[Mn153] cálculo dimensionado y selección de los sistemas auxiliares una central eléctrica de...

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Facultad de ingeniería mecánica Departamento Académico de Ingeniería Aplicada

Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una

central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el

Departamento de Amazonas

Alumnos:

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

Profesor: Aguilar Vizcarra Duilio Curso: Fuerza Motriz Térmica Sección: A Semestre: 2012-II

21 de Diciembre de 2012 Lima – Perú

Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas

2 Facultad de Ingeniería Mecánica

ÍNDICE

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

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

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

Objetivos específicos ................................................................................................................. 8

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

Localización ................................................................................ ¡Error! Marcador no definido.

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

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

1.2. Cogeneración .............................................................................................................. 11

2. CÁLCULO TERMICO.............................................................................................................. 12

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

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

b) Propiedades del Carbón 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 térmica de ciclo combinado

con cogeneración .................................................................................................................... 13

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

3.1. Sistema de transporte gas natural de la planta de regulación y medición ................. 15

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

3.3. Selección de válvulas y equipamiento para los quemadores ..................................... 18

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

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

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

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

3.7. Tuberías en la Planta Térmica de Cogeneración ......................................................... 19



a) Línea de tuberías de la turbina de vapor en la salida de la caldera ............................ 19

b) Línea de tuberías de la turbina de ala para recalentar ............................................... 21

c) Línea de tuberías del recalentador a la turbina de baja ............................................. 22

d) Línea de vapor húmedo de la salida de la turbina a la entrada del condensador ...... 23

e) Línea de condensación del condensador a la bomba ................................................. 25

f) Línea de extracción de la turbina de baja ................................................................... 26

g) Línea de tuberías en la Unidad de Bombeo 1 ............................................................. 27

h) Línea de tuberías en la Unidad de Bombeo 2 ............................................................. 28

i) Resumen de tuberías en la planta de cogeneración ................................................... 30

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

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

3.10. Cálculo del Aislamiento térmico .............................................................................. 47

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

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

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

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



ÍNDICE DE TABLAS

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

Tabla 2. Valores para Combustibles típicos [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 Población y Vivienda de 2007. Departamento de

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

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

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

definido.

Tabla 7. Tasa de crecimiento de energía por abonado doméstico ¡Error! Marcador no definido.

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

definido.

Tabla 9. Proyección de la población del área de influencia del proyecto ...... ¡Error! Marcador no

definido.

Tabla 10. Proyección del grado de electrificación.......................... ¡Error! Marcador no definido.

Tabla 11. Proyección de la población electrificada en el área de influencia del proyecto .. ¡Error!

Marcador no definido.

Tabla 12. Proyección del número total de abonados del área de influencia del proyecto . ¡Error!


Tabla 13. Proyección de consumo de energía por tipo de abonad doméstico (kW.h-

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

Tabla 14. Proyección del consumo doméstico urbano (kW.h-mes) .............. ¡Error! Marcador no

definido.

Tabla 15. Proyección del consumo doméstico rural (kW.h-mes) .. ¡Error! Marcador no definido.

Tabla 16. Proyección del consumo doméstico total en el área de influencia (kW.h-mes) .. ¡Error!


Tabla 17. Proyección del consumo comercial en el área de influencia (kW.h-mes) ............ ¡Error!




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

Tabla 19. Proyección del consumo por alumbrado público en el área urbana (kW.h-mes) ¡Error!


Tabla 20. Proyección del consumo por alumbrado público en el área rural (kW.h-mes) .... ¡Error!


Tabla 21. Proyección del consumo por alumbrado público total (kW.h-mes) .... ¡Error! Marcador

no definido.

Tabla 22.Proyección del consumo de abonados industriales de la provincia de Rodríguez de

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

Tabla 23. Resumen del consumo eléctrico en el área 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 Rodríguez de Mendoza . ¡Error! Marcador

no definido.

Tabla 26. Resultados del cálculo teórico 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 recuperación .................... ¡Error! Marcador no definido.

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

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



ÍNDICE 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 teóricas del Ciclo Joule-Brayton .. ¡Error! Marcador

no definido.

