[MN153] Cálculo Dimensionado y Selección de los sistemas auxiliares una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneracion en la provincia de amazonas FINAL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

Facultad de ingeniera mecnica Departamento Acadmico de Ingeniera Aplicada

Clculo, dimensionado y seleccin de los sistemas auxiliares de una

central elctrica de ciclo combinado con cogeneracin en el

Departamento de Amazonas

Alumnos:

Chino Celis, Jorge 20090093H Cutti Nez, ngel 20082503F Alvino Grijalva, Jhens 20081123E Meza Ramos, Walter 20071002K

Profesor: Aguilar Vizcarra Duilio Curso: Fuerza Motriz Trmica Seccin: A Semestre: 2012-II

21 de Diciembre de 2012 Lima Per

Clculo, dimensionado y seleccin de los sistemas auxiliares de una central elctrica de ciclo combinado con cogeneracin en el Departamento de Amazonas

2 Facultad de Ingeniera Mecnica

NDICE

RESUMEN ...................................................................................................................................... 7

OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 8

Objetivo general ........................................................................................................................ 8

Objetivos especficos ................................................................................................................. 8

INTRODUCCION ............................................................................................................................. 9

Localizacin ................................................................................ Error! Marcador no definido.

1. MARCO TEORICO ................................................................................................................. 10

1.1. Planta de ciclo combinado .......................................................................................... 10

1.2. Cogeneracin .............................................................................................................. 11

2. CLCULO TERMICO.............................................................................................................. 12

2.1. Datos del Combustible y Aire ...................................................................................... 12

a) Propiedades del Gas Natural para uso de Cogeneracin ............................................ 12

b) Propiedades del Carbn Gasificado para la Caldera Recuperadora ........................... 12

c) Condiciones ambientales en la provincia de Amazonas ............................................. 12

2.2. Resumen de los componentes principales de la planta trmica de ciclo combinado

con cogeneracin .................................................................................................................... 13

3. CLCULO Y DIMENSIONADO DE LOS SISTEMAS AUXILIARES .............................................. 15

3.1. Sistema de transporte gas natural de la planta de regulacin y medicin ................. 15

3.2. Lnea de Gas Natural dentro de la planta para la turbina a gas .................................. 17

3.3. Seleccin de vlvulas y equipamiento para los quemadores ..................................... 18

3.4. Gases de escape de la turbina a gas Lnea de la turbina al caldero recuperador de

vapores .................................................................................................................................... 18

3.5. Clculo de tiro de chimenea para el caldero recuperador de vapores ....................... 31

3.6. Seleccin de la capacidad del ventilador para el tiro .................................................. 31

3.7. Tuberas en la Planta Trmica de Cogeneracin ......................................................... 19



a) Lnea de tuberas de la turbina de vapor en la salida de la caldera ............................ 19

b) Lnea de tuberas de la turbina de ala para recalentar ............................................... 21

c) Lnea de tuberas del recalentador a la turbina de baja ............................................. 22

d) Lnea de vapor hmedo de la salida de la turbina a la entrada del condensador ...... 23

e) Lnea de condensacin del condensador a la bomba ................................................. 25

f) Lnea de extraccin de la turbina de baja ................................................................... 26

g) Lnea de tuberas en la Unidad de Bombeo 1 ............................................................. 27

h) Lnea de tuberas en la Unidad de Bombeo 2 ............................................................. 28

i) Resumen de tuberas en la planta de cogeneracin ................................................... 30

3.8. Torre de enfriamiento ................................................................................................. 31

3.9. Tratamiento de Agua ................................................................................................... 44

3.10. Clculo del Aislamiento trmico .............................................................................. 47

OBSERVACIONES ......................................................................................................................... 50

CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 50

BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 51

ANEXOS ....................................................................................................................................... 52



NDICE DE TABLAS

Tabla 1. Potencia instalada para el mercado elctrico en MW ..... Error! Marcador no definido.

Tabla 2. Valores para Combustibles tpicos [BTU/CF] .................... Error! Marcador no definido.

Tabla 3. Tasa de crecimiento anual en base a los censos en el Amazonas .... Error! Marcador no

definido.

Tabla 4. Datos del INEI. Censo Nacional de Poblacin y Vivienda de 2007. Departamento de

Amazonas ....................................................................................... Error! Marcador no definido.

Tabla 5. Consumo de energa para usuarios residenciales rurales Error! Marcador no definido.

Tabla 6. Consumo de energa para usuarios residenciales urbanos .............. Error! Marcador no

definido.

Tabla 7. Tasa de crecimiento de energa por abonado domstico Error! Marcador no definido.

Tabla 8. Porcentaje de consumo elctrico comercial frente al residencial ... Error! Marcador no

definido.

Tabla 9. Proyeccin de la poblacin del rea de influencia del proyecto ...... Error! Marcador no

definido.

Tabla 10. Proyeccin del grado de electrificacin.......................... Error! Marcador no definido.

Tabla 11. Proyeccin de la poblacin electrificada en el rea de influencia del proyecto .. Error!

Marcador no definido.

Tabla 12. Proyeccin del nmero total de abonados del rea de influencia del proyecto . Error!


Tabla 13. Proyeccin de consumo de energa por tipo de abonad domstico (kW.h-

mes/usuario) .................................................................................. Error! Marcador no definido.

Tabla 14. Proyeccin del consumo domstico urbano (kW.h-mes) .............. Error! Marcador no

definido.

Tabla 15. Proyeccin del consumo domstico rural (kW.h-mes) .. Error! Marcador no definido.

