Centrales Termoelectricas

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

SSAALLOOMMEE GGOONNZZAALLEESS CCHHAAVVEEZZ

CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

Dr. Salome Gonzáles Chávez CENTRALES TERMOELECTRICAS Y PLANTAS DE COGENERACION

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PROLOGO El presente documento constituye el texto guía del Curso Centrales Termoeléctricas, impartido a estudiantes de Ingeniería en las especialidades de Mecánica, Mecánica- Eléctrica, 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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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA APLICADA

SILABO P.A. 2015

1. INFORMACION GENERAL

Nombre del curso : CENTRALES TERMOELECTRICAS Código del curso : MN 163 Especialidad : MECANICA ELECTRICA Condición : OBLIGATORIO Ciclo de estudios : 10° Pre-requisitos : ML244, MN116 Número de créditos : 04 Total de horas semestrales: 56 Total de horas por semana 04

Teoría : 04 Practica : --

Duración : 17 SEMANAS Sistema de evaluación : F Profesor : 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.


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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

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. 6.2 Materiales del Proceso de Enseñanza - Aprendizaje

Separatas del curso


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Exposición del profesor en pizarra

Uso de presentaciones en PowerPoint 7.- EVALUACIÓN

a. Sistema de Evaluación: F Examen parcial (EP): Peso 1 Examen final (EF): Peso 2 Promedio de monografías (Mo): Peso 1

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

2

M

Mo

2

1i

i

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

c. Nota Final (NF):

4

Mo2EFEPNF

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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IINNDDIICCEE 1. INTRODUCCION

1.1 Generación y consumo eléctrico nacional 1.2 Elementos básicos de una Central Termoeléctrica 1.3 Clasificación de las Centrales Termoeléctricas

2. GENERACION TERMOELECTRICA CON FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE Y

NO RENOVABLE 2.1 Las energías renovables y no renovables 2.2 Generación integrada nacional con energías renovables 2.3 Formas de conversión tecnológica de la energía

3. EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA DEMANDA

ELECTRICA NACIONAL

3.1 Infraestructura de generación termoeléctrica 3.2 Flujo energético nacional y el efecto de la generación eléctrica

4. CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN LA ELECCION DE MOTORES TERMICOS

PARA GENERACION TERMOELECTRICA 4.1 El motor térmico para generación eléctrica 4.2 Clasificación general 4.3 Principio de funcionamiento y tipos 4.4 Campo de aplicación del tipo del motor térmico según niveles de potencia y

rendimientos

5. CICLOS TERMODINAMICOS REALES DE CENTRALES TERMOLECTRICAS 5.1 Ciclo termodinámico real de centrales termoeléctricas de vapor 5.2 Ciclo termodinámico real de centrales termoeléctricas de ciclo combinado,

turbogas - turbovapor

6. CENTRALES TERMOELECTRICAS DE VAPOR 6.1 Configuración de la central 6.2 Sistema de abastecimiento de combustible 6.3 Transferencia de energía al circuito agua-vapor 6.4 Transformación de energía térmica en mecánica 6.5 Transformación de energía mecánica en eléctrica 6.6 Sistema de enfriamiento 6.7 Características constructivas de turbinas de vapor

7. CENTRALES TERMOELECTRICAS DE GAS


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7.1 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

7.2 Características de operación y costos de generación 8. CENTRALES TERMOELECTRICAS DE CICLO COMBINADO

8.1 Diagrama termodinámico equivalente de una central termoeléctrica de Ciclo Combinado

8.2 Prestaciones de las centrales de Ciclo Combinado 8.3 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

8.4 Efecto de los parámetros más importantes de diseño sobre la producción de potencia y rendimiento en C. C. C.

8.5 Costos comparativos de generación con Ciclo Combinado y otros 9. SISTEMAS DE COGENERACION

9.1 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

9.2 Ingeniería de Cogeneración 9.2.1 Parámetros característicos 9.2.2 Especificaciones de los motores de un sistema de Cogeneración

9.3 Estudio de Factibilidad de un sistema de Cogeneración 9.4 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 INTRODUCCION 1.1. 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


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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 2,725.97 2,391.40

