008_cogeneracion__2016-mqt

7/25/2019 008_Cogeneracion__2016-MQT

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MQUINAS TRMICAS ICogeneracin de Energa

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1. CARACTERIZACIN Y DESCRIPCIN TCNICA DE PROYECTOS DECOGENERACIN.

1.1. Introduccin a la Cogeneracin

a) El Concepto de Cogeneracin

Cogeneracin es la produccin simultnea de energa mecnica y trmica, ambasutilizadas, a partir de una sola fuente de energa primaria. Su uso ms comn es laproduccin de electricidad y calor en diversas formas (vapor, agua caliente, gasescalientes, etc.), lo cual se conoce tambin como CHP (Combined Heat andPower).

COGENERACIONCOGENERACIONCHPCHP

CALORCALOR

ENERGIAENERGIAELECTRICAELECTRICAFUENTEFUENTE

DE ENERGIADE ENERGIATERMICATERMICA

La eficiencia que se alcanza con CHP es superior a la que resulta de la generacinelctrica y trmica en forma separada e independiente, esquema en el cual unusuario se provee de electricidad desde la red y la generacin trmica se lleva acabo in-situ.

No obstante esto, la energa mecnica que produce la cogeneracin tambin puedeusarse directamente para el accionamiento de compresores, bombas, u otro equipomecnico, del mismo modo como se acciona un generador elctrico.

Segn el origen de la fuente de energa del sistema de cogeneracin, existen dos

configuraciones posibles para realizar cogeneracin:

1. Cogeneracin superior o de cabeza: Los sistemas superiores decogeneracin, que son los ms frecuentes, son aquellos en los que unafuente de energa primaria (como el gas natural, diesel, carbn u otrocombustible similar) se utiliza directamente para mover un equipo tipomotores o turbinas para la generacin de energa elctrica en el primerescaln del proceso. A partir de la energa qumica del combustible seproducen fluidos calientes que se destinan para generar la energa trmicaresultante, el denominado calor residual en forma de vapor, agua calienteo gases calientes. Este calor es suministrado a los procesos industriales ya


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sea para secado, cocimiento o calentamiento, que constituyen el segundoescaln del proceso. Este tipo de sistemas se utiliza principalmente laindustria textil, petrolera, celulosa y papel, cervecera, alimenticia,azucarera, entre otras, donde sus requerimientos de calor son moderados obajos con temperaturas de 250C a 600C.

2. Cogeneracin inferior o de cola: En los sistemas inferiores la energaprimaria se utiliza directamente para satisfacer en primer lugar losrequerimientos trmicos del proceso del primer escaln y la energatrmica residual o de desecho, se usar para la generacin de energaelctrica en el segundo escaln. Los ciclos inferiores estnfrecuentemente asociados con procesos industriales en los que sepresentan altas temperaturas como el cemento, la siderrgica, vidriera yqumica. En tales procesos se utilizan calores residuales del orden de

300C a 900C, los que pueden ser utilizados para la produccin de vapory electricidad.

b) Breve Resea Histrica de la Cogeneracin Industrial

En los primeros das de la Generacin Elctrica, a principios del 1900, las plantaselctricas se ubicaron cercanas a los usuarios trmicos y la cogeneracin industrialera frecuente.

Por los aos 1940, el precio de los combustibles permiti que las compaaselctricas instalaran grandes plantas de potencia lejos de las plantas industriales

descargando la energa trmica sobrante en lagos.

Alrededor de 1984, la cogeneracin industrial resurge como fuente de ahorro deenerga y costos dentro de las mismas plantas industriales, sin estar asociadas conlas grandes plantas de potencia elctrica.

Posteriormente, a travs de medidas de liberalizacin de los mercados energticosy de incentivos se logr un desarrollo importante de la cogeneracin, en particularen Europa, donde la cogeneracin ha llegado a ser de un 10% de la generacinelctrica total y se esperan aumentos muy importantes.

Los principales beneficios que otorga la cogeneracin, tanto para el pas comopara la industria o institucin que se abastece de l, son el ahorro en energaprimaria debido a su mayor eficiencia comparada con los sistemas de generacinelctrica y trmica tradicionales, disminucin de prdidas en las redes elctricas,mayor seguridad y diversificacin de las fuentes energticas y la disminucin dela produccin de gases de efecto invernadero.