Tabla 16. Proyeccin del consumo domstico total en el rea de influencia (kW.h-mes) .. Error!


Tabla 17. Proyeccin del consumo comercial en el rea de influencia (kW.h-mes) ............ Error!




Tabla 18. Factores KALP ................................................................. Error! Marcador no definido.

Tabla 19. Proyeccin del consumo por alumbrado pblico en el rea urbana (kW.h-mes) Error!


Tabla 20. Proyeccin del consumo por alumbrado pblico en el rea rural (kW.h-mes) .... Error!


Tabla 21. Proyeccin del consumo por alumbrado pblico total (kW.h-mes) .... Error! Marcador

no definido.

Tabla 22.Proyeccin del consumo de abonados industriales de la provincia de Rodrguez de

Mendoza y el departamento de Amazonas (kW.h-mes) ............... Error! Marcador no definido.

Tabla 23. Resumen del consumo elctrico en el rea de influencia .............. Error! Marcador no

definido.

Tabla 24. Eficiencias de los elementos de la Turbina a Gas ........... Error! Marcador no definido.

Tabla 25. Condiciones ambientales en la Provincia de Rodrguez de Mendoza . Error! Marcador

no definido.

Tabla 26. Resultados del clculo terico de la Turbina .................. Error! Marcador no definido.

Tabla 27. Eficiencias de los elementos de la Turbina a Vapor ....... Error! Marcador no definido.

Tabla 28. Condiciones de la caldera de recuperacin .................... Error! Marcador no definido.

Tabla 29. Condiciones del condensador ........................................ Error! Marcador no definido.

Tabla 30. Condiciones del economizador....................................... Error! Marcador no definido.



NDICE DE FIGURAS

Figura 1. Provincias del departamento de Amazonas .................... Error! Marcador no definido.

Figura 2. Diagrama T-s del Ciclo Joule-Brayton .............................. Error! Marcador no definido.

Figura 3. Diagramas de las transformaciones tericas del Ciclo Joule-Brayton .. Error! Marcador

no definido.

Figura 4. Esquema de instalacin para un recalentamiento .......... Error! Marcador no definido.

Figura 5. Diagramas tericos de los procesos de ciclo Brayton con recalentamiento intermedio

........................................................................................................ Error! Marcador no definido.

Figura 6. Esquema de Ciclo Brayton Regenerativo ........................ Error! Marcador no definido.

Figura 7. Diagramas tericos para el Ciclo Brayton Regenerativo . Error! Marcador no definido.

Figura 8. Diagramas reales para el Ciclo Brayton Regenerativo .... Error! Marcador no definido.

Figura 9. Trabajo del compresor .................................................... Error! Marcador no definido.

Figura 10. Trabajo de la turbina ..................................................... Error! Marcador no definido.

Figura 11. Esquema del Ciclo Rankine ............................................ Error! Marcador no definido.

Figura 12. Ciclo Clausius Rankine con sobrecalentamiento ........ Error! Marcador no definido.

Figura 13. Diagrama T - s del ciclo Rankine .................................... Error! Marcador no definido.

Figura 14. Diagrama h-s del ciclo Rankine...................................... Error! Marcador no definido.

Figura 15. Esquema General de una Planta de Ciclo Combinado ............................................... 13

Figura 16. Esquema del ciclo Brayton ............................................ Error! Marcador no definido.

Figura 17. Caldera de recuperacin de vapor ................................ Error! Marcador no definido.

NDICE DE GRFICOS

Grfico 1. Evolucin del consumo elctrico y la potencia promedio en la vida til del proyecto

........................................................................................................ Error! Marcador no definido.



RESUMEN

ACA SE PONE UN COMENTARIO DE LOS ANTECEDENTES DEL PROYECTO (LOCALIZACION,

EFICIENCIA DE PLANTA, TIPO DE PLANTA, POTENCIA DE PLANTA)

TAMBIEN SE PONE LOS RESULTADOS, SE PUEDE PONER LA TABLA RESUMEN DE LAS TUBERIAS

CALCuLADAS POR EJEMPLO

ADEMAS, DEBES DE INDICAR DE QUE CON EN INFORME, SE ELABORO UNA SIMULACION EN

SOLIDWORKS QUE ESTA EN EL CD ADJUNTO

El proyecto consiste en disear los parmetros relacionados con la instalacin de una de una

Planta Trmica de ciclo combinado con cogeneracin de GN. El proyecto contempla los

clculos relacionados con la eleccin de los diversos equipos para la transformacin de energa

trmica a partir de GN a energa elctrica, de manera que se pueda abastecer una demanda de

25 aos de energa elctrica del departamento de Amazonas, y a la vez, utilizar parte de los

vapores generados para el aprovechamiento de su sector industrial.

El proyecto incluye la Memoria Descriptiva y la Memoria de Clculos, los cuales son

imprescindibles para la implementacin de la central trmica.

El proyecto de la Planta Trmica de ciclo combinado con cogeneracin de GN tendr una

capacidad de 300 MW y su diseo cumplir con todas las normas legales vigentes.

La planta trmica de ciclo combinado con cogeneracin de GN se localizar en el

departamento de Amazonas, el cual se caracteriza por tener un clima clido y hmedo,

distinguindose por su geografa, ya que se puede encontrar diferentes variedades de suelos.



OBJETIVOS

Objetivo general

Desarrollar ingeniera bsica, describiendo los procedimientos de clculo para la

instalacin de una planta trmica de ciclo combinado con cogeneracin de gas natural

que entregue 300 MW respetando las normas correspondientes.

