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DISEÑO DE UNA PLANTA DE CICLO COMBINADO CON COGENERACION PARA YURIMAGUAS PROYECTADA

PARA EL AÑO 2034

CENTRAL TERMICA DE CICLO COMBINADO

Las plantas de ciclo combinado pueden ser de gas natural, fuel, o mixtas, aunque se prefiere el gas, porque es más limpio, no contiene azufre y produce menos CO2 para la misma energía producida.

Un Ciclo Combinado es la infraestructura de generación de energía. Consiste en un grupo Turbina de Gas Generador, una caldera de recuperación de calor y un grupo Turbina a Vapor. Generador, formando un sistema que permite producir electricidad.

La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo único y mucho mayores a las de una de turbina de vapor

CICLO COMBINADO CON COGENERACIONPágina 1

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FUNCIONAMIENTO DE UNA PANTA DE CICLO COMBINADO

El proceso de generación de energía eléctrica en una planta de Ciclo Combinado comienza con la aspiración de aire desde el exterior siendo conducido al compresor de la Turbina de Gas a través de un filtro.El aire es comprimido y combinado con el combustible (gas natural) en una cámara donde se realiza la combustión. El resultado es un flujo de gases calientes que al expandirse hacen girar la Turbina de Gas proporcionando trabajo. Un Generador acoplado a la Turbina de Gas transforma este trabajo en energía eléctrica.Los gases de escape que salen de la Turbina de Gas pasan a la caldera de recuperación de Calor. En esta caldera se extrae la mayor parte del calor aún disponible en los gases de escape produciendo vapor de agua a presión para la turbina de vapor. Finalmente los gases se devuelven a la atmósfera después de haber pasado por la chimenea.

El vapor que sale de la Turbina de Vapor, pasa a un condensador donde se transforma en agua. Este condensador es refrigerado mediante aire o agua, el aire circula por la superficie del condensador, lo que ocasiona la disipación del calor latente contenido en el vapor a la atmósfera.Posteriormente el agua es bombeada a alta presión hasta la Caldera de Recuperación para iniciar nuevamente el ciclo.La eficiencia de estas centrales ha mejorado sensiblemente frente a sus predecesoras: Una térmica convencional difícilmente supera un 30% de rendimiento, mientras que las de ciclo combinado pueden alcanzar el 55%..Gracias a esa eficiencia, las compañías eléctricas pueden recuperar antes el capital invertido en su construcción, por lo que suponen un buen negocio. Además, como permiten la utilización del gas natural como combustible, evitan así la dependencia exclusiva del petróleo. Por ello, el ritmo de instalación de estas instalaciones se ha disparado en los últimos años..

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Un ciclo combinado es característico de una energía produciendo el motor o la planta que emplean más de uno ciclo termodinámico. Los motores de calor pueden solamente utilizar una porción de la energía que su combustible genera (generalmente menos el de 50%). El calor restante de la combustión se pierde generalmente. Combinar dos o más “completa un ciclo” por ejemplo Ciclo de Brayton y Ciclo de Rankine resultados en eficacia total mejorada.

Componentes:

El equipamiento principal que incluyen las plantas de ciclo combinado es el siguiente:

Una o más Turbinas de Gas, que proporcionan 2/3 de la potencia total de la planta.

Una o más Turbinas de Vapor, que proporcionan 1/3 de la potencia total de la planta.

Una o más Calderas de Recuperación de calor. Este equipo genera vapor de agua aprovechando la energía disponible en los gases de escape de la Turbina de Gas, el cual se expansiona en la Turbina de Vapor. En este tipo de instalaciones se dispone de una caldera de Recuperación por cada Turbina de Gas.

Estación medidora y reductora de la presión del gas natural. Sistema de control basado en microprocesadores para la central. Sistema de refrigeración cuyo fin último es condensar el vapor

expansionado en la Turbina de Vapor de forma que el agua condensada pueda ser alimentada de nuevo en la Caldera de Recuperación.