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c) Principales Equipos de Conversin de Energa Utilizados enCogeneracin.

c.1.) Rangos de Operacin de los Equipos de Cogeneracin.

La produccin simultnea de dos formas de energa se produce enmquinas trmicas y celdas de combustible. Las mquinas trmicas hastaahora desarrolladas son los motores de combustin interna, turbinas a gasy turbinas de vapor. An queda bastante desarrollo pendiente en relacin aceldas de combustibles (Fuel Cells), a microturbinas y al motor stirling (decombustin externa), lo que es necesario para bajar sus costos de inversina niveles competitivos.

La figura siguiente muestra los rangos de aplicacin tpicos de estos

equipos.

Figura N 1.1: Rangos de Aplicacin Equipos de Cogeneracin

Residencial

Comercial

Bancos

Restaurant

Edificios

E. Oficinas

CentroComercial

Industrial

25 kW 100 kW 500 kW 1 MW 10 MW

Fuel Cells

Motor Stirling, Microturbina

Motores Combustin Interna

Turbinas

1 kW

Planta de Biomasa

Las celdas de combustible se han desarrollado hasta potencias del orden delos 10 kW. En una situacin anloga est el motor Stirling y lamicroturbina, los cuales se han desarrollado hasta potencias inferiores a los100 kW.

Los motores de combustin interna (en particular los a gas) se fabricanpara cogeneracin en un rango de potencias desde los 100 kW hastapotencias bajo los 20 MW. Las turbinas a gas son fabricadas a partir de los1.000 kW hasta algunos cientos de MW. Las turbinas de vapor son una delas tecnologas ms antiguas y las hay desde potencias de 250 kW hastaunos cientos de MW.


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Los rangos de potencia ms econmicos son los mostrados en la figuraanterior. Cuando las demandas son fundamentalmente de vapor y lasdemandas de agua caliente son menores, las turbinas muestran una ventaja.Cuando hay usos de agua caliente los motores presentan ventajas. Si setiene asegurada la demanda elctrica, el criterio de seleccin de equipos esaquel que abastezca lo ms cercano posible al 100% de la demandatrmica, dentro de los rangos econmicos indicados.

La eficiencia global de los sistemas de cogeneracin depende de laeficiencia de los equipos que constituyen el sistema y del porcentaje deutilizacin real de la energa elctrica y del calor que produce lacogeneracin.

c.2.) Motores de Combustin Interna

La cogeneracin con motores de combustin interna (MCI) puede alcanzareficiencias globales entre un 60% y 80%. La figura siguiente muestra elbalance de energa de un sistema de cogeneracin con motor.

Figura N 1.2: Balance de Energa de un Motor

Combustible

100 %Gases 20 % - 35 %

Electricidad30 % - 40 %

Sistema deEnfriamientoMotor

20 % - 30 %Calor a T < 100CMax 5 %

Calor a T < 50C

El motor de combustin interna a gas natural es una mquina trmicaalternativa de 4 tiempos que opera en un ciclo Otto.

En la figura N1.2. se indica que de la energa suministrada al motor por elcombustible, entre un 30 y 40% se transforma en energa elctrica a travs


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gases de combustin en la turbina genera trabajo mecnico en un eje, elcual acciona un generador elctrico y a la vez proporciona el trabajo querequiere el compresor de aire.

La generacin elctrica constituye entre un 20 y 30% de la energasuministrada por el combustible, segn cada turbina. Entre un 75 y 65% deesta energa sale por los gases de combustin de la turbina, que despus desu expansin se encuentra a temperaturas entre 400 y 600C. Esta energaes posible utilizarla a travs de equipos de recuperacin de calor. Debido ala alta temperatura este calor se puede transformar en vapor a travs de unaCaldera de Recuperacin. A diferencia de los motores no existe entrega decalor como agua caliente.

Las calderas recuperadoras de calor usadas para generar vapor a partir de

la energa de los gases de escape de los motores y turbinas a gas tienenusualmente eficiencias entre el 60% y 70%. En algunas aplicacionesindustriales tambin es posible el uso directo de los gases de escape deestos equipos en procesos de calentamiento y secado.

c.4. Turbinas de Vapor

La cogeneracin con turbina de vapor involucra: una caldera para producirvapor de media o alta presin, el vapor acciona una turbina de vaporacoplada a un generador. El vapor de baja presin sale de la turbina a lapresin requerida en los consumos de calor. Una vez usado el calor latente

del vapor en los consumos, el vapor condensado retorna a la caldera.