Lograr una mejor percepcin de los componentes de una planta de cogeneracin con

respecto a la realidad.

Objetivos especficos

Describir los componentes principales de la planta trmica de ciclo combinado con

cogeneracin de Gas Natural 300 MW.

Realizar los clculos y la seleccin de los componentes mecnicos para que funcione la

planta trmica de ciclo combinado con cogeneracin de Gas Natural de de 300 MW.

Establecer las consideraciones necesarias para la instalacin del sistema, con respecto a

catlogos.



INTRODUCCION

ACA SE PONE LA IMPORTANCIA DE LOS CALCULOS DE LOS ELEMENTOS AUXILIARES Y EL

CRITERIO PARA ESTIMAR VALORES.



1. MARCO TEORICO

1.1. Planta de ciclo combinado

Se denomina ciclo combinado en la generacin de energa a la coexistencia de dos ciclos

termodinmicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro

cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustin. En la propulsin de buques se

denomina ciclo combinado al sistema de propulsin COGAG.

Figura 1. Central de ciclo combinado

a) Ciclo combinado o de condensacin

Una variante del ciclo combinado de contrapresin clsico, es el ciclo combinado a

condensacin que se realiza en procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran

capacidad de regulacin ante demandas de vapor muy variables.

El proceso clsico de regulacin de una planta de cogeneracin consiste en evacuar gases a

travs del bypass cuando la demanda de vapor es menor a la produccin y utilizar la post-

combustin cuando sucede lo contrario.

Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptacin a la demanda de vapor,

debido a una importante bajada en el rendimiento de recuperacin, ya que los gases de

escape mantienen prcticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ellos,



las prdidas de calor se mantienen prcticamente constantes, y la planta deja de cumplir los

requisitos de rendimiento.

Por el contrario, un ciclo de contrapresin y condensacin permite aprovechar la totalidad del

vapor generado, regulando mediante la condensacin del vapor que no puede usarse en el

proceso, produciendo una cantidad adicional de electricidad

b) Cogeneracin

Los sistemas de intercambio de cogeneracin son sistemas de produccin en los que se

obtiene simultneamente energa elctrica y energa trmica til partiendo de un nico

combustible.

Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el aprovechamiento de la

energa primaria del combustible es del 25% al 35%, lo dems se pierde. Al cogenerar se puede

llegar a aprovechar del 70% al 85% de la energa que entrega el combustible. La mejora de la

eficiencia trmica de la cogeneracin se basa en el aprovechamiento del calor residual de los

sistemas de refrigeracin de los motores de combustin interna para la generacin de

electricidad.

El gas natural es la energa primaria ms utilizada para el funcionamiento de las centrales de

cogeneracin de electricidad y calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas. No

obstante, tambin se pueden utilizar fuentes de energa renovables y residuos como biomasa

o residuos que se incineran.

Adems, esta tecnologa reduce el impacto ambiental debido al ahorro de energa primaria

que implica. Si se tiene en cuenta que para producir una unidad elctrica por medios

convencionales se necesitan 3 unidades trmicas, mientras que en cogeneracin se necesitan

1,5 unidades, la cantidad total de agentes contaminantes emitidos se ver disminuida en un

50%.

Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos edificios singulares

en los que el calor puede emplearse para calefaccin u obtencin de agua caliente sanitaria

como por ejemplo ciudades universitarias, hospitales, etc.

Con estos sistemas se mejora la eficiencia energtica, consiguiendo con el mismo combustible

ms energa, con lo que se consigue un ahorro de ste y tambin una disminucin de las

emisiones de CO2.



2. CLCULO TERMICO

2.1. Datos del Combustible y Aire

a) Propiedades del Gas Natural para uso de Cogeneracin

Poder calorfico: 50.046 kJ/kg

Densidad: 0,717 Kg/m3

Cp= 2,2537 kJ/kg

Cv=1,7251 kJ/kg

Presin de toma a la planta (red principal): 40 Bar = 4000 kPa = 40,78 kg/cm2 (1)

Presin dentro de la planta: 10 Bar = 10,19 kg/cm2

Temperatura de distribucin: 288K

b) Propiedades del Carbn Gasificado para la Caldera Recuperadora

Poder calorfico: 55.800 kJ/kg

Densidad: 0,792 Kg/L

Cp = 2,237 kJ/(kg.K)

Cv = 1,714 kJ/(kg.K)

Temperatura de Auto-ignicin: 595 C

c) Condiciones ambientales en la provincia de Amazonas

Temperatura: 25 C = 77 F

Temperatura mxima: 40 C = 104 F (T = 27 F)

Temperatura mxima: 10,5 C = 50,9 F (T = 26,1 F)

Presin atmosfrica:78,75 kPa

Densidad del aire: 0,9133 kg/m3

Cp = 1,005 kJ/(kg.K)

1 Informacin brindada por Calidda para la red principal conectada a la ladrillera REX.



2.2. Resumen de los componentes principales de la planta trmica de

ciclo combinado con cogeneracin

En el primer informe presentado se hicieron los clculos para el dimensionado y seleccin de

los componentes principales de la planta trmica de ciclo combina con cogeneracin de

destilacin de aguardiente. En la siguiente figura se muestra el esquema de un ciclo

combinado:

Figura 2. Esquema General de una Planta de Ciclo Combinado

Como se observar, la planta trmica consta de dos etapas, la etapa de gas y la etapa de vapor.