Eficacia de las plantas de CCGT

Combinando ciclos del gas y del vapor, las altas temperaturas de la entrada y las temperaturas bajas de la salida pueden ser alcanzadas. La eficacia de los ciclos agrega, porque son accionados por la misma fuente del combustible. Así pues, una planta combinada del ciclo tiene un ciclo termodinámico que funcione entre la alta temperatura de la leña de la turbina de gas y calor inútil temperatura de los condensares del ciclo del vapor. Esta gama grande significa que Eficacia de Carnot del ciclo es alto. La eficacia real, mientras que es más bajo que esto sigue siendo más alto que el de cualquier planta en sus el propios.

La eficacia termal de una central eléctrica combinada del ciclo es la salida de energía neta de la planta dividida por el valor calorífico del combustible. Si la planta produce solamente electricidad, las eficacias de hasta 60% pueden ser alcanzadas. En el caso de calor y energía combinados la generación, la eficacia total puede aumentar hasta el 85%.

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INCONVENIENTES PARA EL MEDIO AMBIENTE

Frente a la expansión de este tipo de centrales, los grupos ecologistas destacan que las emisiones contaminantes también crecen con ellas, en especial, el dióxido de carbono (CO2), que contribuyen al efecto invernadero, y los óxidos de nitrógeno (NOx) que generan lluvias ácidas.Asimismo, recuerdan, estas centrales suelen ubicarse en las riberas de los ríos, para disponer de agua de refrigeración, y en zonas naturales poco pobladas, donde los terrenos son más baratos. Las consecuencias negativas por ello son diversas. Por un lado, además del consumo de agua en sí, elevan la temperatura del agua y el aire cercanos y cambiando así las condiciones naturales del entorno. Por otro lado, el emplazamiento en terrenos naturales impide el desarrollo de prácticas agrícolas, ganaderas o de turismo rural.Algunos expertos consideran a estas centrales un mal menor que durará como mínimo unos 30 años, una especie de periodo de transición hacia la utilización de energías renovables mucho más limpias y desarrolladas que en la actualidad y que puedan suministrar mayor cantidad de energía. Sin embargo, los ecologistas consideran que el impulso de las energías renovables debería comenzarse desde ya, evitando asimismo el derroche energético de la actualidad.

RECURSOS APROVECHABLES DE LAS REGIONES

RECURSOS DE LA REGION LORETO

En Loreto se extrae más del 60% de la producción de petróleo del país. Además, tiene aserraderos, fábricas de laminado de maderas, papel y productos derivados (como jebe y aceites). Por otra parte, los recursos más notables de la región son arroz, yuca, madera, frutales, caucho, palmito y ganado cebú. En la zona baja se encuentran caña brava, sauce, palmera, palo de balsa, y palo rosa; en la zona media oro, cuarzo, sal, carbón de piedra, caoba, cedro, castaña, cascarilla, caucho, canela, gutapercha, palo santo, etc.; en la zona alta, cedro, roble, alcanfor, nogal marfil vegetal y matapalo. En sus ríos abundan peces como el paiche, la gamitana y el boquichico.

RECURSOS DE LA REGION SAN MARTIN

Su principal cultivo es la palma aceitera (91% del total del Perú). Ocupa el primer lugar en la producción de arroz y tercero en yuca. Se cultiva también tabaco para uso industrial, maíz amarillo duro, café, algodón, tubérculos, cereales y frutales como la naranja, coco y plátanos. La coca se siembra en Tocache y Uchiza. Recientemente se ha extendido el cultivo de sacha inchi (especie de maní), y se ha incrementado la cantidad de producción de frutales y tubérculos. La producción de vegetales tropicales es también considerable, especialmente en los Valles del Alto Mayo, y del Cumbaza.

