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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

SALOME GONZALES CHAVEZ

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Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

PROLOGO El presente documento constituye el texto guía del Curso Centrales Termoeléctricas, impartido a estudiantes de Ingeniería en las especialidades de Mecánica, MecánicaEléctrica, Naval y Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería-Perú. Este material tiene como objetivo transmitir al alumno, los fundamentos básicos y la parte aplicativa de las Centrales Termoeléctricas y Sistemas de Cogeneración, los mismos que han de servir como elementos de base para el dimensionado, diseño, selección, operación y proyectos de instalaciones de centrales turbovapor, centrales turbogas, centrales de ciclo combinado y sistemas de cogeneración; ello de acuerdo al tipo de requerimiento y a las características energéticas estratégicas del Perú. Está constituido por nueve capítulos en los que se aborda: una parte introductoria referida al mercado eléctrico nacional y la participación termoeléctrica en el sistema interconectado nacional; la tecnología de generación térmica con fuentes renovables; el panorama energético del Perú en relación con las centrales termoeléctricas instaladas; el avance tecnológico de las centrales termoeléctricas; las características de los motores térmicos en la conformación de las centrales termoeléctricas; los ciclos termodinámicos reales que gobiernan a las centrales termoeléctricas; el detalle de la conformación, características de operación y parámetros técnico-económicos de las centrales termoeléctricas de vapor, de gas y de ciclo combinado. Asimismo, se aborda la ingeniería y el estudio de factibilidad para la instalación de sistemas de cogeneración. El Perú es un país privilegiado en cuanto se refiere a la existencia y diversificación de recursos energéticos naturales, sin embargo su aprovechamiento en la generación de electricidad a la actualidad, es deficiente. Si bien en los últimos años, debido a la explotación del gas natural, el parque de generación termoeléctrica ha crecido de manera ostensible, la oferta-demanda de energía fina sigue siendo marcadamente desbalanceada. Un plan estratégico de mediano y largo plazo debe apuntar a un aprovechamiento estratégico de los recursos energéticos, acorde a la tecnología moderna de conversión y/o reingeniería, bajo el concepto integrado de eficiencia, economía, calidad y, protección del medio ambiente. Es de considerar también, que en el Perú ya se han dado grandes pasos en la búsqueda de mejoras, esto es la creación de reglamentos, normativa y órganos eficientes de administración de la energía. La demanda eléctrica está creciendo muy aceleradamente en los últimos años, ello obedeciendo fundamentalmente al despegue minero, agroindustrial y los servicios; por lo tanto la generación y el transporte de electricidad debe proyectarse en mutua sintonía, garantizando confiabilidad y economía. Dentro de este contexto, el elemento motor para lograr tales objetivos, lo marca la mano de obra calificada. Finalmente; este documento conforma una guía de avance dentro la transferencia del conocimiento al estudiante de Centrales Termoeléctricas, alcanzará su objetivo sólo cuando se complete con las actividades realizadas por el profesor en el aula; esto es: ampliación y detalle de conceptos, ejemplos de caso, resolución de problemas, transmisión de experiencias ingenieriles e investigación en los temas. Salome Gonzáles Chávez

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Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA APLICADA

SILABO P.A. 2015

1.

INFORMACION GENERAL

Nombre del curso : Código del curso : Especialidad : Condición : Ciclo de estudios : Pre-requisitos : Número de créditos : Total de horas semestrales: Total de horas por semana Teoría : Practica : Duración : Sistema de evaluación : Profesor :

CENTRALES TERMOELECTRICAS MN 163 MECANICA ELECTRICA OBLIGATORIO 10° ML244, MN116 04 56 04 04 -17 SEMANAS F DR. SALOME GONZALES CHAVEZ

2. SUMILLA Introducción. Tecnología energética. Situación energética nacional, infraestructura de generación eléctrica, matriz energética nacional. Conceptos fundamentales para la elección motores térmicos para generación termoeléctrica. Ciclos termodinámicos reales de centrales termoeléctricas. Centrales termoeléctricas de vapor. Aplicaciones prácticas. Centrales termoeléctricas a gas. Centrales termoeléctricas de ciclo combinado. Plantas de cogeneración: Fundamentos, ingeniería, elección de sistemas de cogeneración, cálculo de rentabilidad y costos de cogeneración. Costos de operación de centrales termoeléctricas. Aplicaciones prácticas de generación termoeléctrica. 3. OBJETIVO El alumno al finalizar el curso, deberá tener una visión clara del contexto energético nacional y mundial, definir las características técnicas económicas de una central termoeléctrica, seleccionarlo y dimensionarlo en función a criterios de planeamiento energético. Estará capacitado para esbozar una central térmica que genere cantidades específicas de electricidad, teniendo en cuenta su principio de funcionamiento y aplicación, identificación de componentes y la transformación de la energía desde la alimentación del combustible hasta la electricidad producida. Para ello se le ha de transmitir los conocimientos teórico-prácticos de las centrales termoeléctricas, en base a los conceptos de ingeniería aplicada, termofluidos e ingeniería económica. 3

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4. PROGRAMA ANALÍTICO POR SEMANA SEMANA 1 INTRODUCCIÓN. Generación y consumo eléctrico nacional. Conformación y elementos básicos de una Central Termoeléctrica. Clasificación de las Centrales Termoeléctricas SEMANA 2 GENERACION TERMOELECTRICA CON FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE Y NO RENOVABLE. Las energías renovables y no renovables. Generación integrada nacional con energías renovables. Formas de conversión tecnológica de la energía SEMANA 3 EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA DEMANDA ELECTRICA NACIONAL. Infraestructura de generación termoeléctrica. Matriz energética del Perú. Flujo energético nacional y el efecto de la generación termoeléctrica. Perspectivas de las centrales termoeléctricas en el sistema eléctrico nacional. SEMANA 4 CONCEPTOS FUNDAMENTALES PARA LA ELECCION DE MOTORES TERMICOS PARA GENERACION TERMOELECTRICA. Definiciones. Clasificación general, principio de funcionamiento, componentes básicos, tipos de turbinas, arreglos. SEMANA 5 CICLOS TERMODINAMICOS REALES DE CENTRALES TERMOELECTRICAS. Ciclo de vapor Rankine básico y avanzado. Ciclo de gas Joule Brayton abierto, Ciclos Combinados. Ejercicios SEMANA 6 CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR. Configuración de la central, abastecimiento de combustible, transformación de la energía, rendimientos de la turbina, características constructivas de las turbinas de vapor, arreglos. SEMANA 7 APLICACIONES PRÁCTICAS. Avances de temas monográficos, estudios de caso, desarrollo de problemas prácticos SEMANA 8 SEMANA DE EXAMENES PARCIALES SEMANA 9 CENTRALES TERMOELECTRICAS DE GAS. Características de los componentes, compresor, cámara de combustión, estructura y arreglos de la turbina, diagramas térmicos. SEMANA 10 CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO. Disposición de planta típica, calderas de recuperación, diagramas termodinámicos, prestaciones, arreglos de centrales de ciclo combinado con una y dos presiones SEMANA 11