A continuacin se muestra el cuadro resumen de los parmetros calculados para estas dos

etapas en la planta trmica de ciclo combinado:



Tabla 1. Datos calculados para el ciclo de gas

tem Unidades Valor

Potencia del Compresor kW 44.550

Calor del Quemador kW 203.551

Potencia de la Turbina kW 120.820

Flujo de aire kg/s 149,885

Flujo de combustible kg/s 4,327

Flujo total kg/s 154,212

Temperatura 1 K 298

Temperatura 2 K 593,75

Temperatura 3 K 1.589,57

Temperatura 4 K 810

N de Turbinas a Gas 3


Presin 4 kPa 0,7875

Tabla 2. Datos calculados para el ciclo de vapor

tem Unidades Valor

Potencia de la Turbina Alta kW 34.192,44

Potencia de la Turbina Baja kW 74.218,01

Potencia de la Bomba 1 kW 1,17

Potencia de la Bomba 2 kW 977,18

Flujo de Vapor del economizador kg/s 79,16

Flujo de Vapor de la caldera kg/s 11,44

Flujo Total kg/s 90,6

Temperatura 6 K 778


Temperatura 8 K 673


Temperatura 10 K 298


Temperatura 12 K 298



Temperatura de las extracciones K 551,9

Calor de Condensacin kW 209.468,44

Calor del Economizador kW 282.496,58

Calor de la Caldera kW 34.806,366

Flujo de Vapor de la extraccin kg/s 0,12

Flujo de combustible Carb. Gasif. Kg/s 0,67

Eficiencia Total de la Planta 51,88 %



3. CLCULO Y DIMENSIONADO DE LOS SISTEMAS AUXILIARES

3.1. Sistema de transporte gas natural de la planta de regulacin y

medicin

En una primera etapa, consideramos que el gas natural llegar a travs de camiones de GNC a

una estacin de almacenamiento anexa a una estacin de regulacin y medicin, la cual,

transporta el combustible desde la estacin hasta la planta trmica a travs de un ducto

principal a una presin de trabajo de 40 bares.

La hallar el dimetro del ducto para la lnea de distribucin principal (40 bares) se usar la

siguiente ecuacin:

(1)

Dnde: : Dimetro de ducto en alta presin [mm] : Cauda del Gas Natural [Nm3/hr] : Velocidad del combustible en el ducto [m/s] : Presin del combustible que pasa el ducto [kg/cm2]

Tomando como recomendacin el punto 841.1.9. (Informacin adicional de diseo) de la

Norma ASME B31.8-2012 Gas Transmission and Distribution Piping Systems, se considera que

la velocidad del combustible de 20 m/s.

Por lo tanto, se elige un dimetro comercial de 4 pulgadas.

Luego, se calcula la presin mxima que soportar el ducto bajo tierra. Se tiene la siguiente

ecuacin:

(2)



Dnde: : Presin mxima del ducto [bar] : Esfuerzo de fluencia del material [bar] : Factor de soldadura : Dimetro exterior del ducto [mm] : Coeficiente de correccin por temperatura [0,4] : Temp. Ambiente [298 K] : Temperatura del material con el flujo de combustible [288 K]

Seleccionando el material de la tubera al acero A53 Grado A sin costura ( = 844 kg/cm2 =

827,68 bar). Entonces, reemplazando en la ecuacin (2):

Se comprueba que la presin mxima de la tubera es mucho mayor a la presin de operacin

del sistema (180,3 > 40, 78 kg/cm2).

Despus, se calcular el Nmero de Schedule para nuestra tubera principal. Se tiene la

siguiente ecuacin:

(3)

Dnde: : Schedule Number : Presin Interior [PSI o kg/cm2] : Esfuerzo de trabajo [PSI o kg/cm2]

Entonces, reemplazando los datos en la ecuacin (3):

Finalmente, segn el cdigo ASME se calcular el espesor mnimo de la tubera con la siguiente

ecuacin:

(4)

Dnde: : Espesor mnimo [cm o pulg] Do: Dimetro exterior [cm o pulg]



Entonces, reemplazando los valores en la ecuacin (4)

Por lo que se seleccionar un espesor de 0,337 pulgadas. Para una tubera de 4 de

dimetro SCH80.

3.2. Lnea de Gas Natural dentro de la planta para la turbina a gas

Similar al clculo de la seccin anterior, se seleccionar la tubera a usar dentro de la central

trmica. Consideramos que la presin de trabajo es de 10 bar (10,19 kg/cm2). Por lo tanto,

reemplazando los datos en la ecuacin (1).

Por lo tanto, se elige un dimetro comercial de 8 pulgadas.

Luego, se calcula la presin mxima que soportar el ducto usando la ecuacin (2).

Considerando como material al acero A53 Grado B sin costura ( = 1.005 kg/cm2 = 1.034,6 bar),

se obtuvo el siguiente resultado:

Se comprueba que la presin mxima de la tubera es mucho mayor a la presin de operacin

del sistema (117,01 > 10, 19 kg/cm2).

Despus, con la ecuacin (3), calculamos el nmero de Schedule:

Finalmente, segn el cdigo ASME se calcular el espesor mnimo de la tubera con la ecuacin

(4). Cabe resaltar que para el clculo se us un dimetro de 8 pulgadas.



Por lo que se seleccionar un espesor de 0,148 pulgadas. Para una tubera de 8 de

dimetro SCH80.

3.3. Seleccin de vlvulas y equipamiento para los quemadores

La seleccin de vlvulas se hace de acuerdo a los requerimientos. Hemos considerado una

vlvula de compuerta con racor de brida.