La figura siguiente muestra un sistema de cogeneracin con turbina devapor.


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Figura N 1.4: Balance de Energa de un Sistema de Cogeneracin con Turbina a Vapor

Proceso

GeneradorTurbina

Vapor de

media Presin

Electricidad

Energa Primaria

o Calor Residual

Vapor de

baja Presin

Caldera

La variedad de turbinas de vapor es muy amplia: a condensacin, acontrapresin, con o sin extracciones de vapor; existen diseos estndar ydiseos especiales (fabricados a pedido). En plantas pequeasnormalmente se usa vapor saturado y la turbina de vapor slo tiene unaetapa de expansin. En plantas de mayor tamao se usa vaporsobrecalentado, el cual se expande en varias etapas. Las extracciones devapor pueden efectuarse a distintas presiones, segn sean losrequerimientos.

La fuente de calor de la caldera puede ser un combustible tradicional,biomasa, o calor residual de proceso; en este ltimo caso se usa unacaldera recuperadora de calor.

Las calderas que queman combustible o biomasa tienen eficiencias entre

70 a un 80%. La eficiencia de las calderas recuperadoras varan aprox.entre 60% y 80%, dependiendo de la temperatura del calor residual y de sucomposicin.

Las turbinas de vapor entregan en el eje entre un 45 y 80% de la energadel salto entlpico isentrpico que experimenta el vapor al expandirse en laturbina. El valor mnimo corresponde a turbinas de una etapa y el mximoa turbinas multietapas.


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La eficiencia elctrica del sistema depende de la presin del vapor de bajapresin. Para una presin de vapor de 8 bar la eficiencia elctrica puedevariar entre 10 y 15%.

En general, la eficiencia global (elctrica ms trmica) de este tipo deplantas de cogeneracin es inferior a la de las plantas con motor o turbina agas, logrndose eficiencias globales entre un 40% y 70%.

Los costos de inversin son tambin superiores a los de las plantas decogeneracin a base de motores o turbinas a gas (de 2000 a 3000US$/kW).

Por el bajo rendimiento elctrico y por los altos costos de inversin, estossistemas de cogeneracin slo son utilizados con combustibles muy

econmicos (biomasa) o calores residuales, (caso de las centrales de ciclocombinado).

d) Sistemas de Cogeneracin ms Utilizados.

Las figuras siguientes muestran algunas de las configuraciones ms frecuentespara los sistemas de cogeneracin superior con motores y turbinas:

Figura N 1.5 : Planta de Cogeneracin Superior con Motor para Produccin de AguaCaliente

Agua Caliente

85 C

Jacket Water

Gases de Escape

Agua

15 C

60 C

Intercambiadorde Calor dePlacas

Radiador Remoto

Electricidad


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Figura N 1.6: Planta de Cogeneracin Superior con Motor para Produccin de Vapor yAgua Caliente

Vapor

Gases de Escape

Agua

15 C

95 C

Intercambiador

de Calor de

Placas

Agua de

Alimentacin

Caldera Recuperadora

de calor y economizador

Jacket Water

Radiador Remoto

Electricidad

Figura N 1.7: Planta de Cogeneracin Superior con Motor con Utilizacin de Gases de

Escape y Agua Caliente

GN

HORNO

GasesCalientes

T=515C

T=160C

Bandejas

99C

10C

88C

CircuitoAC

CircuitoJW54C60C

50C

T=170C

95C45C

Electricidad


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Figura N 1.8: Planta de Cogeneracin Superior con Turbina a Gas y Produccin de Vapor

Filtro

de Aire

Generador

Silenciador

Turbina

Economizador

CalderaRecuperadorade Calor(HRSG)

VlvulasDiversoras

QuemadoresSuplementarios

Agua deAlimentacin

Vapor

Silenciador

Otro tipo de cogeneracin es el Ciclo Combinado con cogeneracin (turbina de

gas y turbina de vapor para producir electricidad con entrega parcial de vapor paraotros usos).En Espaa existen desde 5 MW. Alcanzan rendimientos del orden de55% al 60% dependiendo del volumen de uso del calor. En ocasiones el ciclocombinado puede alimentarse desde un proceso de gasificacin, lo que se conocecomo IGCC. La gasificacin es la obtencin de un gas combustible a partir decarbn de baja calidad, biomasa, o gas de vertedero.