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

Figura 5. Diagramas teóricos 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 teóricos 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 recuperación de vapor ................................ ¡Error! Marcador no definido.

ÍNDICE DE GRÁFICOS

Gráfico 1. Evolución del consumo eléctrico y la potencia promedio en la vida útil 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 diseñar los parámetros relacionados con la instalación de una de una

Planta Térmica de ciclo combinado con cogeneración de GN. El proyecto contempla los

cálculos relacionados con la elección de los diversos equipos para la transformación de energía

térmica a partir de GN a energía eléctrica, de manera que se pueda abastecer una demanda de

25 años de energía eléctrica 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 Cálculos, los cuales son

imprescindibles para la implementación de la central térmica.

El proyecto de la Planta Térmica de ciclo combinado con cogeneración de GN tendrá una

capacidad de 300 MW y su diseño cumplirá con todas las normas legales vigentes.

La planta térmica de ciclo combinado con cogeneración de GN se localizará en el

departamento de Amazonas, el cual se caracteriza por tener un clima cálido y húmedo,

distinguiéndose por su geografía, ya que se puede encontrar diferentes variedades de suelos.



OBJETIVOS

Objetivo general

Desarrollar ingeniería básica, describiendo los procedimientos de cálculo para la

instalación de una planta térmica de ciclo combinado con cogeneración de gas natural

que entregue 300 MW respetando las normas correspondientes.

Lograr una mejor percepción de los componentes de una planta de cogeneración con

respecto a la realidad.

Objetivos específicos

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

cogeneración de Gas Natural 300 MW.

Realizar los cálculos y la selección de los componentes mecánicos para que funcione la

planta térmica de ciclo combinado con cogeneración de Gas Natural de de 300 MW.

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

catálogos.



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 generación de energía a la coexistencia de dos ciclos

termodinámicos 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 combustión. En la propulsión de buques se

denomina ciclo combinado al sistema de propulsión COGAG.

Figura 1. Central de ciclo combinado

a) Ciclo combinado o de condensación

Una variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, es el ciclo combinado a

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

capacidad de regulación ante demandas de vapor muy variables.

El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración consiste en evacuar gases a

través del bypass cuando la demanda de vapor es menor a la producción y utilizar la post-

combustión cuando sucede lo contrario.

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

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

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



las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes, y la planta deja de cumplir los

requisitos de rendimiento.

Por el contrario, un ciclo de contrapresión y condensación permite aprovechar la totalidad del

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

proceso, produciendo una cantidad adicional de electricidad

b) Cogeneración

Los sistemas de intercambio de cogeneración son sistemas de producción en los que se

obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil partiendo de un único

combustible.

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

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

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

eficiencia térmica de la cogeneración se basa en el aprovechamiento del calor residual de los

sistemas de refrigeración de los motores de combustión interna para la generación de

electricidad.

El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de

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

obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa

o residuos que se incineran.

Además, esta tecnología reduce el impacto ambiental debido al ahorro de energía primaria

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

convencionales se necesitan 3 unidades térmicas, mientras que en cogeneración se necesitan

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

50%.

Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos edificios singulares

en los que el calor puede emplearse para calefacción u obtención de agua caliente sanitaria

como por ejemplo ciudades universitarias, hospitales, etc.

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

más energía, con lo que se consigue un ahorro de éste y también una disminución de las

emisiones de CO2.



2. CÁLCULO TERMICO

2.1. Datos del Combustible y Aire

a) Propiedades del Gas Natural para uso de Cogeneración

Poder calorífico: 50.046 kJ/kg

Densidad: 0,717 Kg/m3

Cp= 2,2537 kJ/kg

Cv=1,7251 kJ/kg

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

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

Temperatura de distribución: 288K

b) Propiedades del Carbón Gasificado para la Caldera Recuperadora

Poder calorífico: 55.800 kJ/kg

Densidad: 0,792 Kg/L

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

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

Temperatura de Auto-ignición: 595 °C

c) Condiciones ambientales en la provincia de Amazonas

Temperatura: 25 °C = 77 °F

Temperatura máxima: 40 °C = 104 °F (∆T = 27 °F)

Temperatura máxima: 10,5 °C = 50,9 °F (∆T = 26,1 °F)

Presión atmosférica:78,75 kPa

Densidad del aire: 0,9133 kg/m3

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

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



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

ciclo combinado con cogeneración

En el primer informe presentado se hicieron los cálculos para el dimensionado y selección de

los componentes principales de la planta térmica de ciclo combina con cogeneración de

destilación 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 térmica consta de dos etapas, la etapa de gas y la etapa de vapor.