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CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO. Efecto de los parámetros de diseño sobre la potencia y rendimiento de una central de ciclo combinado, balance energético, rendimientos, costos SEMANA 12 PLANTAS DE COGENERACION. Fundamentos de la Cogeneración, ingeniería de la Cogeneración, selección de motores para un sistema de Cogeneración SEMANA 13 PLANTAS DE COGENERACION. Parámetros característicos técnicos y económicos de sistemas de cogeneración, cálculo de rentabilidad de sistemas de cogeneración SEMANA 14 COSTOS DE OPERACIÓN DE CENTRALES TERMOELECTRICAS. Evaluación de costos de inversión, costos de operación y mantenimiento, costos específicos de instalación, costos específicos de generación SEMANA 15 APLICACIONES PRÁCTICAS. Determinación de costos de generación en sistemas integrados, costo del kW instalado, costo del kWh generado, ejemplos de caso, evaluación final de monografías. SEMANA 16 SEMANA DE EXAMENES FINALES SEMANA 17 EXAMEN SUSTITUTORIO 5.- ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS Utilizando el método enseñanza-aprendizaje, el profesor ha de transmitir al alumno en cada clase: la motivación del tema en estudio, la información teórica y de experiencia del tema a tratar y, la orientación al alumno para realizar su aprendizaje de cada punto tratado.  La exposición didáctica del tema a tratar, su importancia  La formulación teórica, con ejemplos, discusión e interpretación del caso  Incentivo para el logro de clase dictada-clase aprendida 6.- MATERIALES EDUCATIVOS Y OTROS RECURSOS DIDACTICOS 6.1

Medios o Procedimientos Didácticos    

6.2 

Exposición de bases teóricas en aula de clases, presentación de datos, estadísticas y discusiones técnicas en torno a ellas Desarrollo de casos aplicativos, propuestos como trabajo de aplicación Visita a Plantas Termoeléctricas de Lima y Laboratorio de Energía de la FIM Presentación y sustentación de casos aplicativos asimilados por el alumno. Materiales del Proceso de Enseñanza - Aprendizaje Separatas del curso 5

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 

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Exposición del profesor en pizarra Uso de presentaciones en PowerPoint

7.- EVALUACIÓN a. Sistema de Evaluación: Examen parcial (EP): Examen final (EF): Promedio de monografías (Mo):

F Peso 1 Peso 2 Peso 1

b. Sub sistema de Evaluación (parte práctica del curso) 2

Mo 

M i 1

i

2 Mo: Nota promedio de monografías. Son dos (02) monografías calificadas de las cuales no se elimina ninguna c. Nota Final (NF):

NF 

EP  2EF  Mo 4

8.- BIBLIOGRAFIA  R.W. Haywood. Ciclos Termodinámicos de Potencia y Refrigeración, Ed. Limusa, 2000  Philip G. Hill. Power Generation, Ed. MIT, 1977  Santiago Sabugal García, Florentino Gómez Monux. Centrales Térmicas de Ciclo combinado, Ed. Díaz de Santos, 2006.  Richard T. C. Harman. Gas Turbine Engineering, Ed. The Macmillan Press LTD, 1981  A. K. Raja, Amit Prakask Srivastava y Manish Dwivedi, New Age International (P) LTD, 2006  Gordon J. Van Wylen, Richard E. Sonntang, Fundamentos de Termodinámica, Ed. Limusa - Wiley S. A., 1967  R. K. Turton. Principles of Turbomachinery, Ed. E. & F. N. Spon, 1984.  Santiago García Garrido. Operación y Mantenimiento de Centrales de Ciclo Combinado. Ed. Díaz de Santos 2008. Páginas de internet  www.minem.gob.pe  www.osinergmin.gob.pe  www.eia.doe.gov  www.bp.com/statisticalreview  www.coes.org.pe Lima, 2015

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INDICE 1. INTRODUCCION 1.1 1.2 1.3

Generación y consumo eléctrico nacional Elementos básicos de una Central Termoeléctrica Clasificación de las Centrales Termoeléctricas

2. GENERACION TERMOELECTRICA CON FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE Y NO RENOVABLE 2.1 2.2 2.3

Las energías renovables y no renovables Generación integrada nacional con energías renovables Formas de conversión tecnológica de la energía

3. EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA DEMANDA ELECTRICA NACIONAL 3.1 3.2

Infraestructura de generación termoeléctrica Flujo energético nacional y el efecto de la generación eléctrica

4. CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN LA ELECCION DE MOTORES TERMICOS PARA GENERACION TERMOELECTRICA 4.1 4.2 4.3 4.4

El motor térmico para generación eléctrica Clasificación general Principio de funcionamiento y tipos Campo de aplicación del tipo del motor térmico según niveles de potencia y rendimientos

5. CICLOS TERMODINAMICOS REALES DE CENTRALES TERMOLECTRICAS 5.1 5.2

Ciclo termodinámico real de centrales termoeléctricas de vapor Ciclo termodinámico real de centrales termoeléctricas de ciclo combinado, turbogas - turbovapor

6. CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Configuración de la central Sistema de abastecimiento de combustible Transferencia de energía al circuito agua-vapor Transformación de energía térmica en mecánica Transformación de energía mecánica en eléctrica Sistema de enfriamiento Características constructivas de turbinas de vapor

7. CENTRALES TERMOELECTRICAS DE GAS 7

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7.1

7.2

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Características de los componentes principales 7.1.1 El compresor 7.1.2 La cámara de combustión 7.1.3 La turbina a gas propiamente Características de operación y costos de generación

8. CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO 8.1 8.2 8.3

8.4 8.5

Diagrama termodinámico equivalente de una central termoeléctrica de Ciclo Combinado Prestaciones de las centrales de Ciclo Combinado Centrales de Ciclo Combinado con sistema turbovapor de una y dos presiones de admisión y turbina a gas 8.3.1 Características del arreglo de Ciclo Combinado de dos presiones 8.3.2 Balance energético del arreglo de Ciclo Combinado de dos presiones Efecto de los parámetros más importantes de diseño sobre la producción de potencia y rendimiento en C. C. C. Costos comparativos de generación con Ciclo Combinado y otros

9. SISTEMAS DE COGENERACION 9.1

9.2

9.3 9.4

Fundamentos de cogeneración y sus posibilidades en el Perú 9.1.1 Definiciones 9.1.2 Importancia de la cogeneración 9.1.3 Reglamento de cogeneración en el Perú Ingeniería de Cogeneración 9.2.1 Parámetros característicos 9.2.2 Especificaciones de los motores de un sistema de Cogeneración Estudio de Factibilidad de un sistema de Cogeneración Cálculo metodológico de la rentabilidad de sistemas de cogeneración 9.4.1 Calculo tradicional de rentabilidad de sistemas de cogeneración 9.4.2 Calculo de la rentabilidad de sistemas de cogeneración con elementos de programación 9.4.3 Calculo con ejemplos de caso

BIBLIOGRAFIA ANEXOS

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1 1.1.

INTRODUCCION

GENERACION Y CONSUMO ELECTRICO NACIONAL

El Perú es un país que posee arraigo en el uso de la tecnología de turbinas a gas y a vapor para la producción de energía eléctrica, por ejemplo en los siguientes campos:   

Generación de electricidad mediante centrales termoeléctricas, en donde principalmente se utilizan centrales turbogas, turbovapor y ciclos combinados. Producción de potencia mecánica para generación eléctrica y fuerza motriz en la industria azucarera, utilizando principalmente turbinas a vapor Producción simultánea de calor para uso en proceso y electricidad para autoconsumo y venta a la red, mediante sistemas de cogeneración, utilizando turbinas de vapor y/o turbinas a gas.

PRODUCCION ELECTRICA INTERCONECTADA DEL PERÚ-SEIN 



La producción de energía eléctrica de las empresas integrantes del Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional (COES SINAC), durante el 2013 fue 39669 GWh, que representa un crecimiento de 6,29% con respecto al año 2012. De la energía producida, el 51,8% fue de origen hidráulico, 45,7% de origen térmico y 2,5% de origen Renavable (RER). La producción de energía eléctrica y la participación porcentual por empresas integrantes del COES se muestran en el siguiente gráfico, donde se observa que las empresas de mayor producción de energía fueron: Edegel con 7560 GWh, Electroperú con 7272 GWh y Enersur con 7719 GWh.

