PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA

ASPECTOS TCNICO ECONMICOS PARA

EVALUACIN DE PROYECTOS DE COGENERACIN EN BASE A

GRUPOS GENERADORES DIESEL

LEONARDO GIANGRANDI V.

Memoria para optar al ttulo de Ingeniero Civil Electricista

Profesor Supervisor: HUGH RUDNICK VAN DE WYNGARD

Santiago de Chile, 2011

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA Departamento de Ingeniera Elctrica

ASPECTOS TCNICO ECONMICOS PARA EVALUACIN DE PROYECTOS

DE COGENERACIN EN BASE A GRUPOS GENERADORES DIESEL

LEONARDO GIANGRANDI V.

Memoria presentada a la Comisin integrada por los profesores:

HUGH RUDNICK VAN DE WYNGARD

RODRIGO ESCOBAR MORAGAS

RODRIGO GONZALEZ GONZALEZ

Para completar las exigencias del ttulo de Ingeniero Civil Electricista

Santiago de Chile, 2011

ii

A mis Padres, hermanos y mi propia familia.

Por ser la razn de vivir.

iii

AGRADECIMIENTOS

Este largo proceso de titulacin iniciado hacia fines de los 80, se ha sostenido en la perseverancia y ejemplo especial de mi padre, en la voluntad y compaa de mi mujer, en la comprensin y entusiasmo de mis seis hijos, y en la gua profesional y personal de mis profesores Rodrigo Gonzlez y Hugh Rudnick.

Agradezco el slido apoyo de profesionales de distintos rubros, cuya colaboracin ha significado agregar valiosos antecedentes respecto de tecnologas, mercados y la experiencia prctica, lo cual ha enriquecido el contenido de este trabajo.

Indispensable tambin ha sido el camino natural de la vida, que me ha llevado a vivir valiosas experiencias de ingeniera desde la juventud, pasando desde el escritorio al terreno mismo, con ms de 10 aos en proyectos elctricos, comprendiendo inequvocamente, que trabajando con seres humanos simples y sencillos que a diario contribuyen a la construccin de grandes proyectos, agregando un poco de ingenio, mucho criterio, inagotable tenacidad y una mochila con las fortalezas de la ingeniera aplicada, se tienen grandes herramientas para forjar un futuro contribuyendo a mejorar la calidad de vida de muchos.

Agradezco a todos ellos, a mi madre y a Dios, por permitirme vivir la experiencia de una formacin valrica inigualable.

iv

INDICE GENERAL

Pg.

DEDICATORIA .......................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iii

INDICE DE TABLAS .............................................................................................. viii

INDICE DE FIGURAS.............................................................................................. xii

RESUMEN............................................................................................................... xvii

ABSTRACT............................................................................................................ xviii

I INTRODUCCION.............................................................................................. 1

II EL GRUPO GENERADOR ............................................................................... 6 2.1 El Grupo Generador y su proceso de conversin de energa ..................... 6 2.2 Parmetros bsicos del grupo................................................................... 10

2.2.1 Potencia.......................................................................................... 10 2.2.2 Voltaje............................................................................................ 11 2.2.3 Factor de Potencia.......................................................................... 11 2.2.4 Velocidad....................................................................................... 11

2.3 Estndares ................................................................................................ 11 2.4 Caractersticas generales de operacin .................................................... 12

2.4.1 Consumo de combustible mc ......................................................... 12 2.4.2 Eficiencia del grupo generador...................................................... 17 2.4.3 Regulacin de tensin.................................................................... 20 2.4.4 Regulacin de velocidad................................................................ 22 2.4.5 Paralelismo .................................................................................... 23 2.4.6 Efectos de las condiciones ambientales........................................ 26

III COGENERACIN........................................................................................... 29 3.1 Conceptos Bsicos ................................................................................... 31

3.1.1 Objetivo central de la cogeneracin .............................................. 33

v

3.1.2 Razn Calor Electricidad (RCE) ................................................... 34 3.1.3 La cogeneracin y el proceso productivo ...................................... 35

3.2 Excedentes trmicos en grupos generadores diesel ................................. 38 3.2.1 Esquemas de utilizacin de excedentes trmicos .......................... 39

3.3 Parmetros de diseo para la estimacin del excedente trmico recuperable con cogeneracin.................................................................. 41

3.3.1 Gases de escape ............................................................................. 43 3.3.2 Refrigeracin ................................................................................. 46

3.4 Eficiencia resultante del sistema de cogeneracin................................... 49 3.5 RCE resultante del sistema de cogeneracin ........................................... 52

IV CONCEPTOS NORMATIVOS Y REGULATORIOS.................................... 54 4.1 Aspectos normativos ................................................................................ 54

4.2.1 Normativa tcnica nacional ........................................................... 54 4.2.2 Normas internacionales ................................................................. 56

4.2 Impacto Ambiental................................................................................... 57 4.3 La huella de Carbono ............................................................................... 57

4.3.1 Medicin y desplazamiento de huella de carbono......................... 57 4.3.2 Mecanismo de desarrollo limpio (MDL)....................................... 59

4.4 Aspectos regulatorios ............................................................................... 60 4.4.1 Medios de Generacin No Convencionales y Pequeos Medios de Generacin (Reglamento DS 244) ............................... 61 4.4.2 Ley General de Servicios Elctricos (DFL4 incluyendo modificaciones de Ley 20.257 Abril 2008) ................................ 62

V CONFIABILIDAD........................................................................................... 63 5.1 Generalidades........................................................................................... 64 5.2 Modelo y tasa de falla chp de unidad cogeneradora................................ 66

5.2.1 Modelo de planta ........................................................................... 66 5.2.2 Disponibilidad D y tasa de falla gg de un grupo generador ......... 67

5.3 Confiabilidad de sistemas aplicada a cogeneracin................................. 69 5.3.1 Sistema serie .................................................................................. 69 5.3.2 Sistema paralelo............................................................................. 70 5.3.3 Sistema paralelo con redundancia ................................................. 71

vi

5.4 Costo de falla............................................................................................ 74 5.5 Parmetros de falla en componentes elctricos........................................ 75

VI DESAROLLO TECNICO DE LA PLANTA DE COGENERACION ............ 77 6.1 Consumo de energa del proceso productivo ........................................... 78

6.1.1 Energa elctrica ............................................................................ 78 6.1.2 Energa trmica.............................................................................. 80

6.2 Capacidad y configuracin de la planta de cogeneracin ........................ 81 6.3 Elementos constructivos de plantas de cogeneracin .............................. 82