A continuación se muestra el cuadro resumen de los parámetros calculados para estas dos

etapas en la planta térmica de ciclo combinado:



Tabla 1. Datos calculados para el ciclo de gas

Ítem 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


Nº de Turbinas a Gas 3


Presión 4 kPa 0,7875

Tabla 2. Datos calculados para el ciclo de vapor

Ítem 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 de las extracciones °K 551,9

Calor de Condensación kW 209.468,44

Calor del Economizador kW 282.496,58

Calor de la Caldera kW 34.806,366

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

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

Eficiencia Total de la Planta 51,88 %



3. CÁLCULO Y DIMENSIONADO DE LOS SISTEMAS AUXILIARES

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

medición

En una primera etapa, consideramos que el gas natural llegará a través de camiones de GNC a

una estación de almacenamiento anexa a una estación de regulación y medición, la cual,

transporta el combustible desde la estación hasta la planta térmica a través de un ducto

principal a una presión de trabajo de 40 bares.

La hallar el diámetro del ducto para la línea de distribución principal (40 bares) se usará la

siguiente ecuación:

√

(1)

Dónde: : Diámetro de ducto en alta presión [mm] : Cauda del Gas Natural [Nm

3/hr]

: Velocidad del combustible en el ducto [m/s] : Presión del combustible que pasa el ducto [kg/cm

2]

Tomando como recomendación el punto 841.1.9. (Información adicional de diseño) 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 diámetro comercial de 4 pulgadas.

Luego, se calcula la presión máxima que soportará el ducto bajo tierra. Se tiene la siguiente

ecuación:

(2)



Dónde: : Presión máxima del ducto [bar] : Esfuerzo de fluencia del material [bar] : Factor de soldadura : Diámetro exterior del ducto [mm] : Coeficiente de corrección por temperatura [0,4] : Temp. Ambiente [298 °K] : Temperatura del material con el flujo de combustible [288 °K]

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

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

Se comprueba que la presión máxima de la tubería es mucho mayor a la presión de operación

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

Después, se calculará el Número de Schedule para nuestra tubería principal. Se tiene la

siguiente ecuación:

(3)

Dónde: : Schedule Number : Presión Interior [PSI o kg/cm

2]

: Esfuerzo de trabajo [PSI o kg/cm2]

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

Finalmente, según el código ASME se calculará el espesor mínimo de la tubería con la siguiente

ecuación:

(4)

Dónde: : Espesor mínimo [cm o pulg] Do: Diámetro exterior [cm o pulg]



Entonces, reemplazando los valores en la ecuación (4)

Por lo que se seleccionará un espesor de 0,337 pulgadas. Para una tubería de 4’’ de

diámetro SCH80.

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

Similar al cálculo de la sección anterior, se seleccionará la tubería a usar dentro de la central

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

reemplazando los datos en la ecuación (1).

√

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

Luego, se calcula la presión máxima que soportará el ducto usando la ecuación (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 presión máxima de la tubería es mucho mayor a la presión de operación

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

Después, con la ecuación (3), calculamos el número de Schedule:

Finalmente, según el código ASME se calculará el espesor mínimo de la tubería con la ecuación

(4). Cabe resaltar que para el cálculo se usó un diámetro de 8 pulgadas.



Por lo que se seleccionará un espesor de 0,148 pulgadas. Para una tubería de 8’’ de

diámetro SCH80.

3.3. Selección de válvulas y equipamiento para los quemadores

La selección de válvulas se hace de acuerdo a los requerimientos. Hemos considerado una

válvula de compuerta con racor de brida.