El NIBCO de aleacin de hierro de gran dimetro de la vlvula compuerta proporciona un

flujo completo con una cada de presin mnima. La vlvula de compuerta Clase 125 incluye

bridas, conexiones planas cara extrema para facilitar la instalacin y la accesibilidad. Fuera de

las vlvulas de compuerta de tornillo y yugo (OS & Y) se recomienda cuando se cierre positivo y

un indicador visual rpido de abierto / cerrado posicin se requiere. El sistema operativo y

configuracin Y protege las roscas del vstago del contacto con los medios de comunicacin.

Psi/6.9 100 bar de presin de fluido

a 450 F/232 C

150 psi/10.3 bar sin choque presin

de trabajo en fro

Tornillo exterior y el yugo

Bonete atornillado

Cua slida

Acero inoxidable acabado

Clase 125 con bridas conexiones

finales

Cumple con MSS SP-70

Tamao 14 range "a 24"

Figura 3. Vlvula de comporta con racor de brida



3.4. Tuberas en la Planta Trmica de Cogeneracin

En esta seccin se calcular todas las tuberas en el ciclo de gas y vapor de la Planta Trmica de

Ciclo combinado con cogeneracin.

a) Gases de escape de la turbina a gas Lnea de la turbina al caldero recuperador

de vapores

En primer lugar es necesario calcular la masa de gases de escape, para lo que tenemos que:

Luego, calculamos el rea del ducto en funcin del caudal y la densidad.

La velocidad recomendada es de 95 m/s

Dimetro interior del ducto es: 2,94 metros

Se sabe que el material del ducto debe soportar las condiciones del punto 4:

Por lo que se selecciona como material al CROLOY 2 (ASME: SA213 T22) sin costura ( =

7800 PSI= 548,4 kg/cm2 para 538 C)





(4). Cabe resaltar que para el clculo se us un dimetro de 8 pulgadas.

Por lo que se seleccionar planchas de acero mayor de 0,58 pulg de espesor.

b) Lnea de tuberas de la turbina de vapor en la salida de la caldera

En primer lugar se calcular el dimetro nominal para el vapor que sale de la caldera. Se

conocen los datos del punto 6:

Entonces, del flujo msico de vapor y de la densidad:

Adems, la velocidad recomendada para el flujo de vapor recomendado est en el rango de

50,8 a 76,2 m/s. Por lo tanto, utilizaremos el de 76,2 m/s. Entonces, calculamos el rea de la

tubera y el dimetro interior:

Por lo tanto, se selecciona una tubera comercial de 10 pulgadas de dimetro.



Adems, Por lo que se selecciona como material al CROLOY 2 (ASME: SA213 T22) sin

costura ( = 11000 PSI= 773,34 kg/cm2 para 510 C).



(4). Cabe resaltar que para el clculo se us un dimetro de 0,254 metros de dimetro.

Por lo que seleccionamos una tubera de 10 pulgadas de dimetro SCH 160 con

espesor de 1,125 pulgadas.

c) Lnea de tuberas de la turbina de alta para recalentar














(4). Cabe resaltar que para el clculo se us un dimetro de 0,406 metros.



d) Lnea de tuberas del recalentador a la turbina de baja

















e) Lnea de vapor hmedo de la salida de la turbina a la entrada del condensador











costura ( = 12004,5 PSI= 844 kg/cm2 para 121 C).








f) Lnea de condensacin del condensador a la bomba




Adems, la velocidad recomendada para el flujo de agua recomendado est en el rango de





costura ( = 12004,5 PSI= 844 kg/cm2 para 121 C).








g) Lnea de extraccin de la turbina de baja


conocen los datos del punto x, y, z:












(4). Cabe resaltar que para el clculo se us un dimetro de 0,762 metross.



h) Lnea de tuberas en la Unidad de Bombeo 1









Por lo tanto, se selecciona una tubera comercial de 0,5 pulgadas de dimetro.

Adems, Por lo que se selecciona como material al acero ASTM A53 Grado A sin costura ( =

844 kg/cm2 para 121 C).




Por lo que seleccionamos una tubera de 0,5 pulgadas de dimetro SCH 160 con


i) Lnea de tuberas en la Unidad de Bombeo 2










Adems, Por lo que se selecciona como material al acero ASTM A53 Grado B sin costura ( =

1055 kg/cm2 para 121 C).



(4). Cabe resaltar que para el clculo se us un dimetro de 0,213 metros


espesor de 1 pulgada.



j) Resumen de tuberas en la planta de cogeneracin

N Nombre: Temp. del fluido (C)

Material Dimetro ext.

(pulg) Espesor o dt

(pulg) SCH Observaciones

1 Lnea de la turbina al caldero recuperador

537 CROLOY 2 1/4 115,75 0,58

Plancha de acero

Soldado en forma tubular

Necesita aislamiento

2 Lnea de la turbina de vapor en la salida del

caldero 505 CROLOY 2 1/4 10 1,125 160


3 Lnea de la turbina de alta para recalentar

298,27 CROLOY 2 1/4 16 0,375 30 Necesita

aislamiento

4 Lnea de tuberas del

recalentador a la turbina de baja

400 CROLOY 2 1/4 18 0,438 30 Necesita

aislamiento

5

Lnea de vapor hmedo de la salida de la turbina a la entrada

del condensador

25 ASME A-53

Grado A 10 0,25 20


6 Lnea de condensacin

a la bomba 2 25

ASME A-53 Grado A

10 0,25 20 Necesita

aislamiento

7 Lnea de Extraccin de

la turbina de baja 278,9 CROLOY 2 1/4 30 0,5 20


8 Unidad de bombeo 1 25,29 ASME A-53

Grado A 0,5 0,187 160

No necesita aislamiento

9 Unidad de bombeo 2 25,44 ASME A-53

Grado B 10 1 140

No necesita aislamiento

10 Ducto para lnea de

distribucin principal 25

ASME A-53 Grado A

2,5 0,203 40 No necesita aislamiento

11 Ducto para lnea de

distribucin en planta 25

ASME A-53 Grado B

8 0,148 10S No necesita aislamiento



3.5. Clculo del Aislamiento trmico

El clculo del aislamiento trmico reside en obtener el espesor de aislamiento para cada ducto

que lo requiera. Se tiene la siguiente frmula:

(5)

Dnde:

: Perdidas de calor en la tubera [W/m] Ts: Temperatura interior de la tubera [C] Ta: Temperatura ambiente [C] r1: Radio interior [m] r2: Radio exterior [m] h1: Coeficiente de intercambio superficial en 1 [W/m2C] h2: Coeficiente de intercambio superficial en 2 [W/m2C] K: Conductividad trmica del tubo [W/m C]

Tabla 3. Materiales de aislamiento segn el espesor y las prdidas energticas

Nombre: Temperatura que soporta Mx. (C)

Perdidas (W/m)

Material del aislamiento Espesor

(mm) Dimetro N.

(pulg.)

1 600 500 Silicato de calcio c/ 85% de

Magnesia 1176 115,75


Magnesia 112 10


Magnesia 150 16


Magnesia 230 18


Magnesia 82 10


Magnesia 82 10


Magnesia 250 30

Luego, procedemos a seleccionar los tubos comerciales que se realizaron de las tuberas de

acuerdo a RESUMEN DE TUOS PARA LA PLANTA DE COGENERACIN, utilizando el catlogo de

tuberas de la empresa Xin Yuan Ta Steel Pipe GroupCo. Ltd

Lnea de la turbina de vapor a la salida del caldero:

Tubo de acero sin soldadura para caldera de presin alta



Dimetro exterior: 254 mm

Espesor de pared: 28.575 mm

Material: 20 GCroloy 2 1/4

Normativa: GB5310-1995

Aplicacin: La presin de trabajo de este tubo de acero para caldera es por lo general de 9.8

MPa., y rangos de temperatura de 450 C a 650 C. Se utiliza comnmente en la superficie de

calentamiento de las calderas, como resultado de su resistencia al calentamiento superior.

Lnea de la turbina de alta para el para recalentar:

Tubo de acero sin soldadura para caldera de presin alta

Dimetro exterior: 406. mm


Material: 20 GCroloy 2 1/4


Aplicacin: La presin de trabajo de este tubo de acero para caldera es por lo general de 9.8

MPa., y rangos de temperatura de 450 C a 650 C. Se utiliza comnmente en la superficie de

calentamiento de las calderas, como resultado de su resistencia al calentamiento superior.

Lnea de tuberas del recalentador a la turbina de baja:

Tubo de acero laminado en caliente sin soldadura para caldera de baja presin y media:

Dimetro exterior: 457.2 mm

Espesor de pared: 11.13mm

Material: 10, 20, 45, q345 Croloy 2 1/4


Aplicacin: Este tubo de acero laminado en caliente de caldera es ideal para ser utilizado como

tubo de sobrecalentamiento por vapor y tubo para caldera de agua hirviendo la caldera de

presin media y baja, tubera de vapor sobrecalentado en la caldera de la locomotora, tubo de

chimenea, etc.



Lnea de vapor hmedo de la salida de la turbina a la entrada del condensador:

Tubo de acero laminado en caliente sin soldadura para caldera de baja presin y media:



Material: 10, 20, 45, q345 Croloy 2 1/4


Aplicacin: Este tubo de acero laminado en caliente de caldera es ideal para ser utilizado como

tubo de sobrecalentamiento por vapor y tubo para caldera de agua hirviendo la caldera de

presin media y baja, tubera de vapor sobrecalentado en la caldera de la locomotora, tubo de

chimenea, etc.

Lnea de condensacin a la bomba 2:

Tubo de acero al carbono espiral SY/T



Material: Q235/Q345 ASME A-53 Grado A

Normativa: SY/T5037-2000

Nota: SSAW tubos de acero para servicio general de transporte de fluidos.

Aplicacin: este tubo de acero espiral de flujo general esta diseado para el transporte de

fluidos a baja presin, incluyendo el agua, aire y vapor, etc.

Lnea de extraccin de la turbina de baja:vapor

Tubo de acero espiral para servicio de transporte de fluidos de baja presin



Material: Q235/Q345/L290 Croloy 2 1/4



Normativa: SY/T5037-2000

Aplicacin: para servicio de transporte de agua, gas aire y vapor de baja presin.

Unidad de bombeo 1:

Tubo de acero sin soldadura de fluidos GB

Dimetro exterior:12.7 mm

Espesor de pared:4.74mm

Material: 102045q345 ASME A-53 Grado A

Normativa: GB/T8163-1999

Aplicacin: este tubo de acero de normativa GB es ideal para componer las tuberas de acero

sin soldadura para conducir el agua, petrleo y gas.

Unidad de bombeo 2:

Tubo de acero sin soldadura de fluidos GB



Material: 102045q345 ASME A-53 Grado B

Normativa: GB/T8163-1999

Aplicacin: este tubo de acero de normativa GB es ideal para componer las tuberas de acero

sin soldadura para conducir el agua, petrleo y gas.