Producción de Energía Eléctrica del COES por Empresas en el 2013 9

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La evolución de la Potencia instalada y potencia efectiva del COES desde 1994 al 2013 es la siguiente: Potencia Instalada y Potencia Efectiva del COES Año

Potencia Instalada (MW)

Potencia Efectiva (MW)

1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

2,725.97 2,772.27 2,909.78 3,864.89 4,787.70 4,941.71 5,268.62 5,307.74 5,205.20 5,288.61 5,245.33 5,379.11 5,465.27 5,371.07 5,342.81 6,000.60 6,699.20 6,746.32 7,330.20 8,050.00

2,391.40 2,438.80 2,593.30 3,397.10 3,725.58 4,017.52 4,303.35 4,382.80 4,402.12 4,381.16 4,336.21 4,470.64 4,799.13 5,152.38 5,159.95 5,848.35 6,463.40 6,444.38 7,116.70 7,813.07

Evolución de la potencia instalada y potencia efectiva del COES

A nivel nacional el mercado eléctrico ha evolucionado de la forma siguiente:

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Potencia Instalada y Potencia Efectiva Total nacional Año 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Potencia Instalada Total (MW) 4,462 4,663 5,192 5,515 5,742 6,066 5,907 5,936 5,970 6,016 6,201 6,658 7,028 7,158 7,986 8,613 8,691 9,699 11,051

Potencia Efectiva Total (MW) 4,075 4,003 4,581 4,782 5,116 5,555 5,387 5,396 5,422 5,418 5,611 5,873 6,352 6,349 7,256 8,000 8,046 8,939 9,885

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La demanda de electricidad es variable a lo largo de las horas de un día típico, el cual se cuantifica mediante el Diagrama de Carga.

Sistemas de generación para satisfacer carga del día de Máxima Demanda del SEIN en el 2013

Evolución de la Demanda Máxima y Producción Eléctrica del SEIN del 2013

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1.2.

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ELEMENTOS BASICOS DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA

ELEMENTOS BASICOS DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA A GAS En términos generales una Central Termoeléctrica. a gas, está conformada por los siguientes elementos básicos:  EL COMPRESOR. Se encarga de concentrar la masa de aire requerida para el proceso de combustión  LA CAMARA DE COMBUSTION. Donde se realiza la mezcla adecuada de aire y combustible y la ignición, para un proceso de combustión a presión constante  LA TURBINA A GAS. Es la turbomáquina donde los gases de combustión se expanden en el conjunto rotor, produciendo un cambio de momentum angular aprovechado en su eje como potencia mecánica  EL GENERADOR ELECTRICO. Donde se produce la electricidad

Esquema básico de una Central turbogas

Foto de una Central Termoeléctrica de Ciclo Simple (Sta. Rosa, 125 MW) 13

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Turbocompresor a gas con compresor centrífugo y turbina axial (ejemplo el existente en la Turbina a gas para instrucción en el Laboratorio de Energía de la FIM-UNI

ELEMENTOS BASICOS DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA A VAPOR En cambio una C. T. a vapor básica, está conformada por los siguientes elementos básicos:  LA CALDERA. Produce el vapor a partir de la combustión de petróleo, gas natural o carbón  LA TURBINA A VAPOR. Es la turbomáquina donde el vapor se expande en el conjunto rotor, produciendo un cambio de momentum angular aprovechado en su eje como potencia mecánica  EL GENERADOR ELECTRICO. Donde se produce la electricidad  EL CONDENSADOR. Condensa el vapor de descarga de la T.V. ganando así salto entálpico  SISTEMA DE BOMBEO. Impulsa el condensado hacia la caldera

Esquema de una C.T. de vapor 14

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Foto de la Central Turbovapor Ilo 21 (135 MW)

1.3. CLASIFICACION DE LAS CENTRALES TERMOELECTRICAS Existen diferentes formas de clasificar a las centrales termoeléctricas, por ejemplo: 1) DE ACUERDO AL FLUIDO DE TRABAJO QUE ATRAVIESA LA TURBINA  Central turbo gas o central con turbina a Gas. Cuando los gases de combustión se expanden en el o los rodetes de la turbina propiamente  Central turbovapor o central con turbina a vapor. Cuando el vapor se expande en el o los rodetes de la turbina propiamente 2) DE ACUERDO A LA COMBUSTION  Central de Combustión Interna. Cuando los gases de combustión participan directamente en la generación de potencia mecánica. Es el caso del ciclo JouleBrayton abierto  Central de combustión externa. Cuando los gases de combustión no participan directamente en la generación de potencia mecánica. Es el caso del ciclo Rankine 3) DE ACUERDO A LA PRODUCCION DE ENERGÍA FINAL  Central termoeléctrica. Produce solamente energía eléctrica  Central de cogeneración. Produce energía eléctrica y también energía térmica final para uso en procesos 4) DE ACUERDO AL CICLO TERMODINAMICO  Central de ciclo Ránkine  Central de ciclo Joule Brayton abierto o cerrado  Central de ciclo combinado. Genera potencia eléctrica aprovechando ambos ciclos Joule Brayton y Rankine 5) DE ACUERDO AL TIPO DE COMBUSTIBLE UTILIZADO  Central carboeléctrica. Cuando la caldera quema carbón

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

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Central nuclear. Cuando la generación de vapor se realiza por transferencia de energía desde la fisión nuclear en el reactor hacia las camisas de agua para su vaporización

6) DE ACUERDO A LA SALIDA DE VAPOR DE LA TURBINA  Planta con turbina de condensación. Cuando la presión del vapor a la salida de la T.V. es menor que la atmosférica  Planta con turbina de escape libre. Cuando la presión del vapor a la salida de la T.V. es igual a la atmosférica  Planta con turbina de contrapresión. Cuando la presión del vapor a la salida de la T.V. es mayor que la atmosférica

Foto de una Central Termoeléctrica de Ciclo Combinado (Chilca I, 822 MW)

Esquema térmico de la Central Termoeléctrica de Ciclo Combinado Chilca I

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CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Esquema de la Planta Turbovapor instruccional de la FIM-UNI (Laboratorio de energía)

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2

2.1

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GENERACION TERMOELECTRICA CON FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE Y NO RENOVABLE LAS ENERGIAS RENOVABLES Y NO RENOVABLES

En el siguiente cuadro se muestra algunas de las diferencias que actualmente podemos observar, entre el aprovechamiento de las energías renovables y las energías no renovables. ENERGIAS RENOVABLES

ENERGIAS NO RENOVABLES

PUNTO DE VISTA DEL RECURSO Son fuentes de energía inagotables, Son recursos agotables, dado su cualquiera sea su nivel de aprovechamiento masivo peligra su extinción aprovechamiento La ubicación geográfica de los recursos Los recursos no renovables de energía se renovables es más distribuida y de encuentran geográficamente más localizados alcance mundial y concentrados. En el espacio natural poseen menor Poseen una mayor concentración energética concentración energética por unidad de por unidad de masa o volumen. masa Son fuentes de energía, pero más aún Son exclusivos para aprovechamiento son fuentes de vida. energético PUNTO DE VISTA TECNOLOGICO Los rendimientos totales para su Los rendimientos totales para transformación transformación en energía eléctrica son en electricidad son relativamente mayores más bajos; excepto en el caso de la hidroenergía, que es la más eficiente. Se ajustan a soluciones energéticas Su aprovechamiento en transformación puntuales y a sistemas integrados. energética es generalmente de mayor escala Altos incrementos evolutivos en sus Rendimientos más estáticos, no obstante rendimientos, así como fabricación y uso siguen siendo mayores masivos PUNTO DE VISTA ECONOMICO Y SOCIAL Alta tendencia a la reducción de costos de Los costos de generación eléctrica son generación eléctrica y alta competitividad comparativamente más reducidos pero con baja tendencia a su reducción Bajos costos operativos y altos costos de Altos costos operativos y bajos costos de instalación. Los costos específicos por instalación. unidad de energía comparativamente se están reduciendo; las altas inversiones se compensan con los bajos costos de operación - mantenimiento y el casi nulo costo de la energía primaria a lo largo de la vida útil 18