1995 2,772.27 2,438.80

1996 2,909.78 2,593.30

1997 3,864.89 3,397.10

1998 4,787.70 3,725.58

1999 4,941.71 4,017.52

2000 5,268.62 4,303.35

2001 5,307.74 4,382.80

2002 5,205.20 4,402.12

2003 5,288.61 4,381.16

2004 5,245.33 4,336.21

2005 5,379.11 4,470.64

2006 5,465.27 4,799.13

2007 5,371.07 5,152.38

2008 5,342.81 5,159.95

2009 6,000.60 5,848.35

2010 6,699.20 6,463.40

2011 6,746.32 6,444.38

2012 7,330.20 7,116.70

2013 8,050.00 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 Potencia Instalada

Total (MW) Potencia Efectiva

Total (MW)

1995 4,462 4,075

1996 4,663 4,003

1997 5,192 4,581

1998 5,515 4,782

1999 5,742 5,116

2000 6,066 5,555

2001 5,907 5,387

2002 5,936 5,396

2003 5,970 5,422

2004 6,016 5,418

2005 6,201 5,611

2006 6,658 5,873

2007 7,028 6,352

2008 7,158 6,349

2009 7,986 7,256

2010 8,613 8,000

2011 8,691 8,046

2012 9,699 8,939

2013 11,051 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. 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)


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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


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


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2 GENERACION TERMOELECTRICA CON FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE Y NO RENOVABLE

2.1 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, cualquiera sea su nivel de aprovechamiento

Son recursos agotables, dado su aprovechamiento masivo peligra su extinción

La ubicación geográfica de los recursos renovables es más distribuida y de alcance mundial

Los recursos no renovables de energía se encuentran geográficamente más localizados y concentrados.

En el espacio natural poseen menor concentración energética por unidad de masa

Poseen una mayor concentración energética por unidad de masa o volumen.

Son fuentes de energía, pero más aún son fuentes de vida.

Son exclusivos para aprovechamiento energético

PUNTO DE VISTA TECNOLOGICO

Los rendimientos totales para su transformación en energía eléctrica son más bajos; excepto en el caso de la hidroenergía, que es la más eficiente.

Los rendimientos totales para transformación en electricidad son relativamente mayores

Se ajustan a soluciones energéticas puntuales y a sistemas integrados.

Su aprovechamiento en transformación energética es generalmente de mayor escala

Altos incrementos evolutivos en sus rendimientos, así como fabricación y uso masivos

Rendimientos más estáticos, no obstante siguen siendo mayores

PUNTO DE VISTA ECONOMICO Y SOCIAL

Alta tendencia a la reducción de costos de generación eléctrica y alta competitividad

Los costos de generación eléctrica son comparativamente más reducidos pero con baja tendencia a su reducción

Bajos costos operativos y altos costos de instalación. Los costos específicos por 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

Altos costos operativos y bajos costos de instalación.


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Dadas las características de lejanía y dispersión en el sector rural, el aprovechamiento de las energías renovables se presenta como alternativas de mayor viabilidad técnico – económica y social

Estas energías no son convenientes para satisfacer demandas puntuales del sector rural, principalmente por el efecto de los altos costos que supone su transporte y distribución

PUNTO DE VISTA MEDIOAMBIENTAL

La ventaja sustancial del uso de las energías renovables es su conversión limpia, renovable y duradera, sin prácticamente ningún deterioro del medio ambiente

De naturaleza colabora en la contaminación medioambiental, no obstante las tasas de contaminación han ido decreciendo dada las restricciones normativas internacionales.

Balance electromagnético y energético del recurso solar


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2.2 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


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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 -RER- dirigida 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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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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FORMAS DE CONVERSION TECNOLOGICA DE LA ENERGIA

Fo

rmas

de

co

nsu

mo

en

erg

ético

En

erg

ía

te

rcia

ria

(2d

a T

ran

sfo

rmac

ión

)

Combustibles Fósiles

Líquidos Sólidos Gaseosos

Combustibles Nucleares

Energía Hidráulica

Energía Eólica

Energía solar

Energía Biomásica

Combustibles

Gaseosos Líquidos

Coque

Gas

Vapor

Central

Diesel Central

a gas

Central

a vapor

Central

Eólica

Central

Hidráulica

Central solar Fotovoltaica

Electricidad

Calefactores Proceso Industrial Motores Lámparas

Calor Energía térmica Fuerza Motriz Iluminación

E

ne

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Pri

ma

ria

En

erg

ía

Sec

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ria

.