Ducto para lnea de distribucin principal:

Tubo de acero espiral API

Especificaciones:

Normativa: API 5L





Material: X42-X100 ASME A-53 Grado A

Categora: PSL1 / PSL2

Tratamiento de superficies y especificaciones: la pared exterior del tubo anti-corrosin o

revestido con barniz negro. Por lo tanto, la tubera de acero espiral eta hecha de nuestros

tubos de acero espiral API 5L y es ideal para entrega de petrleo y gas natural.

Ducto para lnea de distribucin de planta:

Tubo de acero espiral API

Especificaciones:

Normativa: API 5L



Material: X42-X100 ASME A-53 Grado B

Categora: PSL1 / PSL2

Aplicacin: la pared exterior del tubo anti-corrosin o revestido con barniz negro. Por lo tanto,

la tubera de acero espiral eta hecha de nuestros tubos de acero espiral API 5L y es ideal para

entrega de petrleo y gas natural.



3.6. Clculo de tiro de chimenea para el caldero recuperador de

vapores

a) Calculo del Tiro de la chimenea

(

) (6)

Dnde:

: Altura de la chimenea [m] : Temperatura de aire [C] : Temperatura del gas [C] : Tiro diferencia de presiones [kg/m2 o mmH20]

b) Calculo de la temperatura de los gases de la chimenea:

(7)

Dnde: : Calor que se suministra al hogar de la caldera [kW] : Masa de carbn que pasa por la faja [kg/s] : Poder calorfico del carbn [kJ/kg] : Calor especifico de los gases de escape (1,256) [kJ/ (kg. C)]

: Temperatura en el interior de la chimenea [C] : Temperatura en la entrada [C] : Flujo de masa del los gases de escape [kg/s]

Se calcula el tiro asumiendo una altura de la chimenea de 15 metros

(

)

Luego obtenemos 6,44 mmH20 como el Tiro terico para 15 metros, asumiendo que la

chimenea es de seccin circular.

Adems debemos hacer un clculo del Tiro requerido para poder seleccionar nuestro

ventilador de tiro forzado.

c) Calculo de la velocidad terica dentro de la chimenea

(8)

Dnde: : Velocidad terica dentro de la chimenea [m/s] : Altura de la chimenea [m] : Temperatura de los gases dentro de la chimenea [K]



: Temperatura del aire en la salida de la chimenea [K] : Gravedad [m/s2]

Entonces, reemplazando los valores:

(

)

La velocidad recomendada es de Vt este en el rango de [6,10 m/s - 15,2 m/s], por esto la

velocidad que salen los gases en la chimenea es la correcta, por lo tanto se asumi un valor

correcto de la Altura.

d) Resistencia en el ducto de humos (chimenea):

(9)

Dnde: : Tito total que se puede calcular para el ducto de humos [mmH20] : Densidad del gas en [kg/m3] : Coeficiente de friccin en el ducto (0,014) : Radio hidrulico de la seccin transversal [m] : Velocidad del gas en la chimenea (m/s)

El radio hidrulico se calcula por la frmula de Montgolfier:

(10)

Dnde: : Seccin transversal de la chimenea [m2] : Peso del combustible que se quema por hora [kg]

Tabla 4. Constantes para la frmula de Montgolfier

Valor Constate K

0,01 Hulla

0,0195 GLP

0,0124 Carbn

0,0165 GN

0,024 Combustible Lquidos (Diese. Gasolina)

Como nosotros usamos Carbn nuestro factor ser: 0,0124

Adems nuestro consumo por hora de carbn ser: 0,67*3600 = 2412 kg



e) Calculo del Tiro requerido:

Luego de los clculos anteriormente hechos se obtiene:

Perdidas de presin dentro del caldero:

Tabla 5. Valores de variacin de presiones

tem Valor

744 Pa = 75,865 mmH2O

249 Pa = 25,39 mmH2O

374 Pa = 38,137 mmH2O

178 Pa = 18,15 mmH2O

50 Pa = 5,098 mmH2O

Dnde: Diferencia de Presiones dentro de la chimenea [mmH20]

: P en los tubos del caldero [mmH20] : P en los tubos del recalentador [mmH20] : P en los tubos del economizador [mmH20] P en el calentador de aire [mmH20] : P en la cmara del hogar [mmH20]

: P en el ducto de humos [mmH20]

D: Tiro de la chimenea para 15 metros [mmH20]

Entonces, el Tiro requerido es:

Se puede asumir el factor de servicio de 1,2 para suplir otras perdidas

3.7. Seleccin de la capacidad del ventilador para el tiro

Gracias a que tenemos un economizador conectado con el hogar de la caldera acuotubular, se

tomaran los gases de escape calientes para que se produzca la combustin con el carbn

gasificado.



Ahora se tiene que tener en cuenta que hay prdidas de los gases a combustionar por lo que el

ventilador debe tener un factor de (perdidas en el hogar, factor de seleccin y prdidas de

flujo en el calentador).

Figura 4. Esquema de la caldera recuperadora



Figura 5. Esquema del alimentador de Hogar



Figura 6. Esquema del suministro de vapor a la turbina de vapor



Figura 7. Esquema de la distribucin de Gas Natural de la lnea principal de distribucin

Entrada de aire

GAS

Turbina

de Gas

Cmara de combustin

Gases de

escape

Edifico de

turbinas a gas

Entrada de aire

Ducto de distribucion

de GN

Esquema de Turbina a GAS



Figura 8. Esquema del quemador para Turbina de Gas.



3.8. Torre de enfriamiento

Temperatura mxima: 40 C = 104 F (T = 27 F)

Temperatura mxima: 10,5 C = 50,9 F (T = 26,1 F)

(

)

(11)

Luego con las variaciones de temperatura mnima y mxima se los GPM.