El ciclo combinado sin cogeneracin, es decir, sin entrega de vapor a consumos decalor y para altas capacidades elctricas, es el proceso de las plantastermoelctricas con gas natural existentes en Chile.

El Ciclo Combinado con entrega de vapor, por su mayor costo de inversin, hasido una opcin slo en los casos en que se dispone estas fuentes de energa debajo costo. Este tipo de proyectos no se ha incluido en las descripciones tcnicasde este estudio, por ser de menor rendimiento global y mayor costo de inversin.

Tambin es posible usar una bomba de calor (Chiller-Heater) de Absorcin enCogeneracin, la cual permite la generacin de fro y calor. Bajo este esquema, laenerga trmica generada con el motor o turbina se usan para alimentar el equipode Absorcin, el cual se desempea como equipo enfriador o como bomba decalor, segn sean los requerimientos. Este tipo de proyectos no se ha incluido enlas descripciones tcnicas de este estudio, considerndose slo como un posible


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requerimiento de calor y un eventual ahorro de energa elctrica adicional por elreemplazo de equipos de refrigeracin que utilizan electricidad.

e) Beneficios de la Cogeneracin

Los principales beneficios que otorga la cogeneracin tanto para el pas como parala industria o institucin que se abastece de l son el ahorro en energa primariadebido a su mayor eficiencia comparada con los sistemas de generacin elctrica ytrmica tradicionales, disminucin de prdidas en las redes elctricas, mayorseguridad, competencia y diversificacin de las fuentes energticas y ladisminucin de la produccin de gases de efecto invernadero.

La cogeneracin beneficia en primer lugar a las industrias quienes consumen lasenergas elctricas y trmicas que se generan gracias a los menores costos o

descuentos de precios que obtienen cuando la Planta de Cogeneracin es instaladapor una tercera persona. Tambin otorga mayores niveles de seguridad desuministro.

Beneficia tambin a los participantes en los desarrollos de ingeniera que sonnecesarios, creacin de nuevos negocios energticos, mantencin y operacin delas Plantas y por la creacin de nuevas fuentes de trabajo permanentes yespecializadas.

Beneficia adems al pas en el que se instalan estos sistemas por el aumento de lacompetencia en el sector de generacin elctrica, por el ahorro de energa primaria

que se produce, y por los ingresos de divisas por venta de bonos de carbono, etc.

El ahorro de energa primaria deriva de la mayor eficiencia de la cogeneracinrespecto de la generacin separada de electricidad y calor, y de sus caractersticasde generacin distribuida, como se aprecia en la figura siguiente. En la figura seconsidera que la planta de cogeneracin reduce el consumo de energa primaria deuna planta de ciclo combinado a gas natural y de una caldera industrial.

La mayor seguridad y confiabilidad del sistema elctrico surge de la diversidad ydistribucin de los cogeneradores, los que deberan ser capaces de operar en islaelctrica frente a cualquier interrupcin del sistema.

Debido a que en general se cogenera en zonas industriales, que son a su vez dealto consumo elctrico, las prdidas de energa disminuyen en las lneas dedistribucin as como la inversin necesaria en lneas elctricas a mediano plazo.


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Figura N 1.9: Ahorro de Energa Primaria Producto de la Cogeneracin

PlantaGeneradora

(RED)

= 45%

Energa

Elctrica

Prdidas

de Calor

Residual

22,550

27,5Planta de

CogeneracinIndustria

= 83%30% Electrico53% Termico

Energa

Elctrica

Calor

Prdidas

22,5

40

12,5

Planta

TrmicaIndustria

= 80%

Calor

Prdidas

de la

Caldera

40

50

10

75

100 Unidades de Energa Primaria 75 Unidades de Energa Primaria

25%de Ahorro en

Energa Primaria

Situacin Actual Situacin con Cogeneracin

La eficiencia considerada para el conjunto planta generadora y red de la figura,

considera una planta de ciclo combinado de = 50% a 55% y un 5% a 10% deprdidas por transmisin y distribucin; estas prdidas son evitadas por el hechode que una planta de cogeneracin se instala en un punto de consumo a nivel deuna red de distribucin.

1.2. Caracterizacin y Descripcin Detallada de Dos Proyectos de Cogeneracin

A continuacin se describen en forma detallada los aspectos tcnicos de dos deestos proyectos, con motor y turbina respectivamente. Estas dos descripcionescorresponden a dos proyectos reales, algunas de cuyas caractersticas de consumosse han modificado para responder a casos ms frecuentes o tpicos.