6.3.1 Layout ............................................................................................ 83 6.3.2 Obras civiles .................................................................................. 88 6.3.3 Sistema de combustible ................................................................. 90 6.3.4 Sistema de escape .......................................................................... 96 6.3.5 Sistema de ventilacin ................................................................. 102 6.3.6 Sistema de refrigeracin .............................................................. 107 6.3.7 Servicios auxiliares...................................................................... 111 6.3.8 Esquemas prcticos de cogeneracin........................................... 112 6.3.9 Sistema elctrico.......................................................................... 116 6.3.10 Proteccin y control..................................................................... 125

6.4 Puesta en marcha y mantencin ............................................................. 128

VII COSTOS E INVERSIONES EN PLANTAS DE COGENERACION .......... 131 7.1 Inversiones en plantas de cogeneracin ................................................. 131

7.1.1 Equipamiento............................................................................... 131 7.1.2 Instalacin.................................................................................... 138

7.2 Costos de operacin en plantas de cogeneracin ................................... 148 7.2.1 Costos de operacin del grupo generador.................................... 148 7.2.2 Costo de operacin del sistema de cogeneracin ........................ 150 7.2.3 Costo de falla de la planta cogeneradora ..................................... 150

VIII EVALUACION DE PROYECTOS DE COGENERACION......................... 152 8.1 Estimacin de la demanda del proceso productivo................................ 152 8.2 Definicin tcnica de planta de cogeneracin........................................ 153

8.2.1 Recuento tcnico de la cogeneracin........................................... 153

vii

8.3 Estimacin del precio de la energa del proceso productivo.................. 155 8.3.1 Precio de la energa trmica......................................................... 155 8.3.2 Precios de la energa elctrica del proceso EE0 y EEHP0 ............. 155

8.4 Evaluacin econmica y determinacin del precio de la energa para plantas de cogeneracin ......................................................................... 157

8.4.1 Ingresos y costos.......................................................................... 157 8.4.2 Inversiones y valores residuales .................................................. 158 8.4.3 Consideraciones para la evaluacin............................................. 158

8.5 Anlisis de un caso real.......................................................................... 161 8.5.1 Demandas de energa ................................................................... 162 8.5.2 Definiciones tcnicas de planta de cogeneracin ........................ 165 8.5.3 Precios de referencia.................................................................... 171 8.5.4 Precios de energa del proceso productivo .................................. 171 8.5.5 Clculo de precios de la energa de cogeneracin....................... 172

IX CONCLUSIONES.......................................................................................... 187

BIBLIOGRAFIA...................................................................................................... 191

viii

INDICE DE TABLAS

Tabla Contenido Pg.

1.1 Combustibles en mquinas motrices (TNEP, 2007) 4

1.2 Eficiencias, subproductos por tecnologa de mquina motriz (EPA-CHP-Tec, 2008, modificado por el autor)

4

2.1 Propiedades normalizadas del Diesel N2 13

2.2 Consumo Especfico de Combustible para varias potencias y velocidades de equipos de mercado (DSHT-CAT, (DSHT-CUM, DSHT-WAR)

14

2.3 Factor de correccin kc para consumo de combustible segn punto de aplicacin X(%) (DSHT-CAT, DSHT-CUM, DSHT-WAR)

16

2.4 Derrateo en equipos elctricos por altura (Normas ANSI) 28

3.1 Eficiencias tpicas en Calderas y en la produccin de Energa Elctrica (DOE-EERE-STMDG, 2002)

31

3.2 Razn Calor / Electricidad tpica por tecnologa de Cogeneracin (COG-BP-IND, 2006)

34

3.3 Adaptabilidad de la RCE y sus efectos en el proceso 35

3.4 Temperatura media de gases de escape en motores diesel (DSHT-CAT, DSHT-CUM, DSHT-WAR)

44

5.1 Tipo y duracin media de mantenciones en un equipo de cogeneracin (AUT, 2010)

68

6.1 Registro tipo para la estimacin de la demanda de energa elctrica para un proceso productivo (elaboracin propia)

79

6.2 Registro tipo de datos de consumo de energa trmica de un proceso y estimacin de su demanda (elaboracin propia)

80

6.3 Medidas y pesos referenciales de grupos generadores diesel (DSHT-CAT, DSHT-CUM)

85

ix

Tabla Contenido Pg.

6.4 Dimensionamiento prctico de piping de combustible para 1m mxima cota de levante (CUM-INS, 1987)

94

6.5 Longitud equivalente para piezas especiales (MA-DGAUX, 2006, CAT-APP, 2005)

98

6.6 Niveles mximos de ruido segn zona urbana (DS 146) 100

7.1 Precios de mercado para casetas insonorizadas con grado de atenuacin de 87 dBA a 7 m (AUT, 2010)

133

7.2 Precios de mercado para sistema de recuperacin trmica en gases de escape (AUT, 2010)

134

7.3 Precios de mercado para Tableros de Fuerza para distribucin del Grupo Generador (AUT, 2010)

136

7.4 Precios de mercado para estanques de combustible en acero, con certificacin SEC (AUT, 2010)

136

7.5 Precios de mercado para transformadores de poder tipo Subestacin Unitaria en aceite mineral, tensiones 6.6 kV y 13.8 kV ONAN (AUT, 2010)

137

7.6 Valores residuales para equipos en plantas de Cogeneracin (AUT, 2010)

138

7.7 Estimaciones de HH de ingeniera para proyectos de Cogeneracin (valorizadas a 1 UF/HH) (AUT, 2010)

140

7.8 Valores de referencia para obras civiles (AUT, 2010) 141

7.9 Valores de referencia para suministros del sistema de combustible de cada grupo generador (AUT, 2010)

141

7.10 Valores de referencia de suministros para instalacin sistema de combustible principal (AUT, 2010)

142

7.11 Valores de referencia de suministros para instalacin sistema de escape (AUT, 2010)

142

7.12 Valores de referencia de suministros para instalacin sistema de insonorizacin (AUT, 2010)

143

x

Tabla Contenido Pg.