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CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Dadas las características de lejanía y Estas energías no son convenientes para dispersión en el sector rural, el satisfacer demandas puntuales del sector aprovechamiento de las energías rural, principalmente por el efecto de los altos renovables se presenta como alternativas costos que supone su transporte y de mayor viabilidad técnico – económica y distribución social PUNTO DE VISTA MEDIOAMBIENTAL La ventaja sustancial del uso de las De naturaleza colabora en la contaminación energías renovables es su conversión medioambiental, no obstante las tasas de limpia, renovable y duradera, sin contaminación han ido decreciendo dada las prácticamente ningún deterioro del medio restricciones normativas internacionales. ambiente

Balance electromagnético y energético del recurso solar

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2.2

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

GENERACION INTEGRADA NACIONAL CON ENERGIAS RENOVABLES

Primera subasta de energías renovables en base al D.L. 1002 En aplicación de la primera subasta de energías renovables en base al D.L. 1002, en febrero del 2010, se llevó a cabo la primera subasta de energías renovables en el Perú para la generación eléctrica interconectada, amparada en el D.L. 1002. En la figura siguiente se muestra la distribución de dichos proyectos adjudicados.

Proyectos de generación eléctrica con RER en el Perú, en base a D.L. 1002, primera subasta 20

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CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Segunda subasta de energías renovables en base al D.L. 1002 El 24 de agosto 2011 se realizó la segunda subasta de energía eléctrica renovable -RERdirigida por el OSINERGMIN, donde se adjudicó 10 proyectos que cubren el 58% de la demanda requerida de energía eléctrica, acordada bajo esta modalidad.

Proyectos de generación eléctrica con RER en el Perú, en base a D.L. 1002, segunda subasta

Tercera subasta de energías renovables en base al D.L. 1002 La tercera subasta de generación eléctrica con RER, concluyó el 23 de diciembre con la adjudicación de los siguientes proyectos de generación mini hidráulica.

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CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Proyectos de generación eléctrica con RER en el Perú, en base a D.L. 1002, tercera subasta

2.3

FORMAS DE CONVERSION TECNOLOGICA DE LA ENERGIA

A través del tiempo, la conversión tecnológica de la energía desde las fuentes naturales (energía primaria), hasta la obtención de energía fina (electricidad), ha ido evolucionando en base al siguiente orden: 1º. Rendimiento de transformación: eficiencia y potencia dada la disponibilidad de la fuente primaria 2º. Economía de funcionamiento: a partir de la escases de la fuente primaria 3º. Calidad de aprovechamiento: reflejado en disponibilidad de la energía fina, vida útil del sistema de conversión 4º. Protección del medio ambiente: mitigación o desaparición de los contaminantes del medio ambiente que aparecen con el proceso de conversión de la energía En el presente así como en el futuro, de seguro que la simultaneidad de estos cuatro componentes, irá cada vez optimizándose En siguiente cuadro se ha elaborado un diagrama de las formas convencionales de conversión tecnológica de la energía.

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Energía Eólica

Combustibles Fósiles

Energía Hidráulica

Líquidos

Sólidos

Combustibles Nucleares

Gaseosos

Energía solar

Energía Biomásica

Energía

Primaria

FORMAS DE CONVERSION TECNOLOGICA DE LA ENERGIA

Formas de consumo energético

Energía terciaria (2da Transformación)

Energía Secundaria. (1da Transformación)

Refinería

Gasería

Coquería

Biodigestor TRSU

Generador de vapor

Combustibles Gaseosos

Central Eólica

Central Hidráulica

Líquidos

Coque

Central Diesel

Gas

Vapor

Central a gas

Central a vapor

Central solar Fotovoltaica

Electricidad

Proceso Industrial

Energía térmica

Calefactores

Calor

Motores

Fuerza Motriz

Lámparas

Iluminación 23

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3 3.1

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA DEMANDA ELECTRICA NACIONAL INFRAESTRUCTURA DE GENERACION TERMOELÉCTRICA

Entre las Centrales Termoeléctricas de mayor representación en cuanto a su capacidad de generación, se encuentran: Chilca, Kallpa, Fenix, Santo Domingo de los Olleros (Termochilca), Ventanilla, Santa Rosa, Aguaytía. A continuación se muestran las características técnicas de cada una de estas Plantas Termoeléctricas. CENTRAL