El NIBCO ® de aleación de hierro de gran diámetro de la válvula compuerta proporciona un

flujo completo con una caída de presión mínima. La válvula de compuerta Clase 125 incluye

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

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

un indicador visual rápido de abierto / cerrado posición se requiere. El sistema operativo y

configuración Y protege las roscas del vástago del contacto con los medios de comunicación.

Psi/6.9 100 bar de presión de fluido

a 450 ° F/232 ° C

150 psi/10.3 bar sin choque presión

de trabajo en frío

Tornillo exterior y el yugo

Bonete atornillado

Cuña sólida

Acero inoxidable acabado

Clase 125 con bridas conexiones

finales

Cumple con MSS SP-70

Tamaño 14 range "a 24"

Figura 3. Válvula de comporta con racor de brida



3.4. Tuberías en la Planta Térmica de Cogeneración

En esta sección se calculará todas las tuberías en el ciclo de gas y vapor de la Planta Térmica de

Ciclo combinado con cogeneración.

a) Gases de escape de la turbina a gas – Línea 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 área del ducto en función del caudal y la densidad.

La velocidad recomendada es de 95 m/s

Diámetro 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 ¼(ASME: SA213 – T22) sin costura ( =

7800 PSI= 548,4 kg/cm2 para 538 °C)





(4). Cabe resaltar que para el cálculo se usó un diámetro de 8 pulgadas.

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

b) Línea de tuberías de la turbina de vapor en la salida de la caldera

En primer lugar se calculará el diámetro nominal para el vapor que sale de la caldera. Se

conocen los datos del punto 6:

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

Además, la velocidad recomendada para el flujo de vapor recomendado está en el rango de

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

tubería y el diámetro interior:

√

√

Por lo tanto, se selecciona una tubería comercial de 10 pulgadas de diámetro.



Además, Por lo que se selecciona como material al CROLOY 2 ¼(ASME: SA213 – T22) sin

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



(4). Cabe resaltar que para el cálculo se usó un diámetro de 0,254 metros de diámetro.

Por lo que seleccionamos una tubería de 10 pulgadas de diámetro SCH 160 con

espesor de 1,125 pulgadas.

c) Línea de tuberías de la turbina de alta para recalentar









√

√


Además, Por lo que se selecciona como material al CROLOY 2 ¼ (ASME: SA213 – T22) sin




(4). Cabe resaltar que para el cálculo se usó un diámetro de 0,406 metros.



d) Línea de tuberías del recalentador a la turbina de baja









√

√









e) Línea de vapor húmedo de la salida de la turbina a la entrada del condensador









√

√



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








f) Línea de condensación del condensador a la bomba




Además, la velocidad recomendada para el flujo de agua recomendado está en el rango de



√

√



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








g) Línea de extracción de la turbina de baja


conocen los datos del punto x, y, z:





√

√








(4). Cabe resaltar que para el cálculo se usó un diámetro de 0,762 metross.



h) Línea de tuberías en la Unidad de Bombeo 1









√

√

Por lo tanto, se selecciona una tubería comercial de 0,5 pulgadas de diámetro.

Además, 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 tubería de 0,5 pulgadas de diámetro SCH 160 con


i) Línea de tuberías en la Unidad de Bombeo 2









√

√


Además, 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 cálculo se usó un diámetro de 0,213 metros


espesor de 1 pulgada.



j) Resumen de tuberías en la planta de cogeneración

Nº Nombre: Temp. del fluido (°C)

Material Diámetro ext.