7.13 Valores de referencia para suministros del sistema de ventilacin forzada, en funcin de la potencia de cada equipo y el tipo de proyecto (AUT, 2010)

144

7.14 Valores de referencia para los servicios auxiliares propios de una planta de cogeneracin (AUT, 2010)

145

7.15 Valores de referencia para alimentacin de fuerza y control en Baja Tensin para equipos de cogeneracin (AUT, 2010)

145

7.16 Valores de referencia para suministros de puesta a tierra, en funcin de la potencia de cada equipo y el tipo de proyecto(AUT, 2010)

146

7.17 Valores de referencia de mano de obra de montaje para equipos de cogeneracin, segn la complejidad del proyecto, en funcin de la potencia de cada equipo (AUT, 2010)

147

7.18 Valores de referencia para mano de obra indirecta con sus gastos generales, e infraestructura de faena, segn tipo de montaje (AUT, 2010)

147

7.19 Valores de referencia para mantenimiento preventivo de grupos generadores comerciales (AUT, 2010)

149

8.1 Parmetros tcnicos de la aplicacin de cogeneracin al proceso en estudio (elaboracin propia)

154

8.2 Cuadro resumen tpico para tarifas horarias (BT o AT) de energa elctrica y su modo de aplicacin

156

8.3 Antecedentes del proceso productivo 162

8.4 Demanda de energa elctrica AGRO-X (Tabla 6.1) 163

8.5 Demanda de energa trmica AGRO-X (Tabla 6.2) 164

8.6 Razones calor / electricidad (RCE) del proceso 165

8.7 Potencia nominal equipo de cogeneracin, aplicacin continua 166

xi

Tabla Contenido Pg.

8.8 Potencia nominal equipo de cogeneracin, aplicacin horas punta 166

8.9 Recuento tcnico de cogeneracin AGRO-X (Tabla 8.1) 167

8.10 Tarifas CGE Distribucin para AGRO-X, Diciembre 2010 172

8.11a Inversin en equipamiento mximo (R+G) de planta en modalidad continua, Pn = 1 x 550 kW

173

8.11b Montaje de planta Pn = 1 x 550 kW 173

8.12a Inversin en equipamiento mximo (R+G) de planta en modalidad horas punta, Pn = 1 x 400 kW

174

8.12b Montaje de planta Pn = 1 x 400 kW 174

8.13a Mantenimiento planta de cogeneracin en horas punta 175

8.13b Mantenimiento planta de cogeneracin aplicacin continua 175

8.14 Parmetros de confiabilidad de planta de cogeneracin 176

8.15 Datos de entrada para evaluacin de TIR planta continua 177

8.16 Datos de entrada para evaluacin de TIR planta en punta 178

xii

INDICE DE FIGURAS

. Figura Contenido Pg.

1.1 Esquema operacional del grupo generador 2

1.2 Potencia y eficiencias de mquinas motrices (ORLD, 1987) 2

2.1 Configuracin tpica de un grupo generador diesel 6

2.2 Componentes constructivos del grupo generador 7

2.3 Obtencin de potencia en el eje del motor 8

2.4 Diagrama del generador autoexcitado 9

2.5 Diagramas del generador con excitacin separada 10

2.6 mce para Grupos Generadores comerciales de 1500 RPM (DSHT-CAT, DSHT-CUM)

14

2.7 Relacin consumo mc (l/h) Carga aplicada, grupos generadores comerciales (DSHT-CAT, DSHT-CUM)

15

2.8 Eficiencia de grupos generadores segn kc mce (gr/kWh) 192.9 Eficiencias tpicas de generadores segn distintas potencias y

velocidades nominales (SEGASER-GSET, 1978) 19

2.10 Eficiencia tpica de un generador segn nivel de carga (SEGASER-GSET, 1978)

20

2.11 Curva de Droop en sincronismo de grupos generadores para un aporte de los generadores igual a Pj+Pk

25

3.1 Produccin de calor y electricidad en comparacin con la Cogeneracin (ORNL-CHP, 2008)

30

3.2 Cogeneracin tpica de Ciclo Inferior 31

3.3 Cogeneracin de tipo Ciclo Superior (Grupos Generadores) 32

3.4 Razones Calor / Electricidad tpicos por Segmento Industrial (COG-BP-IND, 2006)

35

3.5 Insercin tpica de la Cogeneracin en un proceso productivo 37

3.6 Balance energtico en un grupo generador respecto del contenido energtico en el combustible (CAT-APP, 2005)

38

xiii

Figura Contenido Pg.

3.7 Variacin del balance energtico en motores diesel en funcin de su nivel de carga (% de la potencia nominal) (TRNR-DTY-EMH, 2007)

39

3.8 Circuitos para cogeneracin en grupos generadores 40

3.9 Esquema de Cogeneracin G+R en grupos generadores 43

3.10 Eficiencias de sistemas de cogeneracin R+G calculadas segn expresin 3-4, en funcin del consumo especfico de combustible y kc

50

3.11 Eficiencias de sistemas de cogeneracin base, R+G calculadas segn expresin (3-4), en funcin del consumo especfico de combustible y kc

51

3.12 Eficiencia de cogeneracin total R+G, calculada para grupos generadores comerciales operando a plena carga

52

3.13 RCE de plantas de cogeneracin para distintos kc, en funcin de mce, calculada segn expresiones (2-7), (3-8) y (3-9)

53

5.1 Comportamiento de la tasa de falla 65

5.2 Tiempo medio entre fallas (MTBF) 66

5.3 Modelo de Planta Cogeneradora 66

5.4 Sistemas (a) Serie y (b) Paralelo 69

5.5 Horas de falla y confiabilidad de la planta v/s unidades instaladas para Ho = 1.000 h/ao y Ho = 5.000 h/ao

73

5.6 Horas de falla de la planta v/s unidades instaladas, con Ho = 1.000 h/ao y Ho = 7.000 h/ao, para escenarios n y n+1

74

6.1 Metodologa para el anlisis tcnico de proyectos de Cogeneracin 77

6.2 Disposicin recomendada para planta cogeneradora en sala 84

6.3 Caseta modular insonorizada tpica (DSHT-SDMO) 87

6.4 Soluciones modulares tpicas de cogeneracin (CGNP-TDM, 2009) 87

6.5 Fundacin y anclaje tpicos para un grupo generador en sala 89

xiv

Figura Contenido Pg.