C.T. CHILCA 1 TV

TG11 + TG12 + TV

TG11 + TG21 + TV

TG12 + TG21 + TV

TG11 + TG12 + TG21 + TV

SIEMEN S

GE

SIEMENS / GE

SIEMEN S / GE

SIEMEN S / GE

SIEMENS / GE

SGT64000F

SGT65000F

D11 270T818

800903

GT37824 0

MODO DE OPERACIÓN

TG11

TG12

TG21

Fabricante

SIEME NS

SIEME NS

Modelo

SGT64000F

Serie Potencia Efectiva Potencia Nominal

MW MW

Combustible Rendimiento

%

80090 1 171. 4

170.2

194.1

278.17

560.00

560.00

560.00

811.14

180

180

200

292.00

-

-

-

-

GN

GN

GN

38.9

38.3

36.8

55.4

55.4

55.4

56.0

TG2 & TG3 + TV

TG1 & TG3 + TV

TG1 & TG2 & TG3 + TV

CENTRAL

C.T. Kallpa

MODO DE OPERACIÓN

TG1

TG2

TG3

TV

TG1 & TG2 + TV

Fabricante

Sieme ns

Siemen s

Siemens

GE

Siemens / GE

Siemens / GE

Siemens / GE

Siemens / GE

SGT65000F D2 37A81 54

SGT65000FD 3 GT3782 42

GT37823 6

190

194

198

293

564

576

570

857

GN

GN

GN

36.9

37.2

37.5

60%

60%

60%

60%

Modelo Serie Potencia Efectiva

MW

Combustible Rendimiento

%

SGT65000FD3

24

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

CENTRAL

C.T. Fenix

MODO DE OPERACIÓN

TG11

TG12

TV10

Fabricante

GE

GE

GE

Modelo

7FA.04

7FA.04

D11

Serie

298,077

298,078

270T530

193.4

193.4

192

GN

GN

Potencia Efectiva

MW

Combustible Rendimiento

kWh/M PC

TG11 + TV10

TG12 + TV10

288.2

TG11 & TG12 + TV10

568.2

155

158

25

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

DIAGRAMA UNIFILAR DEL SEIN PARA EL NCP Ecuador CH Carhuaquero

CH Machupicchu

Caña Brava Machala 1700

1311 Carhuaque220 Tumbes

2814

2815

Dolorespata138 1412

2813

1408 Cachimayo138

Talara220 1351

Combapata138 1411

2812

Tintaya138 1428

2811

Talara220 T

1314

Piura220 1342

3106

2702

2701

Ayaviri138 1404

2816

Azangaro138 1405

2817

Quencoro138 1421

1703

2818

2791

Chiclayo220

San Gaban II Abancay138 1341

Zorritos220 1365

3187

2707

1386 Piura60

2832

3184

Poechos 2 CT Piura

2810

Poechos 1

2703

Curumuy

Machupic138 1415

2833

XXXX

Arcata

Malacas

2826

Oquendo

2945

2738 2869

3176 3177

Kallpa

2722

Platanal

3181

2951 2878

Chilca60 1690

2821

2819 2841 2835 2822

2825

2823

2820

Ica220 1325

Las Flores ChilcaN220 1698

LHeroes220 1426

2836

2723

2860

Chilca

XXXX

VSalv60 XXXX

XXXX

XXXX

3171

XXXX

2950

San Juan60 1683

XXXX

XXXX

2831

Cantera220 1372

2879

2859

2720

2719 Planicie220 1694

2957

Lurin60 XXXX

LHeroes66 1472

2842

2862

2834 2861

2796 2754 Huinco

C.Ilo138 1425

LEYENDA Shougesa

220 kV

Pachac60 XXXX

Barsi60 1681

Naranj60 1678

2725

2759 2762

2752

3184

2954

Huinco220 1489

1407

CT Ilo 1

Chilca220 1373

2868

CT Santa Rosa

3058

2961

Oquend60 1679

2959

Barsi220 1682

2962

Zapall60 1677

Miron60 1680

2958

2956

2960

Chavarria60 1

CT Ilo 2 Independe220 1326

2717

2953

1676

Balneario220 1302

2830

Botiflaca138 1406

2824

Desierto220 1375

3057

2949

3165

2867 2952

XXXX XXXX

Ilo2 220 1434

San Juan220 1348

2715 3164

Independen

Balneario60 1303

Puente60 1344

3183

SantaRosa220 1349

Chavarria60 2 1685

Salamanca60 1347

2795

2732

2753

2750 2749

2748

2731

2733 2882

StaAni60 1699

Huampani60 1321 SantaRosa60 1350

1313 Chavarria220

Chillon60 1675

2955

Nana60 1332 CH Huampani

Rzinc220 1346

2866

2712 2865

Chillon220 1674

2794

2730

2864

2711 2947

2946 2948

Callahuan220 Ventanill220 1355

3173 1696

2751 Callahuanc60 1307

1306

CT Ventanilla

1319 Huachipa60

2758

CH Callahuanca

Carabayll220 1695

Carabayll500

2760

2710

CH Matucana 1330 Matucana220

3179

3178

Zapallal220 1358

IloSPCC138 2839

2828

1322

1320 1343

Tomasiri66 1429

MillSite138 1430

2852

2737 Independe60 1474

Pisco

Pomacocha220

Moquegua138 1417

2724

Moyopampa60 1331

2761

CT Mollendo Moquegua220 1418

HuancaveIi220

2736

2881

CH Moyopampa

Huacho220

2871

2734

2709

2727

2827

Mantaro220 1328

2872

2838

Toquepala138 1431

Mollendo138 1416

2835

2739

2742 2870

PEX 138 1701

Restitucion

2849

2728

XXXX

XXXX 2847

CH Mantaro

Aricota66 1403

Aricota138 1402

2836

Yanango

Pachachac220 1337

2875

2880

2708 Cahua

3185

CT Paramonga

Chimay

1324

Charcani IV

CH Aricota 1 y 2

2785

Huayucach220

Chilina

Repartici138 1433

2741

Roncador

Charcani VI

La Joya

Cotaruse220 1436

2747 Purmacana

1420 Puno220

2846

Pachachaca

2743

ParamonNue220 1341

XXXX

Charcani I, II, III CerroVerd138 1410

2890

Concococha220 1380

2876

2805

2840 Socabaya

3188

2858

2767

2851

2770

Socabaya138 1423

1424

2850

Puno138 1419

CERVER

1704

2746 CH Oroya

Bellavista

Jesus33 XXXX

Socabaya33 XXXX

Oroya220 1334

2798

XXXX

2809 2803

2883

2789

2884

2766

Ccondorcc44 1367

Juliaca 1414

Conver33 XXXX

Carhuamay220 1309

Carpapata

2799

2777 Oroya50 1335

Yuncan220 1361

2877

2802 2772

2773 2775

Caripa138 1312

Oroya138 1333

Charcani VI

Charcani V

CH Yuncan

2854

CT Chimbote Chimbote138 1363

Chimbote220 1315

2780

2782

2874

2873

2863

2706

Vizcarra220 1356

2801

Malpaso50 1327

PZinc50 1345

Ccondorcc138 1366

2788

Pariac

CT Trujillo

CH Malpaso 2778

OroyaCH50 1336

2745

3186

CH Oroya

Chilina

PqInd33 XXXX

2857

Huallanca138 1362

Carhuamay138 1308

Carhuamayo50 1310 Elor

Charcani I, II, III Charcani VI

Santuari138 1422

Yuncan138 1357

3182

2768

1352 TingoMari138 Santa Cruz 1 y 2

3180

Trujillo220 1354

3167

Kym Ayll138 1691 Cañon del Pato

2764

2797

2705

Caj Nor220 1693

Yaupi

Paragsha50 1340

Taparachi

Conver138 XXXX

Callali138 1409

Paragsha220 1339

2845

Excelsior50 1316

TingoMari220 1353

Kym Ayll220 1692

3169

1323 Huanuco138

2744

3168

3170

CT Aguaytia

Aguaytia220 1301

2790

1318

2804

TRUJILLO138 1702

1364 Pucallpa60

2843 Guadalupe60

2765

Gallito Ciego

Guadalupe220 1317

2779

2704

2844 Aguaytia138 1359

Paragsha138 1338

Yarinacocha

2848

1360 Pucallpa138

LaNiña220 1673

Marcona220 ChilcaN500 1697

1329

138 kV

60/50 kV 500 kV

LPrads1 60 XXXX

SBarto60 XXX

33 kV

XXXX XXXX LPrads2 60 XXXX

3174 3175

3172

26

Dr. Salome Gonzáles Chávez

Item 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Barras-NCP ABANCAY138 ARICOTA66 AYAVIRI138 AZANGARO138 BALNEARIO60 BARSI60 BOTIFLACA138 C.ILO138 CACHIMAYO138 CAJ NOR220 CALLAHUAN220 CALLAHUANC60 CALLALI138 CANTERA220 CARHUAMAYO50 CARHUAQUE220 CERROVERD138 CERVER CHAVARR60 1 CHAVARRIA220 CHICLAYO220 CHILCA220 CHILCA60 CHILCAN220 CHILCAN500 CHIMBOTE138 COMBAPATA138 CONDORCOC44 CONOCOCHA220 COTARUSE220 DESIERTO220 DOLORESPA138 EXCELSIOR50 GUADALUPE60 HUACAVELI220 HUACHIPA60 HUACHO220 HUALLANCA138 HUANUCO138 HUAYUCACH220 HUINCO220 ICA220 ILO2 220 ILOSPCC138 INDEPENDE220 INDEPENDE60 JULIACA138 KYM AYLL138 LHEROES66 LLNINA220 LPRADS160 LPRADS260 LURIN60 MACCHUPIC138 MACHALA MANTARO220 MARCONA220 MILLSITE138 MIRON60 MOLLENDO138 MOQUEGUA220 MOYOPAMPA60 NANA60 NARANJ60 OQUEND60 OROYA50 PACHAC60 PARAGSHA138 PARAGSHA50 PARAMONUE220 PEX 138 PIURA60 POMACOCHA220 PUCALLPA60 PUENTE60 PUNO138 PUNO220 PZINC50 QUENCORO138

