UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
Facultad de ingeniería mecánica
Departamento Académico de Ingeniería Aplicada
Cálculo, ...
Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo
combinado con cogeneración ...
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[Mn153] cálculo dimensionado y selección de los sistemas auxiliares una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneracion en la provincia de amazonas final

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[Mn153] cálculo dimensionado y selección de los sistemas auxiliares una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneracion en la provincia de amazonas final

  1. 1. 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
  2. 2. 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
  3. 3. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 3 Facultad de Ingeniería Mecánica 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
  4. 4. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 4 Facultad de Ingeniería Mecánica 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! Marcador no definido. 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! Marcador no definido. Tabla 17. Proyección del consumo comercial en el área de influencia (kW.h-mes)............ ¡Error! Marcador no definido.
  5. 5. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 5 Facultad de Ingeniería Mecánica Tabla 18. Factores KALP ................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Tabla 19. Proyección del consumo por alumbrado público en el área urbana (kW.h-mes) ¡Error! Marcador no definido. Tabla 20. Proyección del consumo por alumbrado público en el área rural (kW.h-mes).... ¡Error! Marcador no definido. 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.
  6. 6. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 6 Facultad de Ingeniería Mecánica 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.
  7. 7. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 7 Facultad de Ingeniería Mecánica 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.
  8. 8. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 8 Facultad de Ingeniería Mecánica 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.
  9. 9. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 9 Facultad de Ingeniería Mecánica INTRODUCCION ACA SE PONE LA IMPORTANCIA DE LOS CALCULOS DE LOS ELEMENTOS AUXILIARES Y EL CRITERIO PARA ESTIMAR VALORES.
  10. 10. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 10 Facultad de Ingeniería Mecánica 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,
  11. 11. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 11 Facultad de Ingeniería Mecánica 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.
  12. 12. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 12 Facultad de Ingeniería Mecánica 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.
  13. 13. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 13 Facultad de Ingeniería Mecánica 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:
  14. 14. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 14 Facultad de Ingeniería Mecánica 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 Temperatura 4 °K 810 Nº de Turbinas a Gas 3 Temperatura 5 °K 298,2 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 6 °K 778 Temperatura 7 °K 571,87 Temperatura 8 °K 673 Temperatura 9 °K 342,09 Temperatura 10 °K 298 Temperatura 11 °K 298,44 Temperatura 12 °K 298 Temperatura 13 °K 298,29 Temperatura 14 °K 298,17 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 %
  15. 15. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 15 Facultad de Ingeniería Mecánica 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)
  16. 16. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 16 Facultad de Ingeniería Mecánica 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/cm 2 ] 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]
  17. 17. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 17 Facultad de Ingeniería Mecánica 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.
  18. 18. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 18 Facultad de Ingeniería Mecánica 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
  19. 19. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 19 Facultad de Ingeniería Mecánica 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) Después, con la ecuación (3), calculamos el número de Schedule:
  20. 20. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 20 Facultad de Ingeniería Mecánica 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 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.
  21. 21. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 21 Facultad de Ingeniería Mecánica 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). 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 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 En primer lugar se calculará el diámetro nominal para el vapor que sale de la caldera. Se conocen los datos del punto 7: ̇ 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:
  22. 22. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 22 Facultad de Ingeniería Mecánica √ √ Por lo tanto, se selecciona una tubería comercial de 16 pulgadas de diámetro. Además, Por lo que se selecciona como material al CROLOY 2 ¼ (ASME: SA213 – T22) sin costura ( = 13100 PSI= 921,02 kg/cm2 para 482 °C). 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 0,406 metros. Por lo que seleccionamos una tubería de 16 pulgadas de diámetro SCH 30 con espesor de 0,375 pulgadas. d) Línea de tuberías del recalentador a la turbina de baja En primer lugar se calculará el diámetro nominal para el vapor que sale de la caldera. Se conocen los datos del punto 8: ̇ Entonces, del flujo másico de vapor y de la densidad:
  23. 23. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 23 Facultad de Ingeniería Mecánica ̇ 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 18 pulgadas de diámetro. Además, Por lo que se selecciona como material al CROLOY 2 ¼ (ASME: SA213 – T22) sin costura ( = 13100 PSI= 921,02 kg/cm2 para 482 °C). 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 0,457 metros. Por lo que seleccionamos una tubería de 18 pulgadas de diámetro SCH 30 con espesor de 0,438 pulgadas. e) Línea de vapor húmedo de la salida de la turbina a la entrada del condensador En primer lugar se calculará el diámetro nominal para el vapor que sale de la caldera. Se conocen los datos del punto 9:
  24. 24. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 24 Facultad de Ingeniería Mecánica ̇ 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 ( = 12004,5 PSI= 844 kg/cm2 para 121 °C). 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 0,254 metros.
  25. 25. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 25 Facultad de Ingeniería Mecánica Por lo que seleccionamos una tubería de 10 pulgadas de diámetro SCH 20 con espesor de 0,250 pulgadas. f) Línea de condensación del condensador a la bomba En primer lugar se calculará el diámetro nominal para el vapor que sale de la caldera. Se conocen los datos del punto 10: ̇ Entonces, del flujo másico de vapor y de la densidad: ̇ Además, la velocidad recomendada para el flujo de agua recomendado está en el rango de 1,016 a 2,54 m/s. Por lo tanto, utilizaremos el de 2,54 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 ( = 12004,5 PSI= 844 kg/cm2 para 121 °C). Después, con la ecuación (3), calculamos el número de Schedule:
  26. 26. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 26 Facultad de Ingeniería Mecánica 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 0,254 metros. Por lo que seleccionamos una tubería de 10 pulgadas de diámetro SCH 20 con espesor de 0,250 pulgadas. g) Línea de extracción de la turbina de baja En primer lugar se calculará el diámetro nominal para el vapor que sale de la caldera. Se conocen los datos del punto x, y, z: ̇ 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: √ √
  27. 27. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 27 Facultad de Ingeniería Mecánica Por lo tanto, se selecciona una tubería comercial de 30 pulgadas de diámetro. Además, Por lo que se selecciona como material al CROLOY 2 ¼ (ASME: SA213 – T22) sin costura ( = 131000 PSI= 921,92 kg/cm2 para 482 °C). 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 0,762 metross. Por lo que seleccionamos una tubería de 30 pulgadas de diámetro SCH 20 con espesor de 0,5 pulgadas. h) Línea de tuberías en la Unidad de Bombeo 1 En primer lugar se calculará el diámetro nominal para el vapor que sale de la caldera. Se conocen los datos del punto 13: ̇ Entonces, del flujo másico de vapor y de la densidad: ̇ Además, la velocidad recomendada para el flujo de agua recomendado está en el rango de 1,016 a 2,54 m/s. Por lo tanto, utilizaremos el de 2,54 m/s. Entonces, calculamos el área de la tubería y el diámetro interior:
  28. 28. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 28 Facultad de Ingeniería Mecánica √ √ 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). 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 0,0127 metros. Por lo que seleccionamos una tubería de 0,5 pulgadas de diámetro SCH 160 con espesor de 0,187 pulgadas. i) Línea de tuberías en la Unidad de Bombeo 2 En primer lugar se calculará el diámetro nominal para el vapor que sale de la caldera. Se conocen los datos del punto 11: ̇ Entonces, del flujo másico de vapor y de la densidad:
  29. 29. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 29 Facultad de Ingeniería Mecánica ̇ Además, la velocidad recomendada para el flujo de agua recomendado está en el rango de 1,016 a 2,54 m/s. Por lo tanto, utilizaremos el de 2,54 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 acero ASTM A53 Grado B sin costura ( = 1055 kg/cm2 para 121 °C). 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 0,213 metros Por lo que seleccionamos una tubería de 10 pulgadas de diámetro SCH 140 con espesor de 1 pulgada.
  30. 30. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 30 Facultad de Ingeniería Mecánica 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 Necesita aislamiento 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 Necesita aislamiento 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 Necesita aislamiento 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
  31. 31. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 31 Facultad de Ingeniería Mecánica 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 2 600 500 Silicato de calcio c/ 85% de Magnesia 112 10 3 300 210 Silicato de calcio c/ 85% de Magnesia 150 16 4 400 250 Silicato de calcio c/ 85% de Magnesia 230 18 5 50 20 Silicato de calcio c/ 85% de Magnesia 82 10 6 50 20 Silicato de calcio c/ 85% de Magnesia 82 10 7 300 180 Silicato de calcio c/ 85% de 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
  32. 32. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 32 Facultad de Ingeniería Mecánica  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  Espesor de pared: 9.525 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 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  Normativa: GB3087-1999 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.
  33. 33. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 33 Facultad de Ingeniería Mecánica 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:  Diámetro exterior: 254 mm  Espesor de pared: 6.35mm  Material: 10, 20, 45, q345 <>Croloy 2 1/4  Normativa: GB3087-1999 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  Diámetro exterior: 254 mm  Espesor de pared: 6.35mm  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  Diámetro exterior: 762 mm  Espesor de pared: 12.7mm  Material: Q235/Q345/L290 <>Croloy 2 1/4
  34. 34. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 34 Facultad de Ingeniería Mecánica  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  Diámetro exterior: 254 mm  Espesor de pared: 25.4mm  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  Diámetro exterior: 63.5 mm  Espesor de pared: 5.156 mm
  35. 35. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 35 Facultad de Ingeniería Mecánica  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  Diámetro exterior: 203.2 mm  Espesor de pared: 3.76 mm  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.
  36. 36. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 36 Facultad de Ingeniería Mecánica 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/m 2 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]
  37. 37. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 37 Facultad de Ingeniería Mecánica : 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 √
  38. 38. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 38 Facultad de Ingeniería Mecánica √ 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.
  39. 39. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 39 Facultad de Ingeniería Mecánica ̇ 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
  40. 40. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 40 Facultad de Ingeniería Mecánica Figura 5. Esquema del alimentador de Hogar
  41. 41. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 41 Facultad de Ingeniería Mecánica Figura 6. Esquema del suministro de vapor a la turbina de vapor
  42. 42. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 42 Facultad de Ingeniería Mecánica 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
  43. 43. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 43 Facultad de Ingeniería Mecánica Figura 8. Esquema del quemador para Turbina de Gas.
  44. 44. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 44 Facultad de Ingeniería Mecánica 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.
  45. 45. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 45 Facultad de Ingeniería Mecánica 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
  46. 46. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 46 Facultad de Ingeniería Mecánica 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
  47. 47. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 47 Facultad de Ingeniería Mecánica . 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
  48. 48. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 48 Facultad de Ingeniería Mecánica 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
  49. 49. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 49 Facultad de Ingeniería Mecánica 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 TERMICAMENTE SEPARADOR, SECADOR DE TRES PASOS VAPOR SALIDA DE LAS TOBERAS DOMO DE VAPOR
  50. 50. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 50 Facultad de Ingeniería Mecánica 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.
  51. 51. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 51 Facultad de Ingeniería Mecánica 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
  52. 52. Cálculo, dimensionado y selección de los sistemas auxiliares de una central eléctrica de ciclo combinado con cogeneración en el Departamento de Amazonas 52 Facultad de Ingeniería Mecánica ANEXOS

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