6.6 Sistemas de combustible sobre y bajo nivel 91

6.7 Montaje tpico de estanques (a) diario y (b) principal sobre terreno (PROY-ING)

92

6.8 Silenciador Intercambiador de Carcasa y Tubos 96

6.9 Sistema de escape tpico (con o sin intercambiador) 96

6.10 Escala de ruido emitido por fuentes tpicas, en dBA (CUM-APP) 99

6.11 Sistemas de escape tpico en interior sala 101

6.12 Sistemas de escape tpico montado en exterior sala (PROY-ING) 101

6.13 Esquema correcto para ventilacin de grupo generador con extraccin forzada va ventilador y radiador remoto

103

6.14 Esquema tpico para ventilacin de grupo generador, utilizando el ventilador propio del radiador de la mquina

104

6.15 Aire de combustin segn hojas de datos de grupos generadores comerciales (DSHT-CUM, DSHT-CAT)

105

6.16 Montaje tpico de sistema de refrigeracin con intercambiador de calor y extraccin forzada para ventilacin

107

6.17 Intercambiador de calor de placas para 80 Gal/min (Alfa Laval) 108

6.18 Integracin del sistema de Cogeneracin en el circuito de enfriamiento manteniendo el respaldo del radiador local del grupo generador

108

6.19 Hoja de datos tipo para intercambiadores de placas lquido-lquido de 685 kW (Alfa Laval)

110

6.20 Circuito simplificado de grupo generador con cogeneracin 113

6.21 Diagrama de flujo Cogeneracin R+G para calentamiento de fluidos (MXM-HRAM)

113

6.22 Diagrama de flujo Cogeneracin R+G para produccin de vapor (MXM-HRAM)

114

6.23 Intercambiadores en gases de escape para calentamiento de agua (grupos generadores 150kW a 6MW) (CAIN-HX)

114

xv

Figura Contenido Pg.

6.24 Intercambiador en gases de escape para produccin de vapor (grupos generadores hasta 7MW) (CAIN-HX)

115

6.25 Diagrama unilineal simplificado de Planta Cogeneracin para dos generadores y red (Baja Tensin)

117

6.26 Diagrama unilineal simplificado de Planta Cogeneracin para dos generadores y red (Media Tensin)

118

6.27 Diagrama fasorial simplificado para clculo de cada de tensin en alimentadores

120

6.28 Panel de control PCC de grupo generador (Cummins Engine Co.) 127

7.1 Valor comercial base de grupos generadores diesel entre 100 y 1500 kW Prime (1500 RPM)

132

7.2 Valor de equipamiento para recuperacin en gases de escape en funcin del flujo msico de gases (kg/s) para distintas potencias de grupos comerciales (AUT, 2010)

134

7.3 Valor de equipamiento para recuperacin en sistema de refrigeracin en funcin de la potencia nominal del grupo generador Pn (kW) para distintas potencias de grupos comerciales (AUT, 2010)

135

8.1 Zona de inters para la viabilidad de una planta de cogeneracin 159

8.2 Esquemtico de proceso AGRO-X 161

8.3 Precios de la energa elctrica de cogeneracin continua, en funcin del precio del diesel

179

8.4 Precios de la energa elctrica de cogeneracin en horas punta, en funcin del precio del diesel

180

8.5 Precios de la energa elctrica de cogeneracin continua, en funcin del precio del diesel, para proyecto con grupo generador existente

182

8.6 Precios de la energa elctrica de cogeneracin en horas punta, en funcin del precio del diesel, para proyecto con grupo generador existente

183

xvi

Figura Contenido Pg.

8.7 Precios de energa elctrica de cogeneracin continua, en funcin del precio del diesel, para n=2 unidades cogeneradoras en planta

184

8.8 Precios de energa elctrica de cogeneracin en horas punta, en funcin del precio del diesel, para n=2 unidades cogeneradoras en planta

185

xvii

RESUMEN

El presente trabajo pretende ser una contribucin til de ingeniera, para quienes deban tomar decisiones de cmo y por qu implementar alternativas de suministro de energa, elctrica y trmica, empleando grupos generadores diesel que hagan uso eficiente de la energa disponible a travs de la cogeneracin.

Al estilo de un handbook, se entregan elementos de juicio tericos, aportes de la experiencia, fuentes de informacin y una metodologa para evaluar tcnica y econmicamente la aplicabilidad de la cogeneracin en proyectos industriales de diversa ndole con necesidades de energa elctrica y trmica, desde algunas decenas de kilowatts a algunos MW.

Los contenidos abarcan el conocimiento general de grupos generadores diesel y del proceso de cogeneracin, sus principios de operacin, las variables a considerar en la seleccin y especificacin de equipos, normas relevantes, informacin tcnica de referencia y aportes propios de la experiencia necesarios para el diseo de plantas de cogeneracin.

Se aborda la metodologa para resolver el problema tcnico econmico de incorporar cogeneracin en un proceso cualquiera, visualizando las distintas configuraciones de planta y sus variables de decisin, orientando al proyectista en la generacin, evaluacin y seleccin de opciones, basadas en distintos criterios y procedimientos de clculo. Los resultados son evaluados frente a las condiciones de demanda y costos de energa propios del proceso, utilizando para ello un caso real, representativo de la industria nacional, lo que contribuye a fortalecer la aplicabilidad de los contenidos del trabajo a casos diversos, con sus variables relevantes y tendencias.

Tambin se asignan captulos a materias complementarias de inters como principios de confiabilidad, transferencia de calor y calderas.

xviii

ABSTRACT

This work pretends to be an engineering contribution for those that face decision making with regards to evaluating why and how a cogeneration plant made of diesel generator sets, may be a viable alternative for the supply of electrical and thermal energy for a certain process.

Written as a handbook, it covers the theory, practice, sources of information and a proposed methodology for the technical and economical evaluation of cogeneration in industrial plants of different kinds, all requiring electricity and heat, ranging sizes from a few kW up to some MW.

The work covers in general most technical concepts involved both on generator sets and cogeneration, discussing operating principles, key variables in equipment selection and specification, standards, technical references and some best practices that enrich the analysis and design of cogeneration plants.

A methodology for the technical economical evaluation of cogeneration is presented, applicable to industrial processes of any nature, discussing different plant configurations and operating modes with their decision variables, orienting the design engineer in the development, analysis and selection of alternatives based on different criteria and specific calculations. The results are compared against energy demand and cost parameters through a real case study, based on a typical average size industrial plant, contributing to a better understanding of the contents of the work and its multiple cases, with their specific variables and trends.

The reader will also find chapters that review some useful concepts such as reliability, heat transfer principles and boilers.

1

I INTRODUCCION

El presente trabajo desarrolla los contenidos necesarios para quienes deban evaluar alternativas de suministro de energa, elctrica y trmica, empleando grupos generadores diesel que hagan un uso eficiente de la energa a travs de la cogeneracin, aprovechando adems de la electricidad generada, el calor residual proveniente del proceso de combustin interna de la mquina motriz.

Con dicha finalidad, los siguientes captulos aportan la teora y metodologa para evaluar tcnica y econmicamente la aplicabilidad de la cogeneracin en proyectos industriales de diversa ndole, siendo el grupo generador, con sus diferentes tipos y tecnologas, el elemento central de conversin de energa y de aprovechamiento trmico para la existencia de la cogeneracin.