TIPO BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA

27

Dr. Salome Gonzáles Chávez

80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

REPARTICI138 RZINC220 SALAMANCA60 SAN JUAN60 SANCAMIL500 SANTAROSA60 SANTUARI138 SBARTO60 SOCABAYA138 SOCABAYA220 TALARA13KV TINGOMARI138 TINTAYA138 TINTAYA220 TOMASIRI66 TOQUEPALA138 TRUJILLO138 VENTANILL220 VIZCARRA220 VSALV60 YUNCAN138 ZAPALL60 ZORRITOS220 AGUAYTIA138 AGUAYTIA220 ARICOTA138 BALNEARIO220 BARSI220 CARABAYLL220 CARABAYLL500 CARHUAMAY138 CARHUAMAY220 CHAVARR60 2 CHILLON220 CHILLON60 CHIMBOTE500 CONDORCC138 GUADALUPE220 HUAMPANI60 HUARANGAL60 KYM AYLL220 LHEROES220 MOQUEGUA138 OROYA138 OROYA220 PACHACHAC220 PARAGSHA220 PIURA220 PLANICIE220 POMACOCH220A PUCALLPA138 SAN JUAN220 SANTAROSA220 TALARA220 TALARA220 T TINGOMARI220 TRUJILLO220 TRUJILLO500 YUNCAN220 ZAPALLAL220

BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA BARRA-SIN CARGA

28

Dr. Salome Gonzáles Chávez

3.2

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

FLUJO ENERGETICO NACIONAL Y EL EFECTO DE LA GENERACION ELECTRICA

El flujo energético de nuestro país viene representado por un diagrama de tipo Sankey, en valores anuales y en unidades comunes Terajulios (TJ). En éste se puede visualizar la evolución de los energéticos primarios, la transformación y el consumo sectorial nacional. A continuación se presentan las estadísticas más representativas del balance energético nacional al 2012, en relación a la electricidad comparada por fuentes y por tipos de consumo:

Consumo Final de Energía por Fuentes Energéticas

Consumo Final de Energía por Sectores de Consumo

29

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Balance Energético Nacional 2012

30

Evolución del consumo de energía-Sector Residencial y Comercial

Evolución del consumo de energía-Sector Minero Metalurgico

Evolución del consumo de energía-Sector Industria Manufacturera

31

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Evolución del consumo de energía-Sector Transporte

Evolución de las emisiones de CO2 por sectores de consumo

32

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

4 CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN LA ELECCION DE MOTORES TERMICOS PARA GENERACION TERMOELECTRICA 4.1.

EL MOTOR TERMICO PARA GENERACION ELECTRICA

Una central termoeléctrica, denominada también planta de generación termoeléctrica o simplemente central térmica o planta térmica, lo conforma el conjunto de generación eléctrica desde el sistema de alimentación de combustible, hasta la producción de electricidad en bornes del sistema generador eléctrico. La máquina térmica o motor térmico es el elemento neurálgico de una central termoeléctrica, en donde la energía térmica del fluido caloportador se expande produciendo trabajo mecánico en su eje, desde donde es aprovechado por el generador eléctrico para producir electricidad. 4.2.

CLASIFICACION GENERAL

Los motores térmicos que accionan una central termoeléctrica, se pueden clasificar de la forma siguiente: a. Turbomáquinas térmicas. Existen dos grandes tipos:   

Turbina a gas. Conforma a una central turbogas: set turbogas Turbina a vapor. Conforma a una central turbovapor: set turbovapor Uso combinado de turbinas a gas y turbinas a vapor. Conforma a una central de ciclo combinado

b. Motores de combustión interna reciprocantes   4.3.

Motores Diesel. Son motores de pistón que se alimenta de combustible Diesel Motores de gas. Son motores de pistón que se alimenta de combustible gas natural

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y TIPOS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA A GAS Es una turbomáquina motriz (rotodinámica) compuesta por un sistema rotórico, en el que los gases producto de la combustión se expanden e intercambian su momento de cantidad de movimiento, produciendo así potencia mecánica en su eje La turbina a gas está conformada por las siguientes partes, mostradas en la figura:

33

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Esquema de componentes de una turbina a gas

Vista del ensamblaje de una turbina a gas

34

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Esquema de corte de una turbina a gas PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA A VAPOR Es una turbomáquina motriz (rotodinámica) compuesta por un sistema rotórico, en el que el vapor se expande e intercambia su momento de cantidad de movimiento, produciendo así potencia mecánica en su eje

La turbina de vapor está dividida por un determinado número de escalonamientos, el rotor está compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por cada escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al eje de la turbina.

Unión eje- alabes de rotor de una turbina de vapor

Identificación de un escalonamiento en de una turbina de vapor 35

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Ilustración de una turbina de vapor seccionada

TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR

Una forma de clasificación de las turbinas de vapor puede considerarse haciendo referencia al movimiento de la corriente de vapor dentro de cuerpo de la turbina. Según este criterio existen dos tipos:  Radiales. La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la turbina  Axiales. La circulación de vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina.

Turbina de vapor radial o centrípeta 36

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Turbina de vapor axial, vista de un escalonamiento

PRINCIPIO DE UN MOTOR DIESEL Es una máquina motriz compuesta de un sistema cilindro-pistón, en el que los gases producto de la combustión se expanden produciendo un trabajo de desplazamiento lineal, convertido a rotativo bajo un sistema biela-manivela, produciendo así potencia mecánica en su eje

Planta de generación Diesel de 10x10 MW 37

Dr. Salome Gonzáles Chávez

4.4.

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

CAMPO DE APLICACIÓN DEL TIPO DEL MOTOR TERMICO SEGÚN NIVELES DE POTENCIA Y RENDIMIENTOS

Dependiendo de la potencia de requerimiento, la eficiencia de funcionamiento o la economía de combustible a diferentes condiciones de carga, cada motor primario tiene su campo de influencia, tal como se puede apreciar en las siguientes gráficas características de las diversas firmas fabricantes actuales:

Comparación de rendimientos por tipo de motor térmico, en función de la potencia de salida

Comparación del consumo específico de combustible por tipo de motor térmico y porcentaje de carga

38

Dr. Salome Gonzáles Chávez

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

COSTO DE GENERACION ELECTRICA El costo de generación eléctrica, es uno de los parámetros fundamentales para determinar la conveniencia técnico-económica de instalación de un tipo de planta de generación eléctrica. A manera de ejemplo, a continuación se presenta la estructura de costos de una central termoeléctrica Diesel actual de 3.6 MW.