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a) Planta de Cogeneracin 4 MW con Motores

a.1.) Caractersticas de la Industria.

La industria corresponde a una planta de alimentos en la que se producenaceite, leche y subproductos o similares, trabajando 24 horas por da, deLunes a Sbado.

Cuenta con una tarifa elctrica AT4.3. La tensin de alimentacin son 12kV; el empalme elctrico tiene una capacidad de 6 MW. Las demandas enpunta y fuera de punta son de 2,5 y de 5 MW, respectivamente

Se utiliza gas natural en dos calderas que en total tienen una capacidad de

produccin de vapor de 6 ton/h, saturado a 10 barg1, con una produccinpromedio de 3,5 ton/h. La planta trmica cuenta con ablandadores y undesgasificador. El vapor es utilizado en consumos directos, calentamientode estanques y de productos y calentamiento de agua de proceso endiversos puntos de la planta.

La industria dispone de un espacio para la planta de cogeneracin a uncostado de la sala de calderas. El empalme elctrico se encuentra a algunosmetros de este sector.

a.2.) Proyecto de cogeneracin

La planta de cogeneracin consistente en dos motores de 1.920 kW cadauno, diseada para abastecer los consumos base de vapor de la industria einyectar los excedentes elctricos al sistema de distribucin pblico. Laplanta no alcanza a cubrir los peaks de consumos de vapor de la industria.El calor del circuito de alta temperatura del motor provee el calornecesario para calentar el agua de reposicin de las calderas y el agua deproceso. En general existe un exceso de calor del agua de refrigeracin delmotor que no tiene utilizacin en la industria y que se evacua a laatmsfera a travs de radiadores remotos.

Los motores se instalan en un edificio insonorizado (sala de motores), paracumplir la norma acstica. La sala de operacin y control de la planta decogeneracin se ubica al costado de la sala de motores.

El sistema de produccin de vapor de la planta de cogeneracin cuenta conuna caldera recuperadora para cada motor, ablandadores propios, undesgasificador y un estanque de purgas. Las calderas recuperadoras son

1El bar es una unidad de presin relativa a la presin ambiente (gage). Los manmetros (gages), miden presionesrelativas a la presin atmosfrica. 1 barg = 1 atmsfera estndar.


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acuotubulares, cuentan con economizador y un domo cada una, y producenvapor a 10 barg.

Cada motor cuenta con radiadores remotos para mantener y asegurar unatemperatura de operacin apropiada en el motor. El agua caliente(92 99C) del circuito de refrigeracin de alta temperatura del motor(Refrigeracin de chaquetas del motor) pasa por los intercambiadores decalor de placas del sistema de agua caliente de la planta de cogeneracin.Frecuentemente no es fcil utilizar el circuito de refrigeracin de bajatemperatura del enfriador del aire comprimido del turbo, debido a sus bajastemperaturas del orden de 50C.

La figura siguiente muestra un Lay-out de la planta de cogeneracin con laidentificacin de los principales equipos.

Figura N 1.10: Lay-out Planta de Cogeneracin de 4MW

DOMOCHIMENEASILENCIADOR

CALDERARECUPERADORA

BYPASSIC

MOTOR GN 1

SALA DEOPERACINY CONTROL

ESTANQUEDE PURGAS

TRAFO 2

TRAFO 1

RESPALDO

TRAFO MOTOR DIESELRESPALDO

SERVICIOSAUXILIARES

MOTOR GN 2

DESGASFICARDORABLANDADORES

17m

20m

25 m

DOMOCHIMENEASILENCIADOR

CALDERARECUPERADORA

BYPASSIC

MOTOR GN 1

SALA DEOPERACINY CONTROL

ESTANQUEDE PURGAS

TRAFO 2

TRAFO 1

RESPALDO

TRAFO MOTOR DIESELRESPALDO

SERVICIOSAUXILIARES

MOTOR GN 2

DESGASFICARDORABLANDADORES

17m

20m

25 m


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Los ablandadores, el desgasificador de agua blanda, el economizador y lacaldera recuperadora son los equipos que participan en la generacin devapor de la planta de cogeneracin.