El inters de aprovechar el calor generado en el proceso de combustin de la mquina motriz de un grupo generador, ha llevado al desarrollo de la Cogeneracin, cuya definicin dada por la ASHRAE y diferentes organismos internacionales, corresponde a la produccin simultnea de energa trmica y elctrica a partir de una fuente comn de combustible.

Actualmente este proceso de aprovechamiento energtico se conoce como la produccin combinada de calor y potencia (Combined Heat and Power, CHP), por lo que un proceso de cogeneracin puede ser nominado indistintamente de cualquiera de estas dos formas.

Por ello, el equipo central de la aplicacin de la cogeneracin es el grupo generador, donde los rendimientos y flujos trmicos dependen de la mquina motriz, al ser un subproducto del proceso de combustin.

Aun cuando los grupos generadores nacen como respuesta a la necesidad de produccin de energa elctrica en lugares donde no se encuentra disponible, actualmente su uso obedece tambin a conceptos econmicos, de confiabilidad y eficiencia energtica, entre otros.

2

El grupo generador corresponde a un equipo autnomo formado por un conjunto de elementos mecnicos y elctricos, tpicamente una unidad monoltica, capaz producir energa elctrica til, a partir de algn tipo de combustible.

Figura 1.1: Esquema operacional del grupo generador

La gran diferencia entre grupos generadores est en el tipo de mquina motriz, su tipo de combustible, rango de potencia y sus parmetros de eficiencia.

Las mquinas motrices ms comunes (TNEP, 2007) corresponden a turbinas a gas, turbinas a vapor, de ciclo combinado y motores de combustin interna, todas ellas con diferentes rangos de aplicacin, eficiencias y combustibles.

Figura 1.2: Potencia y eficiencias de mquinas motrices (ORLD, 1987)

Mquina Motriz Energa Elctrica

Generador

Combustible

3

Las turbinas a gas tpicamente cubren de 0,1 a 100 MW, mientras las turbinas a vapor operan entre los 0,5 y 500 MW o ms. Los motores de combustin interna en sus alternativas de gas y diesel abarcan desde unos pocos kW hasta cerca de 20 MW.

Salvo por las aplicaciones crecientes a nivel residencial de unos pocos kilowatts (conocidas como microturbinas), las turbinas por lo general satisfacen aplicaciones de altas potencias, instalndose en centrales de generacin y grandes proyectos industriales, acompaadas de calderas o procesos trmicos de gran tamao, lo que las convierte en equipos de alta inversin y especializacin.

El motor de combustin interna, tanto ciclo Otto y diesel, se emplea transversalmente en toda la industria, por capacidad, costo inicial y familiaridad tecnolgica, constituyendo as largamente la de mayor presencia. En Estados Unidos la produccin anual de motores sobrepasa los 35 millones de unidades para los mercados automotriz, construccin, minera, propulsin marina y variadas formas de generacin de energa (EEA-RENG, 2008). Esta mquina tambin cuenta con amplia disponibilidad de mano de obra especializada y medios tcnicos para mantenciones y reparaciones (ORLD, 1987).

Aun cuando no existe una estandarizacin al respecto, motores sobre los 1.000 RPM son considerados rpidos, y bajo las 450 RPM, lentos. Por lo general la eficiencia del motor decrece mientras su velocidad aumenta. Sin embargo, la seleccin de una velocidad nominal es un balance entre costo y vida til. Por ello, en la actualidad para la mayor parte de las aplicaciones objetivo de este estudio, el mercado objetivo est representado por motores rpidos, de 1.500 RPM.

Las distintas tecnologas han sido desarrolladas para una amplia gama de combustibles, como muestra la Tabla siguiente. La mquina debe ser compatible con la disponibilidad de estos en su mercado de aplicacin. El desafo tecnolgico est en mitigar emisiones y reducir la huella de carbono, a travs de mayores eficiencias y/o combustibles alternativos que estn disponibles para su uso masivo y renovable a una tasa humana.

4

Tabla 1.1: Combustibles en mquinas motrices (TNEP, 2007)

Tecnologa Turbinas a Vapor

Turbina a Vapor Carbn, Fuel Oil, Gas Natural, Biomasa

Turbina a Gas Gas Natural, Biogas, Propano, LPG, Gasoil

Motor de Comb Interna Diesel, Gas Natural, Combustible dual (90% GN y 10% Diesel), Biogas, Gasoil, Nafta

Microturbinas Gas Natural, Biogas, Propano

La demanda mundial actual de grupos generadores, en base a motor de combustin interna con cogeneracin en el rango de 2 a 10MW aproxima las 1000 unidades por ao, con equipos de potencia promedio de 3MW y velocidades sobre los 1.000 RPM (COSPP-RI, 2007). De esta demanda, casi la mitad corresponde a aplicaciones de combustibles lquidos. Hay gran inclinacin por equipos a gas, sin embargo en lugares donde las redes y costos del gas natural son un obstculo, como ocurre en algunos pases de Sudamrica, el motor diesel resulta ventajoso.

Tabla 1.2: Eficiencias, subproductos por tecnologa de mquina motriz (EPA-CHP-Tec, 2008, modificado por el autor)

Tecnologa Turbinas a Vapor

Motores Combustin

Interna

Turbinas a Gas Microturbinas

Eficiencia global sistema CHP (HHV) 80% 55-80% 70-75% 65-75%

Disponibilidad casi 100% 92-97% 90-98% 90-98%

Horas entre reparaciones mayores >50.000 12.000-50.000 25.000-50.000 20.000-40.000

Tiempo de partida 1 hr - 1 da 10 seg 10 min - 1 hr 60 seg Subproducto sistema CHP AP: Alta presin BP: Baja presin

Vapor AP-BP

Agua caliente, vapor BP

Agua caliente, vapor AP-BP

Agua caliente, vapor BP

5

En resumen, la seleccin de la mquina motriz para plantas de cogeneracin comprende aspectos como la dimensin de la demanda trmica y elctrica del proyecto, las eficiencias, los espacios fsicos y la disponibilidad de combustibles, las necesidades operacionales, y la disponibilidad tecnolgica para servicio y operacin.

Basado en ello, y considerando la gran poblacin nacional en aplicaciones de generacin elctrica (AUT, 2010), la amplia cobertura de varias marcas y modelos en todo el rango de potencias comerciales desde 50 kW hasta 5.000 kW, la disponibilidad del petrleo en todo el territorio y las dificultades estratgicas que ha presentado el gas natural, en adelante, las tecnologas y mtodos de evaluacin de proyectos de CHP de este trabajo se centran en grupos generadores con motor de combustin interna, ciclo diesel, de tipo rpido (1500 RPM).