(1d

a T

ran

sfo

rmac

ión

)

Biodigestor

TRSU Generador

de vapor Gasería Coquería Refinería


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3 EFECTO DE LA GENERACION TERMOELECTRICA SOBRE LA DEMANDA ELECTRICA NACIONAL

3.1 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

MODO DE OPERACIÓN

TG11 TG12 TG21 TV TG11 + TG12 +

TV

TG11 + TG21 +

TV

TG12 + TG21 +

TV

TG11 + TG12 + TG21 +

TV

Fabricante

SIEMENS

SIEMENS

SIEMENS

GE SIEMENS /

GE SIEMENS / GE

SIEMENS / GE

SIEMENS / GE

Modelo

SGT6-4000F

SGT6-4000F

SGT6-5000F

D11 270T818

Serie

800901

800903 GT37824

0

Potencia Efectiva MW 171.4

170.2 194.1 278.17 560.00 560.00 560.00 811.14

Potencia Nominal

MW 180 180 200 292.00 - - - -

Combustible

GN GN GN

Rendimiento % 38.9 38.3 36.8

55.4 55.4 55.4 56.0

CENTRAL

C.T. Kallpa

MODO DE OPERACIÓN

TG1 TG2 TG3 TV TG1 &

TG2 + TV

TG2 & TG3 +

TV

TG1 & TG3 +

TV

TG1 & TG2 & TG3 +

TV

Fabricante Sieme

ns Siemen

s Siemens GE

Siemens / GE

Siemens / GE

Siemens / GE

Siemens / GE

Modelo SGT6-5000F

D2

SGT6-5000FD

3

SGT6-5000FD3

Serie 37A81

54 GT3782

42 GT37823

6

Potencia Efectiva

MW 190 194 198 293 564 576 570 857

Combustible GN GN GN

Rendimiento % 36.9 37.2 37.5 60% 60% 60% 60%


25

CENTRAL

C.T. Fenix

MODO DE OPERACIÓN

TG11 TG12 TV10

TG11 + TV10

TG12 + TV10

TG11 & TG12 + TV10

Fabricante GE GE GE

Modelo 7FA.04 7FA.04 D11

Serie 298,077 298,078 270T530

Potencia Efectiva

MW 193.4 193.4 192 288.2 568.2

Combustible GN GN

Rendimiento kWh/M

PC 155 158


26

DIAGRAMA UNIFILAR DEL SEIN PARA EL NCP

Carhuaque220

Chiclayo220

Guadalupe220

Trujillo220

Chimbote220

ParamonNue220

Huacho220

Zapallal220

Ventanill220

Chavarria220

Rzinc220

Callahuan220

Matucana220

Huachipa60

Nana60

Huampani60

Moyopampa60

Salamanca60

Balneario220

Puente60

San Juan220

SantaRosa60

SantaRosa220

Independe220

Ica220

Pomacocha220

HuancaveIi220

Mantaro220

Pachachac220

Huayucach220

Marcona220

Oroya50 Oroya220

PZinc50Vizcarra220

CH Oroya CH Malpaso

Oroya138

Caripa138

Carhuamay138

TingoMari220

Aguaytia220

Huanuco138

Paragsha220

Excelsior50

Talara220 TPiura220

Socabaya

MillSite138

Botiflaca138

LHeroes220

Tomasiri66

IloSPCC138

C.Ilo138

Santuari138

Callali138

Tintaya138 Ayaviri138

Azangaro138

Juliaca

1414

Puno138

Combapata138

Quencoro138

Dolorespata138

Cachimayo138

Abancay138

Carhuamayo50

Toquepala138

Aricota138

CerroVerd138

Mollendo138

Yaupi

Machupic138

Yuncan138

Socabaya138

Moquegua138

Aricota66

Charcani V

Charcani

I, II, III

San Gaban II

Taparachi

Bellavista

CT Ilo 1

CT Ilo 2

Huallanca138

Repartici138

Ilo2 220

Zorritos220