Considerando los siguientes datos de entrada Precio del combustible (fuel pesado, con un poder calorífico de 42.700 kJ/kg)

155 USD/tn

Aceite lubricante

1.752 USD/tn

Piezas de desgaste en el periodo indicado

726.458 USD

Costos de operación y mantenimiento

583.940 USD

Consumo de fuel pesado

210 g/kw/h

Consumo de aceite lubricante

2,97 kg/hora

Horas de funcionamiento de la planta, anual

8.000 horas

Factor de carga, funcionamiento medio

90%

kWh producidos al año

28.800.000 kWh

Se tiene la siguiente tabla de resultados: Costos de lubricante

0.00144 USD/kWh

Costos de repuestos

0.00252 USD/kWh

Costos de operación y mantenimiento

0.00202 USD/kWh

Total costos de mantenimiento

0.00598 USD/kWh

Costos de combustible

0.03255 USD/kWh

Total costos de operación

0.03853 USD/kWh

Supuesto un costo de 2.800.000 USD para una planta de estas características, y su depreciación en 10 años Costos de la inversión

0.00972 USD/kWh

Costos totales de operación, incluyendo la amortización de la planta

0.04825 USD/kWh

39

Dr. Salome Gonzáles Chávez

5

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

CICLOS TERMODINAMICOS REALES DE CENTRALES TERMOLECTRICAS

En la generación de electricidad a gran potencia, existen dos grandes tipos de ciclos termodinámicos reales (denominados ciclos de potencia), con sus arreglos correspondientes, que gobiernan la transformación de la energía térmica en electricidad:  

Ciclo Rankine y sus arreglos (regeneración o precalentamiento de agua de alimentación, recalentamiento y sobrecalentamiento de vapor) Ciclo Joule-Brayton abierto y sus arreglos (regeneración o calentamiento del aire a la salida del compresor y, recalentamiento intermedio de gases, inyección de vapor a la cámara de combustión)

El límite termodinámico para obtener la máxima eficiencia en cualquiera de estos arreglos, es el Ciclo de Carnot

Carnot  1 

TFrío TCaliente

En la figura siguiente se presenta una comparación entre el rendimiento de Carnot y los rendimientos de los diversos ciclos de potencia

Comparación de ciclos reales frente al límite Carnot 40

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5.1.

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

CICLO TERMODINAMICO REAL DE CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR

Con el objetivo de transmitir el conocimiento teórico-práctico de las centrales termoeléctricas de vapor, se presenta estudios de caso de Centrales Termoeléctricas de vapor más importantes del Perú. En este sentido, a continuación se presenta el comportamiento termodinámico de la Central Termoeléctrica Ilo 21, que conforma una de las centrales turbovapor de mayor capacidad de generación en el Perú, con potencia nominal de 125 MW.

Comparación del rendimiento de Carnot y el rendimiento de ciclo de la Central Termoeléctrica Ilo 21, en función de la temperatura máxima de aprovechamiento

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Esquema ilustrativo de la C T Ilo 21

Diagramas del ciclo termodinámico temperatura-entropía (T-s) y entalpía-entropía (h-s)

Identificación de propiedades en el ciclo termodinámico de la C T Ilo 21 42

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FORMAS DE MEJORAR LA EFICIENCIA TÉRMICA DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA A VAPOR

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5.2.

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CICLO TERMODINAMICO REAL DE CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO, TURBOGAS-TURBOVAPOR

Una central termoeléctrica de ciclo combinado se caracteriza por su doble aprovechamiento térmico en la generación de potencia, set turbogas y set turbovapor, y constituye así el arreglo mas evolucionado de las centrales termoeléctricas. A continuación se presenta el esquema referencial de este tipo de sistemas de generación eléctrica.

1. Conjunto turbogas. 2. Bypass de flujo de gas de escape de la T.G. 3. Caldera recuperadora 4. Evaporador de baja presión 5. Economizador de alta presión 6. Evaporador de alta presión 7. Sobrecalentador de alta presión 8. Calderín de baja presión 9. Bomba de circulación de baja presión 10. Calderín de baja presión 11. Bomba de circulación de alta presión 12. Tanque de alimentación de agua - desaereador 13. Bomba de alimentación de baja presión 14. Bomba de alimentación de alta presión 44

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15. Conjunto turbovapor 16. Condensador 17. Bomba de condensado 18. Bypass de vapor a alta presión 19. Bypass para exceso de vapor 20. Estación reductora para redistribución de vapor

En el diagrama temperatura-entropía siguiente se identifica los procesos térmicos: I.

Circuito de gas 1–2

:

Compresión.

2–3

:

Cámara de Combustión

3–4

:

Expansión en la turbina

4–5

:

Caldera recuperadora.

5–1

:

Flujo de chimenea

II. Circuito de vapor 6–7

:

Economizador.

7–8

:

Evaporador.

8–9

:

Sobrecalentador.

9 – 10

:

Expansión en turbina de vapor

10 – 11

:

Condensador

11 – 6

:

Alimentación de calor.

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6 CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR Con el objetivo de estudiar las características técnicas del las C.T. a vapor, su configuración térmica, sus componentes, sus parámetros de funcionamiento y evaluación de costos de generación, se toma como referencia la Central Termoeléctrica a vapor Ilo 21 6.1

CONFIGURACION DE LA CENTRAL

La Central Termoeléctrica ILO21 está ubicada en el kilómetro 25 de la Carretera Costanera Sur en la Zona denominada “Loma la Buitrera Pampa de Palo”, provincia de Ilo, departamento de Moquegua. El terreno para la unidad tiene una altitud de 25 m.s.n.m. Actualmente está constituida por una Unidad de 135 MW de potencia nominal (125 MW de potencia neta) constituidos por una turbina y una caldera que emplea carbón como combustible principal y diesel 2 como combustible alternativo y para arranques. Adicionalmente se incluye: -

Un muelle para la descarga de carbón de 1,250 metros de longitud. Un cabezo de muelle para soportar dos grúas descargadoras de carbón. Dos canchas para almacenamiento de carbón (2 x 100 000 toneladas) Sistema de equipos y fajas para el transporte y manejo del carbón. Una estación de toma y bombeo de agua de mar para el enfriamiento de las unidades. Dos tuberías sifón (Ø 2.2m por 750 m de longitud) para captar agua de mar. Dos plantas de agua desalinizada. Una planta de agua desmineralizada. Una planta de producción de agua potable. Una planta de tratamiento de aguas servidas. Un sistema de extracción y manejo de escorias y cenizas. Sistema cerrado de agua de enfriamiento. Sistema de aire comprimido. Sistema de protección contra incendio. 01 tanque para el almacenamiento de diesel (5 000 m3). 02 tanques para almacenar agua desalinizada (2 x 2 600 m3) 01 tanque para almacenar agua desmineralizada (1 500 m3) 01 tanque para almacenamiento de agua potable (150 m3) Subestación tipo GIS (Gas Insulated Switchgear) en 220 kV. Edificio administrativo, talleres y almacenes. Cancha para depositar cenizas.

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Especificaciones técnicas de la C T Ilo 21 Fabricante Tipo Potencia Velocidad Presión de Vapor Temperatura de vapor Presión de salida Gobernador Horas de operación Número de arranques

Tipo Area de superficie Presión Carga de calor Flujo de agua de mar Material tubos Número de tubos Diámetro de tubos

Fabricante Capacidad Voltaje Factor de Potencia Frecuencia Polos y fases Enfriamiento

Turbina Hitachi De condensación, tandem compuesta con recalentamiento y doble flujo en el escape. 135 MW 3,600 rpm 16.67 MPa (a) 538°C 4.5 kPa (a) Digital - Electro - Hidráulico. 8000 horas anuales Frio : 10 por año (50 horas de parado) Caliente: 30 por año (8 horas de parado) 2 operaciones en isla por año Condensador Carcasa simple, dos pases. 6,480 m2. 4.5 kPa (a) 562 GJ/h 15,700 m3/h Titaneo 6476 28.58 mm Generador Eléctrico Hitachi 169MVA 17.0 kV ± 5% 0.8 60 Hz 2 fases y 3 polos Enfriado por aire.