(pulg) Espesor o dt

(pulg) SCH Observaciones

1 Línea 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 Línea de la turbina de vapor en la salida del

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


3 Línea de la turbina de alta para recalentar

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

aislamiento

4 Línea de tuberías del

recalentador a la turbina de baja

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

aislamiento

5

Línea de vapor húmedo de la salida de la turbina a la entrada

del condensador

25 ASME A-53

Grado A 10 0,25 20


6 Línea de condensación

a la bomba 2 25

ASME A-53 Grado A

10 0,25 20 Necesita

aislamiento

7 Línea de Extracción 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 línea de

distribución principal 25

ASME A-53 Grado A

2,5 0,203 40 No necesita aislamiento

11 Ducto para línea de

distribución en planta 25

ASME A-53 Grado B

8 0,148 10S No necesita aislamiento



3.5. Cálculo del Aislamiento térmico

El cálculo del aislamiento térmico reside en obtener el espesor de aislamiento para cada ducto

que lo requiera. Se tiene la siguiente fórmula:

(5)

Dónde:

: Perdidas de calor en la tubería [W/m]

Ts: Temperatura interior de la tubería [°C] Ta: Temperatura ambiente [°C] r1: Radio interior [m] r2: Radio exterior [m] h1: Coeficiente de intercambio superficial en 1 [W/m2°C] h2: Coeficiente de intercambio superficial en 2 [W/m2°C] K: Conductividad térmica del tubo [W/m °C]

Tabla 3. Materiales de aislamiento según el espesor y las pérdidas energéticas

Nombre: Temperatura que soporta Máx. (°C)

Perdidas (W/m)

Material del aislamiento Espesor

(mm) Diámetro 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 tuberías de

acuerdo a RESUMEN DE TUOS PARA LA PLANTA DE COGENERACIÓN, utilizando el catálogo de

tuberías de la empresa “Xin Yuan Ta” Steel Pipe GroupCo. Ltd”

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

Tubo de acero sin soldadura para caldera de presión alta



Diámetro exterior: 254 mm

Espesor de pared: 28.575 mm

Material: 20 G<>Croloy 2 1/4

Normativa: GB5310-1995

Aplicación: La presión 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 comúnmente en la superficie de

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

Línea de la turbina de alta para el para recalentar:

Tubo de acero sin soldadura para caldera de presión alta

Diámetro exterior: 406. mm


Material: 20 G<>Croloy 2 1/4


Aplicación: La presión 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 comúnmente en la superficie de

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

Línea de tuberías del recalentador a la turbina de baja:

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

Diámetro exterior: 457.2 mm

Espesor de pared: 11.13mm

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


Aplicación: 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

presión media y baja, tubería de vapor sobrecalentado en la caldera de la locomotora, tubo de

chimenea, etc.



Línea de vapor húmedo de la salida de la turbina a la entrada del condensador:

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



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


Aplicación: 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

presión media y baja, tubería de vapor sobrecalentado en la caldera de la locomotora, tubo de

chimenea, etc.

Línea de condensación 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.

Aplicación: este tubo de acero espiral de flujo general esta diseñado para el transporte de

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

Línea de extracción de la turbina de baja:vapor

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



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



Normativa: SY/T5037-2000

Aplicación: para servicio de transporte de agua, gas aire y vapor de baja presión.

Unidad de bombeo 1:

Tubo de acero sin soldadura de fluidos GB

Diámetro exterior:12.7 mm

Espesor de pared:4.74mm

Material: 102045q345 <> ASME A-53 Grado A

Normativa: GB/T8163-1999

Aplicación: este tubo de acero de normativa GB es ideal para componer las tuberías de acero

sin soldadura para conducir el agua, petróleo 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

Aplicación: este tubo de acero de normativa GB es ideal para componer las tuberías de acero

sin soldadura para conducir el agua, petróleo y gas.

Ducto para línea de distribución principal:

Tubo de acero espiral API

Especificaciones:

Normativa: API 5L





Material: X42-X100<> ASME A-53 Grado A

Categoría: PSL1 / PSL2

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

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

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

Ducto para línea de distribución de planta:

Tubo de acero espiral API

Especificaciones:

Normativa: API 5L



Material: X42-X100<> ASME A-53 Grado B

Categoría: PSL1 / PSL2

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

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

entrega de petróleo y gas natural.



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

vapores

a) Calculo del Tiro de la chimenea

(

) (6)

Dónde:

: 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)

Dónde: : Calor que se suministra al hogar de la caldera [kW] : Masa de carbón que pasa por la faja [kg/s] : Poder calorífico del carbón [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 teórico para 15 metros, asumiendo que la

chimenea es de sección circular.