220 kV

138 kV

60/50 kV

Cotaruse220

Cantera220

Chilca220

Pucallpa138

Arcata

CH Machupicchu

CH Mantaro Restitucion

Independen

Pisco

CT Santa Rosa

Huinco

CT Ventanilla

Oquendo

CH Matucana

Purmacana

CT Trujillo

Cañon del Pato

Pariac

Santa Cruz 1 y 2

Gallito Ciego

CH Carhuaquero Caña Brava

Tumbes

Malacas

Curumuy Poechos 1 CT Piura

Yarinacocha

CT Aguaytia

CH Yuncan

OroyaCH50

Shougesa

Kallpa

CH Moyopampa

CH Huampani

CH Callahuanca

2701

1342

1386

2702

1314

1301

1302

Balneario60

13031306

Callahuanc601307

1308

Carhuamay220

1309

1310

1311

1312

1313

1315

1316

1317

Guadalupe60

1318

1319

1320

1321

1322

1323

1324

1325

1326

1327Malpaso50

1328

1329

1330

1331

1332

1333

13341335

1336

1337

Paragsha138

13381339

Paragsha50

1340

1341

1343

1372

1344

1346

1345

1347

13481349

1350

1703

1353

TingoMari1381352

1354

1355

1356

1357

Yuncan220

1361

1358

Aguaytia138

1359

1360

1362

Chimbote1381363

Pucallpa601364

1365

Piura60

1341

1402 1403

14041405

1406

1407

1425

1408

1409

1410

14111412

Desierto2201375

1373

1415

1416

1417Moquegua220

1418

1419

Puno2201420

1421

1422

1423

1424

1426

LHeroes66

1472

1428

14291430

1431

1433

1434

1436

Ccondorcc1381366

Ccondorcc441367

2703

2704

2705

2708

2880

2709

2710

2881

2711

2864

2712

2865

2866

2715

2867

2717

2868

2719

2723

2724

2725

2869

2727

2728

2870

2730

2731

2732

2733

2734

2871

2736

2737

2738

2739

2872

2741

2743

2744

2745

2746

2751

2749

2750

2748

2752

2754

2758

2760

2759

2761

2762

2764

2765

2766

2767

2768

2770

2772

2773

2775

2777

2778

2779

2780

2782

2873

2874

2785

2875

2788

2802

2790

2791

2794

2795

2796

2797

2798

2799

2801

2789

2803

2850

2804

2805

2851

2876

2809

2810

28112812281328142815

2833

2816 2817

2819

2852

2820

2821

2822

2823

2824

2825

2826

2830

2828

2827

2831

2832

2834

2835

2835

2836

2836

2838

2839

2840

2841

2842

2843

2844 2845

2846

2847

2848

2849

2854

2877

2857

2858

2859

2878

2879

2860

2861

2862

2707

2742

LEYENDA

2706

2863

CT Mollendo

Poechos 2

3106

LaNiña2201673

Concococha220

1380

2883

2884

2747

2890

Huinco220

1489

3058

3057

2882

2753

2720

CT

Paramonga

Roncador

Chilca Platanal

CH Oroya Pachachaca

Carpapata

Elor

Chimay Yanango

La Joya

Chilina

CH Aricota 1 y 2

2945

Independe60

1474

2948

2946

2947

Chillon220

1674

Chillon60

1675

Zapall60

1677

Chavarria60 2

1685

Naranj60

1678

Oquend601679

Miron601680

Barsi601681

Barsi2201682

Las Flores

2952

2953

3165

2955

2957

2959

2956

295829

60

2954