6

II EL GRUPO GENERADOR

El grupo generador consiste en elemento central de la planta de cogeneracin, donde ocurren los procesos de conversin de energa.

Adems de una visin general de sus componentes constructivos, modo de funcionamiento y parmetros de operacin, este captulo desarrolla el comportamiento de uno de los flujos de energa principales, el consumo de combustible y las variables involucradas, el que ser utilizado ms adelante en la modelacin del conjunto de cogeneracin.

2.1 El Grupo Generador y su proceso de conversin de energa

Figura 2.1: Configuracin tpica de un grupo generador diesel

7

Montados sobre su base metlica (1), y unidos mecnicamente a travs del acoplamiento tpicamente flexible (2), se encuentran el motor (3) y el generador (4), y sus sistemas anexos como refrigeracin (radiador (6) o intercambiador de calor agua-agua), lubricacin, partida, escape, combustible, etc.

Figura 2.2: Componentes constructivos del grupo generador

Dentro de la caja de conexiones elctricas (5) se concentran los terminales de conexionado de los enrollados, los transformadores de corriente para medicin y proteccin, y el regulador de voltaje, que a travs del control de la excitacin, mantiene la tensin de salida ante variaciones de carga.

El gobernador (7) montado dentro del panel de control del grupo, a travs de un control en lazo cerrado ajusta el caudal de combustible para mantener esta velocidad constante ante variaciones de la carga, y regular la potencia activa entregada por el equipo en condiciones de trabajo en paralelo a una barra energizada.

1

2

3

4

5

67

8

Figura 2.3: Obtencin de potencia en el eje del motor

El combustible es bombeado hacia los cilindros por medio de la bomba de combustible del motor, siendo el gobernador el encargado de controlar su caudal. Una vez en los cilindros, por temperatura y presin, siguiendo el ciclo Diesel, la combustin provoca el movimiento de los pistones, que a travs de las bielas hacen girar el cigeal, produciendo la rotacin del eje del motor, convirtiendo en el alternador esta potencia en el eje en potencia elctrica, sin piezas rozantes (escobillas y colectores).

La frecuencia de la seal elctrica generada, tpicamente 60 o 50 Hz, est determinada por la relacin entre la velocidad de giro del conjunto motor/alternador y el nmero de polos del generador.

Respecto de la generacin de voltaje en bornes, los dos casos ms comunes corresponden al generador de excitacin separada, y el generador auto excitado.

Bomba de Combustible del motor

Pistn

Cigueal

Anillos

Cmara de combustin

Sistema de Inyeccin

Gobernador

9

En modelos de pequea capacidad es ms empleado el sistema de excitacin separada, por cuanto la masa del rotor no es lo suficientemente grande como para asegurar un magnetismo remanente.

El sistema de excitacin separada aumenta el tamao, peso y costo del generador, sin embargo, entrega alimentacin limpia al regulador, opera independiente de la salida del generador, mantiene la excitacin ante condiciones anormales de operacin, y ofrece mejores condiciones de estabilidad de tensin energizando consumos con requerimientos transitorios de partida, lo que lo hace preferible en caso de trabajo en paralelo y curvas de demanda fluctuantes.

Figura 2.4: Diagrama del generador autoexcitado

Campo Principal

Estator Excitador

Imn Permanente

Energa Mecnica Energa

Elctrica

Regulador de Voltaje (AVR)

AVR

10

Figura 2.5: Diagramas del generador con excitacin separada

2.2 Parmetros bsicos del grupo

Un grupo generador queda definido a nivel nominal con sus caractersticas de Potencia, Voltaje, Factor de potencia, Velocidad y Frecuencia.

2.2.1 Potencia

La potencia, expresada indistintamente en kW o kVA, se define segn la siguiente clasificacin, consistente con las normas de diseo internacionales ISO3046, BS5514 y DIN6271.:

Potencia Continua, o Prime Power, corresponde a la potencia que puede entregar el equipo sin lmite de tiempo. El equipo al operar a esta potencia, puede soportar sobrecargas de un 10% durante un total de 2 horas de cualquier perodo continuado de 24 horas.

Campo Principal

Estator Excitador

Energa Mecnica Energa

Elctrica

Regulador de Voltaje (AVR)

AVR

11

Potencia de Emergencia o Stand by, es la potencia mxima que puede entregar el equipo, mientras dure la falla de la fuente principal de energa. Es equivalente a la potencia continua ms el 10% de sobrecarga.

2.2.2 Voltaje

Las tensiones normalizadas abarcan desde aproximadamente los 100V hasta los 14.400V. En Chile, los niveles de tensiones normalizadas se encuentran indicados en la norma NSEG 8.75, correspondiendo al segmento industrial tpicamente 380V (3), y 220V (1). La regulacin de tensin normalizada, por su parte, corresponde a 2%, entre operacin en vaco y operacin a plena carga.

2.2.3 Factor de Potencia

Corresponde al factor de potencia para el cual el equipo est diseado. Tpicamente como un estndar en la industria, por encontrarse con mayor frecuencia en los consumos industriales, este es 0,8 inductivo, y es en base a este valor que se dimensionan las capacidades nominales del motor y del generador.

2.2.4 Velocidad

El grupo se especifica elctricamente por la frecuencia del voltaje generado. El nmero de polos p del generador define la frecuencia F de la tensin, segn las RPM del motor, de acuerdo con la expresin siguiente:

120* RPMPF (2-1)

Las dos frecuencias principales en el mundo son 50 y 60 ciclos (o Hertz), siendo 50 Hz la utilizada en Chile, para lo cual industrialmente se emplean generadores de 4 polos.

2.3 Estndares

Al momento de especificar un grupo generador, es recomendable considerar los estndares internacionales que aplican en la manufactura de sus componentes principales, tales como:

12

NEMA MG1, Motores y Generadores ANSI C50.5, Excitadores rotativos ANSI C50.10, Requerimientos para mquinas sncronas ISO3046, BS5514 y DIN6271, Declaracin de potencia, consumo de

combustible y otros parmetros de comportamiento de motores de

combustin interna

Adems, en este trabajo se han definido como criterio mayormente utilizado por los fabricantes de motores y grupos generadores, las condiciones ambientales ISO para referir los antecedentes tcnicos de los equipos, presin baromtrica 1 bar, temperatura ambiente 25C y humedad relativa de 30%.

