Instalación térmica.

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

1- EL TRABAJO DE INGENIERÍA

2- LA INSTALACIÓN

3- OBJETIVOS DEL INFORME

4- LA INSTALACIÓN

        4.1- CICLO DE CABECERA

        4.2- CICLO INFERIOR

5- CONDICIONES E HIPÓTESIS GENERALES        

LA INSTALACIÓN

1- ESQUEMA GENERAL

2- ANÁLISIS

2.1- CICLO DE CABECERA        

        2.1.1- COMPRESOR        

        2.1.2- COMBUSTOR

                   2.1.2.1- CALCULO EMISIONES CO2

        2.1.3- TURBINA DE GAS

        2.1.4- TRABAJO TOTAL GENERADO EN CICLO DE CABECERA.

2.2- CICLO INFERIOR

        2.2.1- TURBINA DE VAPOR

        2.2.2- DEPÓSITO

        2.2.3- TRABAJO TOTAL GENERADO EN CICLO INFERIOR

2.3- INTERCAMBIADOR DE CALOR

2.4- BALANCE DE POTENCIA

2.5- BALANCES ENERGÉTICOS

3- CONCLUSIONES

4- BIBLIOGRAFÍA

INTRODUCCIÓN

1- EL TRABAJO DE INGENIERÍA

 Un equipo de ingenieros en prácticas de una empresa multinacional trabaja en el Departamento de Ingeniería de Planta. La empresa utiliza vapor de agua a media y baja presión para su proceso de producción y se plantea una remodelación energética con el objetivo de obtener este vapor de agua y, simultáneamente, una producción de energía eléctrica, para mejorar la eficiencia energética de la empresa. Se pretende estudiar la influencia de varios de sus parámetros (presión, temperatura, rendimiento de las máquinas) sobre el rendimiento energético y el impacto ambiental (en términos de CO2 emitido). El equipo debe presentar a la Dirección de la empresa un informe de los posibles comportamientos de la instalación energética en función de sus límites de funcionamiento y de las variables que se pueden modificar.

2- LA INSTALACIÓN:

La empresa utiliza vapor de agua a dos presiones, PMs y PBs en su proceso productivo. Para ello proyecta instalar una turbina adiabática de vapor que admita vapor a 30 bar y 400ºC para obtener potencia durante la expansión del vapor. El rendimiento isentrópico de la turbina de vapor es de 0,93. La turbina consta de una extracción intermedia de vapor que extrae el 25% del caudal másico circulante (en kg/s) a la presión intermedia PMs, para su utilización en el proceso de producción. Esta presión intermedia PMs es variable y puede estar comprendida entre 3 y 8 bar. El 75% restante del vapor continúa su expansión en la turbina hasta la mencionada presión de salida PBs. El vapor de salida de la turbina a la presión PBs se introduce en un depósito, donde se separa la fase líquida de la fase de vapor. Este vapor saturado a la baja presión PBs es el que se utiliza en el proceso de producción.

El vapor a la entrada de la turbina se obtendrá a partir de agua líquida, y se vaporizará en un intercambiador de calor mediante la aportación de calor de los gases calientes de escape de un conjunto compresor/combustor/turbina denominado ciclo de cabecera de turbina de gas.

Este ciclo de cabecera admite aire ambiental a 25ºC y 1 bar en un compresor adiabático de dos etapas con refrigeración intermedia. Los rendimientos isentrópicos de los dos compresores son de 0,85. La presión final de descarga del compresor es un factor de diseño y se desean considerar varios casos comprendidos entre 15 y 20 bar. Tras la compresión, el aire comprimido se lleva a un combustor o cámara de combustión donde se quema gas natural para incrementar la energía de la corriente de gases. El rendimiento de esta cámara de combustión es del 95%. Los gases de combustión calientes obtenidos (modelizados como aire) se expanden en una turbina adiabática de gas hasta la presión de descarga de 1 bar, obteniendo una cantidad adicional de potencia durante esta expansión. El rendimiento isentrópico de la turbina de gas puede variar entre 0,85 y 0,95.

Estos gases calientes de la turbina son los que se van a aprovechar para aportar calor al agua y vaporizarla en un intercambiador de calor. Como recomendación de diseño, la temperatura de salida de los gases de este intercambiador será prácticamente igual a la temperatura de saturación del vapor en el intercambiador.

Se desea que la potencia generada por las dos turbinas conjuntamente sea de 30 MW y que el rendimiento térmico sea al menos de 0,50.

 Algunos límites. la seguridad

El conjunto compresor/combustor/turbina denominado ciclo de cabecera de turbina de gas, ha de operar a unas temperaturas que estén por debajo de las temperaturas límite de resistencia estructural de los materiales empleados en su construcción. Esta temperatura límite se estima en 1100ºC.

El contenido del informe

Primer nivel de exigencia del informe (imprescindible)

1. Para las condiciones estacionarias de presión y temperatura asignadas a cada equipo, evaluar la influencia de la variación de la presión de la extracción intermedia de vapor, del rendimiento isentrópico de la turbina de gas y de la presión de descarga del compresor sobre el consumo/producción de energía (electricidad, combustible) y emisiones de CO2 de la instalación. Completar los balances de energía de todos los dispositivos.

Segundo nivel de exigencia del informe (adicional)

2. Dimensionar térmicamente (longitud, diámetros de tubos, etc.) el intercambiador de calor empleado en la generación de vapor de agua.

3- OBJETIVOS DEL INFORME

Imprescindibles

1. Optimizar un sistema energético que produce energía a través de una turbina de vapor.
2. Evaluar la influencia de la variación de la presión de la extracción intermedia de vapor en el conjunto.
3. Realizar e interpretar los balances de energía de todos los elementos del sistema.
4. Evaluar la influencia del rendimiento isentrópico de la turbina de gas y de la presión de descarga del compresor sobre el consumo y la producción de energía y emisiones de CO2 de la instalación.
5. Acondicionar la instalación, cumpliendo con los límites de seguridad para que la potencia generada por las dos turbinas sea de 30MW.

Adicional

1. Dimensionar térmicamente el intercambiador de calor que genera el vapor de agua.

4- INSTALACIÓN

Se trata de una instalación de generación de energía a partir  de dos ciclos combinados: Un ciclo de cabecera de turbina de gas, y otro ciclo inferior de turbina de vapor.

Primeramente produciremos energía térmica que más tarde se empleará para la obtención de energía eléctrica. Por tanto el rendimiento energético de ambos ciclos juntos será mayor que si funcionasen por separado.

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