Se cría principalmente ganado vacuno y porcino, existen numerosas zonas ganaderas de importancia (Soritor-Calzada y de los Valles del Ponaza y el Biavo entre las más destacadas). Existen centros avícolas numerosos, que han

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tenido en los últimos años un aumento de caracter explosivo. En su suelo se encuentran petróleo, carbón, yeso, oro, plata, piedra ornamental (-piedra laja- especialmente en el Alto Mayo y en Saposoa) y sal. Destaca su industria maderera con grandes aserraderos y fábricas de aceite de semilla de algodón y de palma aceitera, destilerías (famosas por sus vinos y tragos regionales), así como una pequeña industria de aguardiente y otra de confección de sombreros de paja toquilla (Rioja). Hay piladoras de arroz, fábricas de gaseosas, materiales de aseo y néctares. Existen muchas fábricas de ladrillos, materiales de construcción y una de producción de cemento. En Las ciudad de Moyobamba existen numerosos productores de prendas de vestir, productos lácteos, y frutas envasadas, mientras que en Tarapoto se ubica sobre todo el envasado de palmito, y una característica artesanal única en elaboración de cigarrillos, embutidos, y chocolates.

Los dos principales ejes comerciales son Tarapoto y Moyobamba, a pesar de esto, San Martín es la primera región del Perú en establecer un programa de descentralización que alcance a las demás provincias de la región. En Tarapoto, se encuentra el aeropuerto más importante de la Región; Moyobamba se está convirtiendo en un punto de eje de comunicaciones, debido a numerosos proyectos de construcción de carreteras que la comunicarán directamente con las regiones Amazonas y Loreto, sirviendo de puente comercial entre los Andes y la Selva Baja, además en las cercanías se ubica la Central Hidroeléctrica del Gera, en plena expansión. Hay otras también de menor importancia en Saposoa y Sisa, y un ultimo logro, la interconeccion al Sistema Interconectado Eléctrico Nacional logrado a finales del 2010. Juanjuí, también se viene desarrollando como un eje de comunicaciones y en el futuro servirá de puente entre la Selva Baja de Loreto, y el Brasil con los Andes y la Costa. Las ciudades de Nueva Cajamarca y Rioja, tienen un rápido desarrollo urbano y son importantes centros de producción de café, cacao hortalizas y arroz, los principales productos de exportación de la Región.

RECURSOS DE HUANUCO

Tiene un gran potencial agrícola por su variedad climática y diversos pisos ecológicos. Existen grandes áreas cafetaleras, té y maderas finas. Además, los agricultores cultivan papa, maíz amiláceo, maíz amarillo, plátano, naranja, yuca y trigo. Tiene abundantes áreas de pastos naturales. Sus bosques, en la región de la selva baja, constituyen una gran reserva forestal de especies maderables, flora y fauna, que deben ser explotadas racionalmente.

Se cría ganado porcino y ovino en cantidades importantes. La coca es un cultivo extendido en los valles tropicales de esta región. La minería se basa en la extracción de plata, zinc, plomo y cobre. Cuenta con la central térmica de Tingo María, con una capacidad de generación de 140 Megawatts.

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DATOS TECNICOS DEL PETROLEO RESIDUAL 6

De acuerdo a la Norma Técnica Peruana (NTP 321.002:2001 PETROLEOS Y DERIVADOS. Petróleos Industriales) se aplica a los grados industriales para uso en los diversos tipos de combustión que lo requieran, bajo condiciones de clima y operación. Estos grados se describen a continuación en orden creciente de viscosidad:

- Petróleo industrial nº 4- Petróleo industrial nº 5- Petróleo industrial nº 6- Petróleo industrial 500

Definición:

Petróleo industrial nº 6: de acuerdo a la NTP es un combustible residual de alta viscosidad y de alto rango de ebullición, utilizado en quemadores industriales. Normalmente requieren precalentamiento para su manipuleo, almacenamiento y atomización apropiada. También se le conoce como BUNKER C.

Propiedades físicas y químicas

Aspecto: liquido oleoso y viscoso

Color: negro

Olor: característico del petróleo

Ensayos Típico EspecificaciónMín. Máx.