Además debemos hacer un cálculo del Tiro requerido para poder seleccionar nuestro

ventilador de tiro forzado.

c) Calculo de la velocidad teórica dentro de la chimenea

√

(8)

Dónde: : Velocidad teórica 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/s

2]

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 asumió un valor

correcto de la Altura.

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

(9)

Dónde: : Tito total que se puede calcular para el ducto de humos [mmH20] : Densidad del gas en [kg/m

3]

: Coeficiente de fricción en el ducto (0,014) : Radio hidráulico de la sección transversal [m] : Velocidad del gas en la chimenea (m/s)

El radio hidráulico se calcula por la fórmula de Montgolfier:

√ (10)

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

Tabla 4. Constantes para la fórmula de Montgolfier

Valor Constate K

0,01 Hulla

0,0195 GLP

0,0124 Carbón

0,0165 GN

0,024 Combustible Líquidos (Diese. Gasolina)

Como nosotros usamos Carbón nuestro factor será: 0,0124

Además nuestro consumo por hora de carbón será: 0,67*3600 = 2412 kg

√



√

e) Calculo del Tiro requerido:

Luego de los cálculos anteriormente hechos se obtiene:

Perdidas de presión dentro del caldero:

Tabla 5. Valores de variación de presiones

Ítem 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

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

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

: ΔP 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. Selección 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 combustión con el carbón

gasificado.



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

ventilador debe tener un factor de (perdidas en el hogar, factor de selección y pérdidas 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 distribución de Gas Natural de la línea principal de distribución

Entrada de aire

GAS

Turbina

de Gas

Cámara de combustión

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 máxima: 40 °C = 104 °F (∆T = 27 °F)

Temperatura máxima: 10,5 °C = 50,9 °F (∆T = 26,1 °F)

(

)

(11)

Luego con las variaciones de temperatura mínima y máxima se los GPM.

GPM máximo: 52.941,19

GPM mínimo: 54.766,75

3.9. Tratamiento de Agua

a) Parámetros de diseño

Para el cálculo del volumen de resina, se obtuvo los datos del agua de los ríos del Amazonas2.

Tabla 6. Tabla de dureza en los ríos del Amazonas

Ítem 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 [pie

3]

: 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 temático hidrográfico. José Marco García.



Además, se calcula la capacidad del ablandador con la siguiente fórmula:

Ahora para calcular la capacidad del ablandador:

Por lo que el agua que procesa será de:

También, 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 solución de ClNa: 23%

b) Dimensiones del ablandador

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

√

(12)

Donde: K: Relación 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 ½ Hs = 1 ½ pie

Hmi = Espacio muerto en la parte inferior = ½ Hs = ½ pie

Adicionalmente se calcula la altura de los casquetes esféricos: 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 será:

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

H = 1+ 1 + 1 ½ + ½ + 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 contrapresión

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 logró una planta térmica por cogeneración y se necesitó verificar las dimensiones de

los tubos que conectaban el circuito de la planta térmica.

Se necesitó el diseño 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 logró una mejor dimensión optimizada de los tubos según ASME, por las pérdidas de

calor en los tubos se necesitó aislamiento térmico, para esto se usó un catálogo brasileño.

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

GPM.

Luego de analizar la chimenea nos resultó un tiro forzado ya que el D<Perdidas por

fricción de los tubos del economizado, hogar, tubos, etc.

Luego se solicitó un ventilador capaz de ayuda a la chimenea de tiro forzado.

Se hizo un esquema de cada parte de los componentes auxiliares para ubicar mejor los

puntos a calcular y nos resultó un mejor desarrollo de las dimensiones de los

componentes auxiliares.



BIBLIOGRAFIA

Apuntes de clases.

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

de la Universidad Nacional de Ingeniería del Perú.

Xytpipe. Catálogos de tubos [En línea][Consulta 14 de Diciembre de 2012] Disponible en:

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

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

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

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

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



ANEXOS

[Mn153] cálculo dimensionado y selección de los sistemas auxiliares una central eléctrica de...

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