Fabricante Tipo de enfriamiento Potencia Número de fases Frecuencia Alto Voltaje Bajo Voltaje Taps Conexión

Fabricante Tipo Capacidad Consumo de vapor TDS Conductividad

Fabricante Tipo Capacidad

Fabricante Tipo Capacidad

Fabricante Capacidad

Transformador de Potencia Meidensha Corporation ONAN/ONAF/ODAF 102/136/169 MVA 3 60 Hz 220 kV 17 kV 220 kV ± 10 x 1.0% (21 taps) YNd11 Planta Desalinizadora Entropie MED 2 - destilación multi efecto (2 trenes) 1300 m3/día/tren 9.1 t/h a 14 bar (g) 10 mg/l (Sólidos Disueltos) 20 µS/cm. a 25°C Planta Desmineralizadora Organo Corporation Mixed Bed Polisher (2 trenes) 600 m3/día/ tren Planta de Agua Potable Organo Corporation Por Inyección de Cloruro ( 2 trenes) 72 m3/día/tren

Planta de Tratamiento de Aguas Servidas UNIDRO 550 m3/día

Ubicación de la Central TE a carbón Ilo 21 47

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Componentes de la Central Termoeléctrica a vapor Ilo 21

Disposición en vista de planta de la Central Termoeléctrica a Vapor Ilo 21 48

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6.2

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SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE COMBUSTIBLE

El carbón llega a la central por medio de barcos autodescargables de hasta 50 000 toneladas de desplazamiento (1). Los barcos atracan junto a la plataforma de descarga (2), donde sus grúas retiran el carbón de las bodegas de la nave y lo vierten en las tolvas que lo distribuyen sobre la faja transportadora (antes del terremoto del 23 de junio de 2001 se contaba con dos grúas canguro en el muelle para realizar la descarga). Una segunda faja transportadora (3) conduce el carbón a lo largo del muelle hasta las canchas donde es distribuido por medio del apilador (4) para formar pilas de carbón. El carbón es recogido de la cancha por dos recuperadores semiautomáticos (5), estos utilizan una banda de paletas, recogen el carbón de la pila y lo depositan sobre fajas transportadoras, las que lo conducen hasta los silos de almacenamiento (6). Esta operación de cargado de silos se realiza todos los días. El carbón cae desde los silos hasta el alimentador (7) y, luego, al pulverizador (8) donde es triturado hasta convertirse en polvo. Un ventilador de tiro forzado (9) provee el aire necesario para el proceso de combustión, mientras que el ventilador de aire primario provee el flujo de aire (10) requerido para el transporte de las partículas de carbón desde el pulverizador hasta los quemadores (12), donde las partículas se encienden formando la llama en el hogar (13). Como combustible de emergencia y para el arranque de la unidad se tiene el Diesel (11). Este es almacenado en un tanque de 5000m3 de capacidad y bombeado hacia los quemadores manteniendo una presión constante de diesel para su utilización inmediata. Características del petróleo Diesel 2 Especificaciones

Prueba ASTM

Total Cenizas ppm Gravedad API @ 60ºF Apariencia, Color ASTM Residuo de Carbón % peso Punto de Nebulosidad ºC Indice de Cetano Número de Cetano Corrosión por Cobre Temperatura de Destilación 50% ºC 90% ºC Punto de Inflamación ºC Hidrógeno % peso Viscocidad Cinemática Cst (37.8ºC) Lubricidad gm, min Poder Calorífico Bajo Btu/lb Nitrógeno % peso Estabilidad a la Oxidación Punto de Fusión ºC Sodio + Potasio ppm Gravedad Específica (15.6ºC) Azufre % peso Vanadio ppm Sedimentos y Agua % volumen

D-482 D-287 D-524 D-2500 D-4737 D-618 D-130

Valores en Tanque Minimo Máximo 20 34 3 0.012 -4 45 50 3

D-86 D-85 D-93

52

D-445 D-6073 D-240

1.90 2800 18300

D-2274 D-97-93

-7

D-1298 D-2622 D-2709

256 329

0.835

4.1

2 -18 4 0.855 0.5 0.5 0.05 49

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6.3

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TRANSFERENCIA DE ENERGÍA AL CIRCUITO AGUA - VAPOR

Después de formarse la llama en el hogar (13), los gases calientes pasan por el exterior de los tubos del sobrecalentador (21), recalentador (23) y economizador (18), antes de dejar la caldera. Luego, a través de ductos (14) se dirigen al precipitador electrostático (15) donde queda atrapada la ceniza volante y, finalmente, son emitidos a la atmósfera a través de la chimenea (16). El precipitador electrostático tiene una eficiencia del 99% y constituye uno de los componentes modernos que hacen de la quema de carbón un proceso de combustión limpio acorde a los requerimientos ambientales vigentes. Los gases calientes transfieren su energía a los tubos del hogar de la caldera (20) por donde circula agua tratada. Esta se evapora en el domo de la caldera (19) y, luego, el vapor formado eleva su temperatura en los tubos del sobrecalentador (21) 6.4

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA EN MECÁNICA

El vapor sobrecalentado se dirige hacia la turbina de alta presión (22) impulsando los álabes de ésta, con lo cual se consigue el giro de la misma. El vapor con menor presión deja la turbina de alta presión y retorna a la caldera donde vuelve a calentarse en el recalentador (23). El vapor recalentado se dirige hacia la turbina de media y baja presión (24) donde impulsa los álabes de éstas, convirtiendo la energía térmica en energía mecánica, la cual se transmite por el eje de la turbina. En la última etapa, el vapor saliente de la turbina de baja presión, cambia a estado líquido en el condensador (25) que emplea como medio enfriador agua de mar. El condensado obtenido, en la caja del condensador (25), es bombeado hacia el desaereador pasando por tres calentadores de baja presión, del desaereador es bombeado hacia la caldera pasando por tres calentadores de alta presión, a través de la tubería de agua de alimentación (17) ingresando por el economizador (18), completando así este ciclo.

6.5

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ELÉCTRICA

Acoplado al eje de la turbina se encuentra el generador eléctrico (30), donde la energía mecánica se convierte en energía eléctrica, con un voltaje de 17 kV. Esta energía eléctrica eleva su voltaje en el transformador principal (31) hasta 220 kV, para poder viajar por dos líneas de transmisión (32) hacia la sub estación de Moquegua y de allí a los centros de consumo 6.6

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

El agua de mar, que se emplea como medio enfriador para el condensador, se obtiene por medio de un tubo sifón (27), que la descarga en la poza de captación (33), donde es bombeada (28) hacia el condensador, para finalmente ser descargada al mar (29).

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Sistema de toma de agua de mar Asimismo, de la poza de captación (33) se bombea agua de mar (34) hasta la planta desalinizadora (35). El agua desalinizada se almacena en dos tanques (36), y de allí es conducida a la planta desmineralizadora (37) donde se produce agua sin sales ni minerales. El agua desmineralizada es almacenada en un tanque (38) y de allí es inyectada al condensador a través de una línea de reposición.

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Esquema del tratamiento de agua

Durante la operación de la caldera se producen purgas; las cuales se realizan a través del tanque de "BlowDown" (39). Estas purgas junto con los drenajes industriales de la planta y desagues de las instalaciones, se conducen hasta la planta de tratamiento de aguas servidas (40), y el agua tratada resultante de esta planta se utiliza en el sistema de forestación (41) alrededor del terreno de la Central Termoeléctrica Ilo2.

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6.7

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CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVAS DE TURBINAS DE VAPOR

Los arreglos y construcciones de las turbinas a vapor para generación de potencia eléctrica, fundamentalmente varían según el nivel de potencia a generar, al grado de reacción y a la presión del vapor a la salida de la turbina. Para generación en grandes potencias las turbinas de vapor son de condensación, y para bajas potencias son de contrapresión.

Sección de una T.V. de condensación

T.V. de condensación de dos cuerpos 53

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T.V. de condensación de dos cuerpos y dos flujos de baja presión (BP)

T.V. de contrapresión 54

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Esquema de la Central Turbovapor de condensación Ilo 21, conformado por tres cuerpos: AP, MP y BP

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