como primera aproximación, ya que en la realidad se debe calcular en base al período de recuperación de la inversión compuesto y realizar un estudio de sensibilidad debido a la fluctuación de los energéticos y considerar combustibles alternativos. Además el cálculo económico está basado en equipo usado, pero en buen estado.

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Palabras clave: Generación vapor, cogeneración, cálculos térmicos, factor de cogeneración 

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ABSTRACT

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The methodology is simple, but is used only as a first approximation and then depending on the preliminary results, a feasibility study is carried out.

The used equipment investment is recovered in three years and after this time, the equivalent of $ 572,544.00 annual savings are obtained.

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In cogeneration projects this period of payback, it is feasible [three years], but is subject to the sale of excess energy not used annually [Since a factor of electric utilization of 100% is assumed] and also saving Annual Real is 85% of projected as it is assumed 15% of costs for maintenance, or annual savings of $ 486,662.40.

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This is a scenario of very quick calculation, as a first approximation, since in reality should be calculated based on the period of recovery of investment and made a study of sensitivity due to the fluctuation of energy and consider alternative fuels. Besides economic calculation, it is based on used equipment, but in good condition.
Keywords: steam generation, cogeneration, thermal calculations, cogeneration factor.

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INTRODUCCIÓN

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Dimensionamiento de conversión de una planta de generación a cogeneración

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Un horno alimentado con gas natural en una planta textil se emplea para proporcionar vapor a 130ºC. En momentos de alta demanda el horno suministra calor al vapor a una tasa de 30 MJ/s [30 MW]. La planta también consume hasta 6 MW de potencia eléctrica que se compra a una empresa eléctrica local. La administración de la planta tiene planes para convertir la planta de proceso existente en una central de cogeneración para cubrir sus necesidades tanto de calor de proceso como de electricidad. Como ejercicio proponga algunos diseños. Considere diseños basados en una turbina de gas o en una turbina de vapor. Decida primero si un sistema basado en alguna de estas dos turbinas servirá mejor al objetivo, considerando el costo y la complejidad. Después proponga su diseño para la central de cogeneración completa con presiones y temperaturas, así como con relaciones de flujo de masa. Demuestre que el diseño propuesto cubre los requerimientos de potencia y de calor de proceso de la central.

 

1. Premisas

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1. Horno alimentado con gas natural produce vapor a 130°C

2. En alta demanda el horno suministra al vapor 30 MJ/s [30 MW]

3. La fábrica de textiles compra 6 MW de energía eléctrica

 

2. Proyecto

 

Diseñar y dimensionar un sistema de cogeneración de acuerdo a la mejor opción [Turbina de gas o de vapor], eligiendo la mejor opción.

 

Antecedentes

 

En los sistemas de cogeneración se produce energía eléctrica y se utiliza energía térmica para un proceso industrial [Calor de proceso], como este proyecto a considerar en la fábrica de textiles.

La mayor parte de industrias utilizan energía térmica [Calor de proceso], como son: Textiles, alimentos, cerveza, aceites y grasas, jabones y detergentes, extracción de aceite de la palma africana, pulpa y papel, etc.

 

El calor de proceso en estas industrias se suministra convirtiendo la energía química del combustible, en energía térmica a través del proceso de combustión [Combustible, comburente y energía de activación] e indirectamente se transfiere al agua caliente para producir vapor o también se utiliza la energía térmica como gases calientes como es el caso de un combustor [Cámara de combustión].

Las industrias de proceso usualmente utilizan vapor saturado entre 700 kPa a 1,300 kPa, es decir, entre 165°C y 190°C. Al respecto, es importante tener presente que la temperatura que alcanzan los hornos o calderas en el hogar es aproximadamente de 1,350°C, es decir desde el punto de vista de la segunda ley de termodinámica, la energía contenida en el horno es de alta calidad. Obviamente esta energía se transfiere al agua para producir vapor aproximadamente entre 165°C y 190°C, lo que hace esta transferencia de calor un proceso altamente irreversible. Es decir, es ineficiente generar energía de alta calidad para ser utilizada como energía de baja calidad.

Muchas fábricas utilizan grandes cantidades de energía térmica y eléctrica [Fábrica de textiles con tintorería]. En estos casos, desde el punto de vista de ingeniería, es más económico utilizar el potencial de trabajo ya existente para producir potencia, en vez de permitir se desperdicie [sumidero] y a menor calidad utilizar el vapor o calor como energía térmica en el proceso, es decir a través de un sistema de cogeneración. 

En estos sistemas de cogeneración, puede utilizarse una turbina de vapor [Ciclo Rankine], turbina de gas [Ciclo Brayton] o sistema combinado, dependiendo de las condiciones de diseño [Variables de operación] y condiciones económicas.

 

1. Cálculo de los Bhp:

 

Para calcular los Bhp de caldera, se deben considerar varios parámetros:

 

1. Horno alimentado con gas natural produce vapor a 130°C

2. En alta demanda el horno suministra al vapor 30 MJ/s [30 MW]

3. El generador de vapor se utiliza para abastecer de energía térmica a un proceso industrial

 

Respecto al inciso 1 y 3, el vapor se produce a condiciones de saturación pues se trata de un proceso industrial, no de potencia, además en las fábricas de textiles se utiliza el vapor en la sección de tintorería en los hornos y secadores a baja presión. Se indica que este vapor se produce en el generador de vapor a 130°C (266°F) y esta temperatura corresponde a una presión de saturación correspondiente a 270 kPa (42 psia). Respecto al inciso 2, se suministra al vapor 30 MJ/s (30,000 kJ/s) a las condiciones del vapor indicadas, correspondiendo al vapor producido, un contenido entálpico correspondiente a 2,720.50 kJ/kg.

El proceso correspondiente a textiles usualmente recupera aproximadamente un 75% del condensado del vapor, de tal manera que el 25% del agua utilizada es de reposición (agua fresca). Un condensado de vapor correspondiente a un vapor saturado llega al tanque de condensados a 85°C aproximadamente, pero tomando en cuenta que el 25% es agua de reposición a 24°C, es decir, la temperatura del agua entrando a la caldera de vapor es de 70°C (se obtiene este valor, aplicando un balance de masa y energía al tanque de retorno de condensados). El agua a esta temperatura tiene una entalpía correspondiente a 292.80 kJ/kg.