GPM mximo: 52.941,19

GPM mnimo: 54.766,75

3.9. Tratamiento de Agua

a) Parmetros de diseo

Para el clculo del volumen de resina, se obtuvo los datos del agua de los ros del Amazonas2.

Tabla 6. Tabla de dureza en los ros del Amazonas

tem Valor Unidad

Dureza total 141,1 mg/l

N-Nitratos 0,28 mg/l

Fosfatos 0,077 mg/l

Carbonatos 0,4 mg/l

Bicarbonatos 110,2 mg/l

Cloruros 7 mg/l

Flujo:

Asume un uso de 8 horas diarias:

(12)

Donde: : Volumen de Resina [pie3] : Tiempo de trabajo del ablandador (8 Horas) [Hr] : Dureza total del agua (0,53gr/gal) [gr/gal] : Volumen de agua por ablandador [gal/hr]

Entonces, calculando se obtiene el volumen de resina:

2 Fuente: Informe temtico hidrogrfico. Jos Marco Garca.



Adems, se calcula la capacidad del ablandador con la siguiente frmula:

Ahora para calcular la capacidad del ablandador:

Por lo que el agua que procesa ser de:

Tambin, es necesario calcular la masa de sal acumulada:

El volumen de la resina es 1,22 pie3

1 pie3 Resina es 7 kg de sal

Humedad de la sal es 2%

La solucin de ClNa: 23%

b) Dimensiones del ablandador

Asumiendo una relacin entre la altura real vs el radio del ablandador de dos (2), se obtiene:

(12)

Donde: K: Relacin Hr altura vs. Radio del ablandador VR: Volumen de resinas Hr: Altura de resina

Por lo tanto:

Ahora el Radio del ablandador es 0,9945/2=0,5 pie= 15,24 cm



Altura de grava: Hs

Grava fina = 3 de altura

Grava mediana = 3 de altura

Grava gruesa = 3 de altura

Arena fina = 3 de altura

Por lo tanto la altura total de la grava: Hs= 1 pie

Hms = Espacio muerto en la parte superior = 1 Hs = 1 pie

Hmi = Espacio muerto en la parte inferior = Hs = pie

Adicionalmente se calcula la altura de los casquetes esfricos: Hc

Casco superior: Hcs = 1/3 R = 1/3*0,5 = 0,17 pie

Casco inferior: Hci = 0.17 pie

Finalmente, la altura total del ablandador ser:

H = Hr + Hs + Hms + Hmi + Hcs + Hci

H = 1+ 1 + 1 + + 0,17 + 0,17

H = 4,34 pie = 1,32 m



.

Figura 9. Esquema del tanque de zeolita

PLACA DE

ORIFICIO

FLUJO DE CONTROL

CONTRALAVADO SOPORTA GRAVA

Y ANTRACITA

TANQUE DE

SALMUERA

EYECTOR

ALIVIO

DE AIRE

FLOTADOR

DE CONTROL

ALMACENAJE

DE SAL

GRAVA

EFULENTE SUAVIZADO

AGUA

CRUDA

CONTROL DE FLUJO

DE ENJUAGUE



Figura 10. Esquema de un ablandador antiguo

REJILLA DE

DISTRIBUCION

DE AGUA DURA

RESINA

CUERPO DEL

ABLANDADOR

REJILLA DE

RECOGIDO DE

AGUA

ENTRADA DEL

REGENERANTE

(NaCl)

ENTRADA DE

AGUA DURA

SALIDA DE

AGUA

BLANDA

PLACA

PORTE



Figura 11. Esquema de un condensador para ciclo combinado a contrapresin

ENTRADA DE VAPOR

A SERPENTINES

SALIDA DE

CONDENSADO

CAMARA

DE VAPOR

PURGA

INTERMITENTE

PLACA

SOPRTE

BARRAS DE

TENSION

DESIRCUNDANTES

TERMICAMENTESEPARADOR,

SECADOR

DE TRES PASOS

VAPOR SALIDA

DE LAS TOBERAS

DOMO DE VAPOR



OBSERVACIONES

Se logr una planta trmica por cogeneracin y se necesit verificar las dimensiones de

los tubos que conectaban el circuito de la planta trmica.

Se necesit el diseo de un ablandador para el caudal requerido antes de ingresar a la

caldera.

La torre de enfriamiento que necesito solo se pudo seleccionar y no calcular.

Se dimensiono una chimenea, pero esta es de tiro forzado.

Se Dimensiono los ductos de suministro de gas natural.

CONCLUSIONES

Se logr una mejor dimensin optimizada de los tubos segn ASME, por las prdidas de

calor en los tubos se necesit aislamiento trmico, para esto se us un catlogo brasileo.

Se logr un dimensionado del ablandador mediano ya que la dureza del agua es de 0,53

GPM.

Luego de analizar la chimenea nos result un tiro forzado ya que el D



BIBLIOGRAFIA

Apuntes de clases.

ASME B31.8-2012 Gas Transmission and Distribution Piping Systems. Biblioteca Central

de la Universidad Nacional de Ingeniera del Per.

Xytpipe. Catlogos de tubos [En lnea][Consulta 14 de Diciembre de 2012] Disponible en:

http://www.xytpipe.es/products.html

Wikipedia. Ciclo Combinado [En lnea] [Consulta 13 de Diciembre de 2012]. Disponible

en: http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_combinado



ANEXOS

Documents

[MN153] Cálculo Dimensionado y Selección de los sistemas auxiliares una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneracion en la provincia de amazonas FINAL