Densidad(g/cm3) a 15.6 °C 0.970  Auto inflamabilidad, ºC 408  Punto de inflamación, ºC 75   65.5  Carbón Conradson,% de Masa 14.6   Azufre total % de Masa 1.61   3.5Viscosidad, CST a 50 °C 624 92  638Punto de Fluidez, ºC +12Agua y sedimentos % v 0.05   2.0Cenizas, % M 0.053  Poder Calorífico, Btu/GalPoder Calorífico Neto, Btu/gal

151,000142,800

 

Temperatura de almacenamiento, °C   70Temperatura de Bombeo, °C 50  Densidad de vapor: (aire =1) 3.4

CALCULO DEL INDICE DE CRECIMIENTO POBLACIONAL PROMEDIO

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DEPARTAMENTO HUÁNUCO

Año

Tasa de crecimiento poblacional anual(x1000)

2011 8,42012 8,212013 8,012014 7,82015 7,592016 7,382017 7,162018 6,932019 6,692020 6,452021 6,192022 5,922023 5,632024 5,32

2025 5Tasa de crecimiento

poblacional Media(x1000)

6,85

2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 20260

1

2

3

4

5

6

7

8

9

f(x) = − 0.239607142857143 x + 490.372547619048R² = 0.994215385600415

Tasa de crecimiento Poblacional VS Año

Año

Tasa

de

crei

cimie

nto

pobl

acio

nal (

x100

0)

DEPARTAMENTO LORETO

CICLO COMBINADO CON COGENERACIONPágina 7

*Datos sacados del INEI

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2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 20260

2

4

6

8

10

12

14

f(x) = − 0.383392857142857 x + 782.845452380952R² = 0.999103025596638

Tasa de crecimiento Poblacional VS Año

Año

Tasa

de

crei

cimie

nto

pobl

acio

nal (

x100

0)

DEPARTAMENTO SAN MARTIN

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*Datos sacados del INEI

Año

Tasa de crecimiento poblacional anual(x1000)

2011 11,942012 11,512013 11,092014 10,682015 10,282016 9,882017 9,492018 9,12019 8,722020 8,352021 7,992022 7,622023 7,262024 6,912025 6,56

Tasa de crecimiento poblacional

Media(x1000)9,16

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Año

Tasa de crecimiento poblacional anual(x1000)

2011 14,672012 14,442013 14,192014 13,922015 13,642016 13,352017 13,052018 12,762019 12,462020 12,162021 11,852022 11,552023 11,242024 10,93

2025 10,63Tasa de crecimiento

poblacional Media(x1000)

12,72

2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 20260

2

4

6

8

10

12

14

16

f(x) = − 0.292535714285714 x + 603.059738095238R² = 0.999020517624677

Tasa de crecimiento Poblacional VS Año

Año

Tasa

de

crei

cimie

nto

pobl

acio

nal (

x100

0)

El índice de crecimiento poblacional promedio de las tres regiones vendría ser:

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*Datos sacados del INEI

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i prom=iHuanuco+iLoreto+iSanMartin

3=6.85+9.16+12.72

3=9.576

Por lo tanto el crecimiento poblacional promedio en % seria:

i prom=9.576

10=0.9576 %

CALCULO DE LA POTENCIA EFECTIVA POR REGION

Indicadores del Subsector Eléctrico (Estadísticas eléctricas 2009)

Poblacional habitantes

Consumo de energía eléctrica

GW.h

Consumo de energía eléctrica Per

cápita KW.h/hab.

Huánuco 819 578 138,93 169,5Loreto 970 918 881,38 907,8San Martín 771 021 163,49 212

Pactual=E total

haño

Potencia Instalada (MW)

Mercado Eléctrico Uso propio Total por origen

Región Hidráulica

Térmica

Total Hidráulica

Térmica

Total Hidráulica

Térmica

Huánuco 0,33 0,1 0,43 4,3 11,94 16,24

4,63 12,04

Loreto 69,03 69,03

295,9 295,9

364,9

San Martín

9,33 39,39 48,72

2 2 9,33 41,39

Región Total por Región

Huánuco 16,67Loreto 364,94San Martín

50,72

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Potencia efectiva (MW)