2961

2962

2950

2951

San Juan60

1683

Chilca60

1690

3170

Caj Nor220

1693

3169

3168

Kym Ayll220

1692

Kym Ayll138

1691

3167

3180

3171

ChilcaN500

1697

3173

3172

Carabayll500

1696

Carabayll220

1695

3178

3179

Planicie220

16943174

3175

3176

3177

2949

3164

ChilcaN220

1698

3181

3182

Cahua

3184

StaAni60

1699

3183

VSalv60

XXXX

Pachac60

XXXX

Lurin60

XXXX

LPrads1 60

XXXX

LPrads2 60

XXXX

SBarto60

XXX

XX

XX X

XX

XX

XX

X

XX

XX

XXXX

XXXX XXXX

XXXX

500 kV

2722

2818

Charcani VI Charcani VI

Conver138

XXXX

Conver33

XXXX

PqInd33

XXXXJesus33

XXXX

Socabaya33

XXXX

XX

XX

XXXX

XX

XX

XX

XX

XX

XX

XX

XX

XX

XX

33 kV

Chavarria60 1

1676

Machala

1700

Ecuador

3184

3185

PEX 1381701

3186

TRUJILLO1381702

CT

Chimbote

Talara220

1351

3187

3188

CERVER

1704

Charcani

I, II, III

ChilinaCharcani VI Charcani IV


27

Item Barras-NCP TIPO

1 ABANCAY138 BARRA-CARGA

2 ARICOTA66 BARRA-CARGA

3 AYAVIRI138 BARRA-CARGA

4 AZANGARO138 BARRA-CARGA

5 BALNEARIO60 BARRA-CARGA

6 BARSI60 BARRA-CARGA

7 BOTIFLACA138 BARRA-CARGA

8 C.ILO138 BARRA-CARGA

9 CACHIMAYO138 BARRA-CARGA

10 CAJ NOR220 BARRA-CARGA

11 CALLAHUAN220 BARRA-CARGA

12 CALLAHUANC60 BARRA-CARGA

13 CALLALI138 BARRA-CARGA

14 CANTERA220 BARRA-CARGA

15 CARHUAMAYO50 BARRA-CARGA

16 CARHUAQUE220 BARRA-CARGA

17 CERROVERD138 BARRA-CARGA

18 CERVER BARRA-CARGA

19 CHAVARR60 1 BARRA-CARGA

20 CHAVARRIA220 BARRA-CARGA

21 CHICLAYO220 BARRA-CARGA

22 CHILCA220 BARRA-CARGA

23 CHILCA60 BARRA-CARGA

24 CHILCAN220 BARRA-CARGA

25 CHILCAN500 BARRA-CARGA

26 CHIMBOTE138 BARRA-CARGA

27 COMBAPATA138 BARRA-CARGA

28 CONDORCOC44 BARRA-CARGA

29 CONOCOCHA220 BARRA-CARGA

30 COTARUSE220 BARRA-CARGA

31 DESIERTO220 BARRA-CARGA

32 DOLORESPA138 BARRA-CARGA

33 EXCELSIOR50 BARRA-CARGA

34 GUADALUPE60 BARRA-CARGA

35 HUACAVELI220 BARRA-CARGA

36 HUACHIPA60 BARRA-CARGA

37 HUACHO220 BARRA-CARGA

38 HUALLANCA138 BARRA-CARGA

39 HUANUCO138 BARRA-CARGA

40 HUAYUCACH220 BARRA-CARGA

41 HUINCO220 BARRA-CARGA

42 ICA220 BARRA-CARGA

43 ILO2 220 BARRA-CARGA

44 ILOSPCC138 BARRA-CARGA

45 INDEPENDE220 BARRA-CARGA

46 INDEPENDE60 BARRA-CARGA

47 JULIACA138 BARRA-CARGA

48 KYM AYLL138 BARRA-CARGA

49 LHEROES66 BARRA-CARGA

50 LLNINA220 BARRA-CARGA

51 LPRADS160 BARRA-CARGA

52 LPRADS260 BARRA-CARGA

53 LURIN60 BARRA-CARGA

54 MACCHUPIC138 BARRA-CARGA

55 MACHALA BARRA-CARGA

56 MANTARO220 BARRA-CARGA

57 MARCONA220 BARRA-CARGA

58 MILLSITE138 BARRA-CARGA

59 MIRON60 BARRA-CARGA

60 MOLLENDO138 BARRA-CARGA

61 MOQUEGUA220 BARRA-CARGA

62 MOYOPAMPA60 BARRA-CARGA

63 NANA60 BARRA-CARGA

64 NARANJ60 BARRA-CARGA

65 OQUEND60 BARRA-CARGA