Los ablandadores retienen parte de las sales disueltas en el agua dura, deforma que esta agua tratada (blanda), ms aditivos propios a este tipo deprocesos, no incrusten la caldera. El desgasificador extrae del agua blandalos gases disueltos en ella, principalmente CO2 y O2, los cuales puedencorroer los circuitos de conduccin de vapor y de retorno de vaporcondensado. Un estanque de purgas recibe las purgas de la calderadisminuyendo las sales remanentes en el agua interior de la caldera atravs de ciclos de purga del equipo; las sales precipitan al fondo y/o sesuspenden a la superficie del agua en la caldera, dependiendo del

tratamiento qumico del agua.

El economizador precalienta el agua de alimentacin de la calderaproveniente del desgasificador hasta una temperatura cercana a latemperatura de saturacin del vapor. En el domo se almacena el vapor quese produce en la caldera recuperadora; el vapor sale desde el domo hacialos consumos respectivos.

Los gases de escape de cada motor pasan por un silenciador antes deingresar a la caldera recuperadora. Entre estos elementos se instala unavlvula de regulacin y de bypass, la que permite desviar el flujo de gases

directamente a la chimenea, en el caso de que ocurra alguna eventualidaden la caldera recuperadora.

La figura siguiente corresponde a una vista de elevacin de la sala demotores y recinto de calderas con indicacin de los equipos principales.


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Figura N 1.11: Elevacin Planta de Cogeneracin de 4MW

Los ventiladores de la sala de motores inducen en ella una circulacin deaire, el cual sirve de enfriamiento de los generadores (acoplados a cada

motor) y para la combustin del gas natural en los cilindros de los motores.

Los paneles acsticos atenan el ruido que se genera por el ingreso de airea la sala de motores.

La figura siguiente corresponde a un diagrama de flujo del sistema deaprovechamiento del agua caliente del circuito de alta temperatura de losmotores de la planta de cogeneracin:


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Figura N 1.12: Sistema de Agua Caliente Planta de Cogeneracin de 4MW

El sistema de agua caliente consiste de un circuito cerrado, y es abastecidode calor por el agua de enfriamiento de los dos motores a travs de 2intercambiadores de calor instalados en serie (I/CN1 e I/C N2 de la

figura N 1.12). El sistema permite calentar el agua de reposicin de lascalderas recuperadoras o make-up (en este caso no hay retorno decondensado a las calderas, es decir se repone el 100%), y dos consumos deagua caliente de la industria.

En el caso de que el circuito de agua caliente no logre enfriar lo suficienteel agua de enfriamiento de los motores, sta es conducida a los radiadoresremotos para alcanzar la temperatura requerida por los motores. Estosradiadores se ubican en una loza en el cielo de la sala de motores (verfigura N1.11).

Respecto de la generacin elctrica, la planta de cogeneracin estdiseada para operar en paralelo a la red elctrica, inyectar excedentes a lared y para operar en isla. Los motores generan en 400 V y cuentan contransformadores 400 V/ 12 kV.

Se dispone de un motor Diesel de respaldo elctrico de 2MW en caso defalla de alguno de los motores a Gas Natural, el cual cuenta con su propiotransformador 400 V/ 12 kV.

Los consumos elctricos de la planta de cogeneracin son autoabastecidosa travs de un transformador de servicios auxiliares, el cual es alimentado


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de la barra de 12.000 V, ya sea por la energa elctrica que produce lacogeneracin, o por la red elctrica cuando la planta de cogeneracin estdetenida. (Ver Servicios Auxiliares en la figura siguiente). Lo anteriorindependiza estos consumos de la situacin de la red elctrica.

La figura que mostramos a continuacin muestra un diagrama tpico deconexin elctrica de la planta de cogeneracin con la industria y con eldistribuidor elctrico.

Figura N 1.13: Diagrama Unilineal Elctrico de la Planta de Cogeneracin de 4MW

R

52M

52GET1

52GET2

52GET3

S/E

Servicios

Auxiliares

M

M3 M2 M1

Diesel GN GN

INDUSTRIA

M

52Interruptores consensor

M Medidor

Transformadores

R Reconectador

Motores

400 V

Lnea Distribucin 12.000 V

12.000 V SIMBOLOGA

La red, la planta de cogeneracin y la industria (subestacin S/E), seconectan a travs de las celdas de media tensin de 12.000 V u otro voltajesimilar, dependiendo del voltaje de la red de media tensin de distribucinde la zona. (barra de la figura N 1.13).