2.4 Caractersticas generales de operacin

Las variables operacionales ms relevantes dentro de la operacin de un grupo generador, tienen relacin con su entrada de combustible y el comportamiento de sus variables referidas al aporte de energa elctrica. Por ello destacan y son tratados aspectos tales como:

Consumo de combustible Eficiencia Regulacin de tensin Regulacin de velocidad Efectos de las condiciones ambientales sobre lo anterior Operacin en paralelo

2.4.1 Consumo de combustible mc

El consumo de combustible mc de un grupo generador es relevante por su ponderacin mayoritaria en los costos operacionales.

El consumo de combustible (volumen/hora) es publicado por los fabricantes en sus hojas de datos respectivas, para condiciones de , , y plena carga, en funcin de la potencia nominal.

13

Aun cuando para cada aplicacin se deben consultar las hojas tcnicas del fabricante, se entregan herramientas para realizar una estimacin del consumo y su comportamiento, en funcin de las caractersticas nominales y del punto de operacin del grupo generador, en ausencia de otros datos especficos.

2.4.1.1 Especificaciones del combustible

El combustible para motores Diesel es el N 2, aunque en general, puede utilizar otros de menor calidad siempre que cumplan con las especificaciones internacionales ASTM D396 (combustible N 1 y N 2), ASTM D975 (combustible Diesel N 1D y N 2D), BS2869 (clase C, C1 2 C2 y combustible para quemador clase D), y DIN51601 (combustible Diesel).

Tabla 2.1: Propiedades normalizadas del Diesel N2

Propiedad Diesel N2 Valor

Normalizado

Unidad

Densidad (ASTM D975) 850 7,079 gr/l

lb/USGal

Poder Calorfico Superior (HHV) (CNE, BE, 2007)

10.900 38,8

139.160

kCal/kg MJ/l

BTU/US Gal

2.4.1.2 Estimacin del consumo de combustible mce

Para estimar el consumo de combustible de un grupo generador se parte de una relacin representativa de consumo para diferentes grupos generadores, modelos, marcas y caractersticas operacionales conocido como consumo especfico de combustible, mce, que corresponde a:

Tanto la literatura (SEGASER-GSET, 1978) como hojas de datos de fabricantes (DSHT-CAT, DSHT-CUM, DSHT-WAR), para un amplio rango de

Consumo de Combustible (@ Pot. Nominal) mce = Potencia Nominal del Grupo Generador

(2-2)

14

potencias nominales entre 100 y 5.000 kW, y velocidades entre 750 y 1500 RPM, establecen el consumo especfico de combustible a plena carga entre 185 y 250 gr/kWh.

Tabla 2.2: Consumo Especfico de Combustible para varias potencias y velocidades de equipos de mercado (DSHT-CAT, (DSHT-CUM, DSHT-WAR)

Velocidades para 50Hz (RPM)

Potencias Nominales Pn (kW)

mce (gr/kWh)

750 1000 1.000 8.000 185 - 200

1500

< 300 300 a 600

601 a 1.000 > 1000

215 - 250 210 - 240 210 235 200 - 240

Resulta de inters por la fuerte presencia en el mercado de unidades de 1,500 RPM, aportar al proyectista un resumen de datos efectivos en todo el rango de potencias, recopilado directamente de hojas de datos de equipos comerciales.

Qce (gr/kWh)

0

50

100

150

200

250

300

130

180

240

290

320

364

400

495

600

656

800

1088

1200

1360

1820

Equipos de 1500 RPM y Potencias Nominales de Mercado (kW)

Figura 2.6: mce para Grupos Generadores comerciales de 1500 RPM (DSHT-CAT, DSHT-CUM)

Pn

mce

15

2.4.1.3 Estimacin y comportamiento del consumo de combustible mc

El consumo de combustible mc ha sido simulado como una relacin lineal en un rango entre 100% y 50% de la potencia nominal Pn, independiente del tamao del equipo (SEGASER-GSET, 1978), segn la expresin siguiente:

Sin embargo, al contrastar hojas de datos de fabricantes (DSHT-CAT, DSHT-CUM), con su consumo declarado en funcin de la potencia, se aprecian no linealidades.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

100% 75% 50%

mc (l/h) 1820 kW

1350 kW

656 kW

160 kW

Figura 2.7: Relacin consumo mc (l/h) Carga aplicada, grupos generadores comerciales (DSHT-CAT, DSHT-CUM)

Luego, para un grupo generador de potencia nominal Pn (kW), trabajando en un determinado punto de operacin X(%) respecto de dicha potencia nominal, adoptado un consumo especfico mce (gr/kWh) de la Tabla 2.2, utilizando combustible diesel N2 de 850 gr/l, bajo un comportamiento lineal de consumo en

mc (l/h) = * (2-3)

10,7 + 0,893 * X(%) 100

Consumo (@ Pn (l/h)

16

relacin al nivel de carga, pero agregando un ponderador discreto de desviacin de esta linealidad, kc, se tiene para estimar el consumo de combustible,

En base a la experiencia prctica del autor, kc adapta las no linealidades apreciadas en terreno en torno a puntos de operacin bajo el 75%, de acuerdo con un criterio prctico relativo a la potencia nominal del grupo generador.

Tabla 2.3: Factor de correccin kc para consumo de combustible segn punto de aplicacin X(%) (DSHT-CAT, DSHT-CUM, DSHT-WAR)

Punto de OperacinX(%)

Potencias Nominales Pn

(kW) kc

50 a 75% < 500

500 a 1000 > 1000

1,06 1,03 1,02

2.4.1.4 Flujo neto de combustible

Los motores diesel presentan un flujo de entrada y uno de retorno de combustible.

El caudal de entrada se destina a la combustin (potencia til) y a la refrigeracin y lubricacin interna del motor en todos sus componentes del sistema de combustible, como bombas, inyectores y otros. La diferencia neta entre ambos corresponde al consumo combustible desarrollado anteriormente.

Toda consideracin de diseo y montaje de las tuberas de alimentacin y retorno tendr presente estos caudales. En ausencia de datos especficos del fabricante, el caudal de entrada podr ser estimado como 2 a 5 veces el consumo de combustible (DSHT-CAT, DSHT-CUM), dependiendo del tipo de motor y su fabricante.

X (%) * Pn (kW) mc (l/h) = mce (gr/kWh) * * kc 850 * 100

(2-4)

17

Adems, las tablas de potencia para los distintos motores son adoptadas en base a condiciones estndares de temperatura y presin, con una temperatura mxima en el combustible que ingresa al motor de 70C. Por cada 6C sobre esta temperatura, la entrega de potencia del motor se ver castigada en 1% (CAT-APP, 2005).

2.4.2 Eficiencia del grupo generador

La eficiencia gg de un grupo generador se mide como la razn entre la potencia (o energa) til de salida y la potencia (o energa) que ingresa al equipo.