66 OROYA50 BARRA-CARGA

67 PACHAC60 BARRA-CARGA

68 PARAGSHA138 BARRA-CARGA

69 PARAGSHA50 BARRA-CARGA

70 PARAMONUE220 BARRA-CARGA

71 PEX 138 BARRA-CARGA

72 PIURA60 BARRA-CARGA

73 POMACOCHA220 BARRA-CARGA

74 PUCALLPA60 BARRA-CARGA

75 PUENTE60 BARRA-CARGA

76 PUNO138 BARRA-CARGA

77 PUNO220 BARRA-CARGA

78 PZINC50 BARRA-CARGA

79 QUENCORO138 BARRA-CARGA


28

80 REPARTICI138 BARRA-CARGA

81 RZINC220 BARRA-CARGA

82 SALAMANCA60 BARRA-CARGA

83 SAN JUAN60 BARRA-CARGA

84 SANCAMIL500 BARRA-CARGA

85 SANTAROSA60 BARRA-CARGA

86 SANTUARI138 BARRA-CARGA

87 SBARTO60 BARRA-CARGA

88 SOCABAYA138 BARRA-CARGA

89 SOCABAYA220 BARRA-CARGA

90 TALARA13KV BARRA-CARGA

91 TINGOMARI138 BARRA-CARGA

92 TINTAYA138 BARRA-CARGA

93 TINTAYA220 BARRA-CARGA

94 TOMASIRI66 BARRA-CARGA

95 TOQUEPALA138 BARRA-CARGA

96 TRUJILLO138 BARRA-CARGA

97 VENTANILL220 BARRA-CARGA

98 VIZCARRA220 BARRA-CARGA

99 VSALV60 BARRA-CARGA

100 YUNCAN138 BARRA-CARGA

101 ZAPALL60 BARRA-CARGA

102 ZORRITOS220 BARRA-CARGA

103 AGUAYTIA138 BARRA-SIN CARGA

104 AGUAYTIA220 BARRA-SIN CARGA

105 ARICOTA138 BARRA-SIN CARGA

106 BALNEARIO220 BARRA-SIN CARGA

107 BARSI220 BARRA-SIN CARGA

108 CARABAYLL220 BARRA-SIN CARGA

109 CARABAYLL500 BARRA-SIN CARGA

110 CARHUAMAY138 BARRA-SIN CARGA

111 CARHUAMAY220 BARRA-SIN CARGA

112 CHAVARR60 2 BARRA-SIN CARGA

113 CHILLON220 BARRA-SIN CARGA

114 CHILLON60 BARRA-SIN CARGA

115 CHIMBOTE500 BARRA-SIN CARGA

116 CONDORCC138 BARRA-SIN CARGA

117 GUADALUPE220 BARRA-SIN CARGA

118 HUAMPANI60 BARRA-SIN CARGA

119 HUARANGAL60 BARRA-SIN CARGA

120 KYM AYLL220 BARRA-SIN CARGA

121 LHEROES220 BARRA-SIN CARGA

122 MOQUEGUA138 BARRA-SIN CARGA

123 OROYA138 BARRA-SIN CARGA

124 OROYA220 BARRA-SIN CARGA

125 PACHACHAC220 BARRA-SIN CARGA

126 PARAGSHA220 BARRA-SIN CARGA

127 PIURA220 BARRA-SIN CARGA

128 PLANICIE220 BARRA-SIN CARGA

129 POMACOCH220A BARRA-SIN CARGA

130 PUCALLPA138 BARRA-SIN CARGA

131 SAN JUAN220 BARRA-SIN CARGA

132 SANTAROSA220 BARRA-SIN CARGA

133 TALARA220 BARRA-SIN CARGA

134 TALARA220 T BARRA-SIN CARGA

135 TINGOMARI220 BARRA-SIN CARGA

136 TRUJILLO220 BARRA-SIN CARGA

137 TRUJILLO500 BARRA-SIN CARGA

138 YUNCAN220 BARRA-SIN CARGA

139 ZAPALLAL220 BARRA-SIN CARGA


29

3.2 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


30

Balance Energético Nacional 2012

31

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


32

Evolución del consumo de energía-Sector Transporte

Evolución de las emisiones de CO2 por sectores de consumo


33

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

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

4.3. 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:


34

Esquema de componentes de una turbina a gas

Vista del ensamblaje de una turbina a gas


35

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


36

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


37

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


38

4.4. 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


39

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


40

5 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

Caliente

FríoCarnot

T

T 1

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


41

5.1. 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


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FORMAS DE MEJORAR LA EFICIENCIA TÉRMICA DE UNA CENTRAL TERMO- ELÉCTRICA A VAPOR


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5.2. 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


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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

Ubicación de la Central TE a carbón Ilo 21

Turbina Transformador de Potencia

Fabricante Hitachi Fabricante Meidensha Corporation

Tipo De condensación, tandem compuesta con Tipo de enfriamiento ONAN/ONAF/ODAF

recalentamiento y doble flujo en el escape. Potencia 102/136/169 MVA

Potencia 135 MW Número de fases 3

Velocidad 3,600 rpm Frecuencia 60 Hz

Presión de Vapor 16.67 MPa (a) Alto Voltaje 220 kV

Temperatura de vapor 538°C Bajo Voltaje 17 kV

Presión de salida 4.5 kPa (a) Taps 220 kV ± 10 x 1.0% (21 taps)

Gobernador Digital - Electro - Hidráulico. Conexión YNd11

Horas de operación 8000 horas anuales

Número de arranques Frio : 10 por año (50 horas de parado) Planta Desalinizadora

Caliente: 30 por año (8 horas de parado) Fabricante Entropie

2 operaciones en isla por año Tipo MED 2 - destilación multi efecto (2 trenes)

Capacidad 1300 m3/día/tren

Condensador Consumo de vapor 9.1 t/h a 14 bar (g)

Tipo Carcasa simple, dos pases. TDS 10 mg/l (Sólidos Disueltos)

Area de superficie 6,480 m2. Conductividad 20 µS/cm. a 25°C

Presión 4.5 kPa (a)

Carga de calor 562 GJ/h Planta Desmineralizadora

Flujo de agua de mar 15,700 m3/h Fabricante Organo Corporation

Material tubos Titaneo Tipo Mixed Bed Polisher (2 trenes)

Número de tubos 6476 Capacidad 600 m3/día/ tren

Diámetro de tubos 28.58 mm

Planta de Agua Potable

Generador Eléctrico Fabricante Organo Corporation

Fabricante Hitachi Tipo Por Inyección de Cloruro ( 2 trenes)

Capacidad 169MVA Capacidad 72 m3/día/tren

Voltaje 17.0 kV ± 5%

Factor de Potencia 0.8 Planta de Tratamiento de Aguas Servidas

Frecuencia 60 Hz Fabricante UNIDRO

Polos y fases 2 fases y 3 polos Capacidad 550 m3/día

Enfriamiento Enfriado por aire.


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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


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6.2 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 Valores en Tanque

Minimo Máximo

Total Cenizas ppm D-482 20

Gravedad API @ 60ºF D-287 34

Apariencia, Color ASTM 3

Residuo de Carbón % peso D-524 0.012

Punto de Nebulosidad ºC D-2500 -4

Indice de Cetano D-4737 45

Número de Cetano D-618 50

Corrosión por Cobre D-130 3

Temperatura de Destilación

50% ºC D-86 256

90% ºC D-85 329

Punto de Inflamación ºC D-93 52

Hidrógeno % peso

Viscocidad Cinemática Cst (37.8ºC) D-445 1.90 4.1

Lubricidad gm, min D-6073 2800

Poder Calorífico Bajo Btu/lb D-240 18300

Nitrógeno % peso

Estabilidad a la Oxidación D-2274 2

Punto de Fusión ºC D-97-93 -7 -18

Sodio + Potasio ppm 4

Gravedad Específica (15.6ºC) D-1298 0.835 0.855

Azufre % peso D-2622 0.5

Vanadio ppm 0.5

Sedimentos y Agua % volumen D-2709 0.05


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6.3 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 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


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

T.V. de contrapresión


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Esquema de la Central Turbovapor de condensación Ilo 21, conformado por tres cuerpos:

AP, MP y BP

Centrales Termoelectricas

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