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El medidor de energa elctrica de la planta de cogeneracin mide flujos decorriente en ambos sentidos, para los casos en que los servicios auxiliaresson alimentados desde la red elctrica.

En el caso de contarse con motores que generen el voltaje de distribucin(12.000), pueden eliminarse los transformadores.

Resulta muy importante el adecuado diseo de las protecciones yactuadores del circuito con la finalidad de :

Evitar inyeccin elctrica a la red cuando sta est cada o concorto circuito.

Proteger los motores frente a fluctuaciones inesperadas de la red:cambios de frecuencia o de voltajes.

Permitir la reconexin automtica de los motores luego de sudesconexin por perturbaciones en la red.

Partidas automticas del o de los motores de respaldo diesel encaso de falla de uno o de los dos motores.

Operar en isla si la perturbacin del sistema permanece.

b) Planta de Cogeneracin de 10 MW con dos Turbinas a Gas.

b.1.) Caractersticas de la Industria.

Existe un terreno disponible para la planta de cogeneracin a un costado deuna Industria que puede ser de tipo qumica, papel o similar trabajando 24horas/da.

La industria cuenta con una tarifa elctrica AT4.3. La tensin dealimentacin son 12 kV; el empalme elctrico tiene una capacidad de 12MW. Las cargas crticas de la planta suman un total de 5 MW, las que hayque respaldar ya sea con generadores diesel o con el sistema elctrico.

Los consumos actuales de gas natural lo constituyen dos (2) calderas queen total tienen una capacidad de produccin de vapor de 25 ton/h, saturadoa 15 barg, con una produccin promedio de 20 ton/h. La planta trmicacuenta con ablandadores y dos desgasificadores. El retorno de condensadoslo alcanza el 70%, como consecuencia de algunos consumos de vapordirecto.

b.2.) Proyecto de Cogeneracin

La planta de cogeneracin est diseada para abastecer en su totalidad losconsumos elctricos y de vapor de la industria, con excedentes elctricosque pudieran entregarse al sistema, utilizando la red de distribucin.


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Consta de una turbina a gas de 10 MW, y dos motores diesel de respaldoelctrico, de 5 MW y 2 MW, respectivamente.

La figura siguiente muestra un Lay-out de la planta de cogeneracin.

Figura N 1.14: Lay-out Planta de Cogeneracin de 10MW con dos Turbinas a Gas

A continuacin se acompaa una elevacin tpica de una planta con turbinaa gas.


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Fig. N 1.15: Elevacin de una Planta de Cogeneracin de 10 MW con Turbina a Gas

Las turbinas se instalan en un edificio insonorizado (sala de turbinas). Lasala de operacin y control de la planta de cogeneracin se ubica alcostado de la sala de turbinas.

El sistema de produccin de vapor de la planta de cogeneracin cuenta conuna caldera recuperadora, ablandadores propios, un desgasificador yestanque de purgas. La caldera recuperadora es acuotubular, cuenta coneconomizador y un domo y produce vapor a 15 barg.

Los gases de escape de cada turbina pasan por un silenciador antes deingresar a la caldera recuperadora. Entre estos elementos se instala unavlvula que permite desviar el flujo de gases directamente a la chimenea, afin de regular la produccin y presin del vapor. En el caso de que serequiera hacer mantencin en la caldera recuperadora, esta vlvula permiteadems by pasear los gases de combustin al exterior.

Respecto de la generacin elctrica, la planta de cogeneracin estdiseada para operar en paralelo a la red de distribucin inyectando losexcedentes a la red o para operar en isla ante una cada del distribuidor.


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Las turbinas generan en 12 kV. Los motores Diesel de respaldo elctricocuentan con transformadores de 400 V/ 12 kV.

Los consumos elctricos de la planta de cogeneracin son autoabastecidosa travs de un transformador de servicios auxiliares, lo cual independizaestos consumos de la red elctrica.

Las conexiones elctricas de una planta con turbinas son similares a laindicada para el caso de motores, por lo cual nos referimos a la Figura N1.13.

1.3. Descripcin Tcnica e Inversiones para Siete (7)Proyectos de Cogeneracin

A continuacin se describen 7 proyectos de cogeneracin de distintos tamaosusando motores de combustin interna y turbinas a gas natural, indicando losequipos usados y sus capacidades de generacin de energa (potencia, vapor, aguacaliente) e inversiones.