Mercado Eléctrico Uso propio Total por origenRegión Hidráulic

aTérmica

Total Hidráulica

Térmica

Total Hidráulica

Térmica

Huánuco

0,33 0,1 0,43 4,3 1,52 5,82 4,63 1,62

Loreto 57,18 57,18

247,88 247,88

305,06

San Martín

8,83 30,33 39,16

8,83 30,33

Región Total por RegiónHuánuco 6,25Loreto 305,06San Martín 39,16

CALCULO DE LA POTENCIA FUTURA

Pproy .=Pactual(1+i)n

Donde:i=indice anualde crecimienton=años proyectados

Año

Potencia necesaria (MW)-Huánuco

Potencia necesaria

(MW)-Loreto

Potencia necesaria (MW)-San

Martin

Potencia necesaria en n años

(MW)

Potencia que debería

instalarse en n años(MW)

2032 7,31 376,24 52,37 435,93 3,602033 7,36 379,69 53,04 440,09 7,762034 7,41 383,17 53,71 444,29 11,962035 7,46 386,67 54,40 448,53 16,202036 7,51 390,22 55,09 452,82 20,492037 7,57 393,79 55,79 457,15 24,822038 7,62 397,40 56,50 461,51 29,182039 7,67 401,04 57,22 465,93 33,602040 7,72 404,71 57,94 470,38 38,052041 7,78 408,42 58,68 474,88 42,552042 7,83 412,16 59,43 479,42 47,092043 7,88 415,94 60,18 484,00 51,672044 7,94 419,75 60,95 488,63 56,302045 7,99 423,59 61,72 493,31 60,98

CICLO COMBINADO CON COGENERACIONPágina 11

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2046 8,05 427,47 62,51 498,03 65,702047 8,10 431,39 63,31 502,79 70,462048 8,16 435,34 64,11 507,60 75,272049 8,21 439,33 64,93 512,46 80,13

2030 2032 2034 2036 2038 2040 2042 2044 2046 2048 20500.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

Potencia que deberia instalarse VS año (MW)

CONCLUSION

De la grafica y para tiempo de duración de la central de 25 años La capacidad instalada de la central a diseñar debe ser 12MW

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UBICACIÓN DE LA PLANTA

Datos climáticos históricos de Yurimaguas con medias anuales

Los datos fueron reportados por la estación meteorológica: 844250 (SPMS)

Latitud: -5.9 | Longitud: -76.08 | Altitud: 179 m.s.n.m

TEMPERATURA AMBIENTAL PROMEDIO ANUAL (OC)

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Año Temp. Promedio anual ºc

1991 27,71992 27,41993 28,21994 27,31995 26,71996 27,21997 27,61998 301999 26,72000 27,62001 29,52002 27,42003 26,22004 31,22005 29,22006 27,52007 28,22008 28,32009 27,62010 28

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19911992

19931994

19951996

19971998

19992000

20012002

20032004

20052006

20072008

20092010

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

f(x) = 0.0445864661654136 x + 27.5068421052632R² = 0.0482874156443983

temp. ºC

Temperatura ambiental promedio anual para el 2035(oC): Tamb = 29.5 oC

PRESION ADMOSFERICA MEDIA ANUAL (mbar)

AÑO PRESION1985 993,41986 993,51987 993,21988 995,31989 993,61990 993,71991 995,31992 9931993 9941994 994,1

1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994991.5

992

992.5

993

993.5

994

994.5

995

995.5

f(x) = 0.0539393939393952 x + 993.613333333334

año

pres

ion

med

ia a

nual

(mba

r)

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Presión atmosférica media anual para el 2035(oC): Patm = 994.0 mbar

ESQUEMA DE LA PLANTA DE CICLO COMBINADO CON COGENERACION

(dibujo)

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CALCULO DE LA PLANTA:

Datos de entrada:

Combustible: Petroleo Residual 6 Potencia futura a instalar: 12 MWatt Vapor sobrecalentado Presión de trabajo : 300 bar

CALCULOS EN LA PARTE DE CICLO JOULE-BRAYTON

Turb. Gas

Comp.