En los cuadros siguientes se presentan las capacidades de generacin de energade las plantas de cogeneracin a describir. Se han escogidos motores y turbinas agas de una misma marca para hacer comparaciones bajo una misma base. Losmotores listados son marca Caterpillar, mientras las turbinas son marca Solar,ambas de origen norteamericano.

Cuadro N 1.1: Capacidades de Generacin de Energa de las Plantas de Cogeneracin conMotores

Item UnidadCAT

G3508 LECAT

G3516B LECAT

G3520C2 CAT

G3520C

Potencia Elctrica (500 m y 15C) kWe 480 1.085 1.950 3.900

Voltaje de Generacin Volts 400 12.000 12.000 12.000

Produccin de vapor (sat.a 10 barg) kg/h - 1.077 1.500 3.000

Produccin max. de agua caliente m3/h 30 7 11 23

T1 T2 agua caliente C 15 65 15 90 15 90 15 90

La planta de 480 kWe no produce vapor, slo agua caliente para su uso ensistemas calefaccin y agua sanitaria, adems de electricidad. Las plantasde 1MW, 2MW y 4MW producen calor en forma de vapor y agua calientepara uso industrial.

Las plantas con turbinas de gas producen slo electricidad y vapor.


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Cuadro N 1.2: Capacidades de Generacin de Energa de las Plantas deCogeneracin con Turbinas

Item UnidadSOLAR

TAURUS 602 SOLAR

TAURUS 602 SOLARMARS 100

Potencia elctrica kWe 5.376 10.752 20.878

Voltaje de Generacin a 50Hz (standard) Volts 11.000 11.000 11.000

Produccin de vapor (sat.a 10 barg) ton/h 13,0 26,0 48,0

En los cuadros siguientes, se presentan las inversiones requeridas para las

plantas de cogeneracin.

Cuadro N 1.3: Inversiones Plantas de Cogeneracin con Motor

EQUIPOCAT

G3508 LECAT

G3516B LECAT

G3520C2 CATG3520C

Potencia Elctrica 480 kW 1.085 kW 1.950 kW 3.900 kW

INVERSIONES US$ US$ US$ US$

Grupo Motor-Generador (con o sininsonorizacin)*

262.122 424.300 605.950 1.182.500

Sistema de Generacin de Vapor 0 175.000 225.510 389.425Sistema de agua caliente: IC placas,piping y bombas

45.000 15.000 25.000 47.000

Sistema elctrico de transferencia,control y sincronismo

50.000 100.000 215.700 250.000

Instalacin suministros mecnicos yelctricos

26.780 41.000 50.000 163.000

Obras civiles ingeniera y administ. 50.000 70.000 200.000 259.000

Total Instalado 433.902 825.300 1.322.160 2.290.925

Costo Unitario (US$/kW) 902 760 678 587* Los equipos con insonorizacin no incluyen obras civiles en las inversiones

Los motores CAT G3508 LE y CAT G3516B LE estn provistos de uncontainer insonorizado y no requieren obras civiles mayores, sino slo susfundaciones, las cuales estn incluidas en el tem de instalacin Por ser demenor tamao se supone que pueden ubicarse en zonas techadas, inclusoen las mismas salas de calderas. Los motores de las plantas 2MW y 4MWson montados en edificios insonorizados de construccin slida, cuyocosto est incluido en el tem obras civiles. Las calderas de recuperacin


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para la generacin de vapor quedan expuestas al ambiente montadas enuna fundacin apropiada.

Cuadro N 1.4: Inversiones Plantas de Cogeneracin con Turbinas

EQUIPOSOLAR

TAURUS 602 SOLAR

TAURUS 602 SOLARMARS 100

Potencia Elctrica

5.376 kW 10.752 kW 20.878 kW

INVERSIONES US$ US$ US$

Grupo Turbina-Generador insonorizados 2.313.000 4.456.000 9.390.958

Sistema de Generacin de Vapor 575.000 1.039.200 1.474.400

Compresor de gas 227.700 387.100 575.016

Sistema elctrico de transferencia, controly sincronismo

175.400 316.200 340.276

Instalacin suministros mecnicos yelctricos

290.000 520.000 1.100.000

Obras civiles en ingeniera y administrac. 300.000 480.000 950.000

Total Instalado 3.881.100 7.198.500 13.830.650

Costo Unitario (US$/kW) 722 670 662

Las obras civiles de las turbinas corresponden a las fundaciones que serequieren para los equipos.

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