Camara de Combustion

GeneradorElectrico

Ciclo Simple

Aire Escape

Gas

Diagrama de los ciclos termodinámicos

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DATOS INICIALES CANTIDAD

Altitud (msnm) 179

Presión Atmosférica (kPa) 99.4

Temperatura (K) 302.5

Humedad Relativa (%) ***

Potencia nominal de la planta (MW) 12

Combustible Petroleo Residual 6

Poder Calorífico del Petroleo Residual 6 (BTU/gal) 151000

Densidad del Petroleo Residual 6 (g/cm3) 0.97

Poder Calorífico del Petroleo Residual 6 (kJ/kg) 41385

Rel. aire/comb estequiometrica (rA /C ) =20%

18

Relación aire combustible para el ciclo =100% 40

Exceso de aire % (ex) 7.4

Eficiencia combustión (ηCOMB )

0.91

Eficiencia mecánica

(turbina: ηT , compresor: ηC )

0.95

Eficiencia generador: ηGEN 0.96

COMPRESOR (proceso 1 – 2)

P2

P3

=π ,¿¿

P2 = 1391.6 kPa

T2 i

T1

=( P2

P1)k−1k =π

k−1k

T2i = 643 K

Como: S > 0, ηC=

T 2i−T1

T 2−T1 , resulta: T2=

T2 i−T 1

ηC+T1

T2 = 661 K

Además: h2 = 663.31 kJ/kg (T2 = 661 K y P2 = 1391.6 kPa)

CICLO COMBINADO CON COGENERACIONPágina 17

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CÁMARA DE COMBUSTIÓN (proceso 2 – 3)

mCOM*PCAL*ηCOMB+mA*h2 = (mA+mC).h3, mA/mC = rA/C = 40

h3 = 934.7 kJ/kg

Además: T3 = 931.46 K (h3 = 934.7 kj/kg y P3 = P2 = 1391.6 kPa)

TURBINA (Proceso 3 – 4)

T 4i

T 3

=( P4

P3)k−1k =(1/ π )

k−1k

T4i = 439.7 K

T =

T3−T 4

T3−T 4 i

T4= 464.28 K

P4

P3

=1/π

P4 = 99.4 kPa

TRABAJOS Y CALORES (por unidad de masa)

h1 = 303.56 kJ/kg (T1 = 288 K y P1 = 77.1 kPa)

WCOM = h2 – h1

WCOM = 468.8 kJ/kg aire

h3 = 657.94 kJ/kg (T3 = 648.1 K y P3 = 1079.4 kPa)

WT = h3 – h4

WT = 568.39 kJ/kg gas

Q2-3 = h3 – h2

Q2-3 = 271.39 kJ/kg aire

MASAS: AIRE, COMBUSTIBLE Y GASES

CICLO COMBINADO CON COGENERACIONPágina 18

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mA≡

Pot×1000ηGEN×ηMEC

WT x (1+ 1rA /C )−W C

mA = 77.1 Kg/s

rA/C = mA/mC = 40

mC = 1.88 Kg/s

mG = mA + mC

mG = 77 Kg/s

TRABAJOS Y CALORES REQUERIDOS

WCOM = 35216 kW

WT = 43766 kW

Q2-3 = 20897 kW

TRABAJO NETO

WNETO = WT - WCOM

WNETO = 22869 kW

EFICIENCIA DEL CICLO

ηCICLO = WNETO / Q2-3

ηCICLO= *** %

POTENCIA ELÉCTRICA GENERADA

PELECT = WNETO x ηGEN

PELECT = 45.7 MW

EFICIENCIA DE LA PLANTA

ηPLANTA= PELECT / mC*PCAL

ηPLANTA = 31.14 %

CICLO COMBINADO CON COGENERACIONPágina 19

UNI-FIM FUERZA MOTRIZ TERMICA

CICLO COMBINADO CON COGENERACIONPágina 20