La potencia (o energa) de salida corresponde a la potencia (o energa) elctrica que entrega en los bornes del generador. La potencia (o energa) de entrada corresponde a la contenida en el combustible consumido, Qc, en el cual interviene el poder calorfico del mismo. Para estos efectos se debe distinguir el uso del poder calorfico inferior o el superior.

Debido a que la diferencia central entre ambos poderes calorficos radica en el calor latente (energa para producir la evaporacin de agua contenida en combustible al ocurrir la combustin), y que en combustibles gaseosos se hace engorroso determinar con precisin la cantidad de hidrgeno presente, la relacin entre ambos poderes calorficos no es fcil de predecir, con lo cual por convencin internacional se ha privilegiado para medir la eficiencia de un motor el uso del poder calorfico inferior, (LHV, Low Heating Value). Por su parte, en motores de combustibles lquidos la variacin entre ambos poderes calorficos es mucho menor, y por convencin se utiliza el poder calorfico superior (HHV, High Heating Value) para determinar su eficiencia.

En consecuencia, refiriendo la expresin a una condicin instantnea o promedio respecto a una misma base de tiempo,

Potencia (o energa) de Salida (elctrica de salida) gg (%) = * 100 Potencia (o energa) de Entrada (en el combustible)

(2-5)

18

Incorporando lo anterior en la expresin 2-5, en funcin del punto de operacin y la potencia nominal,

La expresin (2-9) incluye la no linealidad observada en la prctica, tanto en el consumo especfico que vara segn el tipo y tamao de equipo, como en el factor de correccin kc descrito. Al graficar dicha expresin, se aprecia la mayor eficiencia en los equipos de mayor tamao, producto de sus consumos especficos menores.

mc (l/h) * HHV (MJ/l) Qc ( kW) = 3,6

(2-6)

X (%) * Pn (kW) gg (%) = Qc (kW)

(2-8)

X (%) * Pn (kW) = 0,127 * 10-3 * mce (gr/kWh) * kc * X (%) * Pn (kW)

1000 = 0,127 * mce (gr/kWh) * kc

(2-9)

X (%) * Pn (kW) Qc ( kW) = mce (gr/kWh) * HHV (MJ(l) * * kc 3,6 * 850 * 100

= 0,127 * 10-3 * mce (gr/kWh) * kc * X (%) * Pn (kW) (2-7)

19

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

185 200 215 230 245

Eficiencia Elctrica Grupo Generador (%)

mce

kc=1kc=1.06

Figura 2.8: Eficiencia de grupos generadores segn kc mce (gr/kWh)

Por su parte los generadores presentan eficiencias entre 85 y 95%, siendo ms eficientes los de mayor tamao, como tambin los de menor velocidad. Esta eficiencia disminuye en forma no linealmente al alejarse de la plena carga.

Figura 2.9: Eficiencias tpicas de generadores segn distintas potencias y velocidades nominales (SEGASER-GSET, 1978)

Para equipos entre 50 y 2.000 kVA, la eficiencia particular del generador en funcin de su nivel de carga, (SEGASER-GSET, 1978) es una funcin cuadrtica.

20

Figura 2.10: Eficiencia tpica de un generador segn nivel de carga (SEGASER-GSET, 1978)

Estas eficiencias estn afectadas por prdidas en enrollados de campos, enrollados de armaduras, prdidas en los ncleos y prdidas por calentamiento y roce.

Sumando los efectos propios de la eficiencia del proceso de combustin, a la eficiencia de conversin de energa mecnica en el eje a energa elctrica en los bornes de un generador (SEGASER-GSET, 1978), la mayor eficiencia de un grupo generador se obtiene en un punto de trabajo cercano a su potencia nominal.

Actualmente, para grupos generadores en base a motores de combustin interna, los de menor tamao y mayor velocidad son los ms ineficientes con rendimientos entorno al 33% a 35%, mientras los de mayor capacidad y menor velocidad nominal bordean el rango superior de 36% a 38%.

2.4.3 Regulacin de tensin

El comportamiento esperado de un generador ante variaciones en la carga aplicada es la estabilidad de su voltaje en bornes. Se hace necesario actuar sobre los factores de los cuales depende el voltaje generado: el flujo de la excitatriz y la velocidad de rotacin de la mquina.

21

El regulador de voltaje es el equipo a borde del grupo generador que mantiene la estabilidad del voltaje en bornes controlando la excitacin.

La cada de voltaje debida a la aplicacin de carga, se ve influenciada por la reactancia del generador, su constante de tiempo de circuito abierto, la respuesta del sistema excitador, y la magnitud y tipo de carga.

Actualmente se emplean fundamentalmente reguladores para sistemas auto excitados y para sistemas de excitacin independiente, todos ellos de estado slido. En el primer caso, se alimenta del estator principal, y en el segundo, de un imn permanente propio del equipo e instalado en su rotor, que entrega una seal limpia y casi constante bajo cualquier condicin de operacin.

El sistema con excitacin separada es preferible para consumos industriales, por cuanto activa rpidamente la formacin de voltaje, con una sobre oscilacin dentro del 5% de la tensin nominal, soporta una mayor sobrecarga, con una corriente de cortocircuito entre 3 y 4 veces la de plena carga, y su regulacin ante transitorios es superior, ya que no depende de la tensin en bornes de la mquina para su alimentacin.

2.4.3.1 Parmetros operacionales

Cada de voltaje transitoria: determina la cada de voltaje debida a la aplicacin de carga, a partir de generador vaco. Lo estndar es mejor que 15% para una aplicacin de 60% de la carga nominal.

Tiempo de recuperacin: tiempo que demora la tensin en estar dentro de un rango de 3% del valor original. Tpicamente es de 0,25 s en aplicacin de carga y 0,3 s en liberacin de carga.

Sobre tensin transitoria: monto de sobrevoltaje debido a la desconexin brusca de la carga. A plena carga, tpicamente corresponde a 26%.

Regulacin de rgimen permanente: mide los cambios mximos de tensin en rgimen permanente, para distintas temperaturas de la mquina, operacin

22

en vaco, operacin a plena carga, 5% de variacin de velocidad, factor de potencia 1 a 0,8 inductivo. Estndar de la industria es 2%.

2.4.4 Regulacin de velocidad

La velocidad del grupo generador depende de la cantidad de combustible que es inyectada al motor.

El sistema de combustible es regulado por el gobernador, que sensa la velocidad y hace ajustes al sistema a medida que las condiciones cambian, con el objeto de mantener la estabilidad en la frecuencia del sistema de potencia ante variaciones de carga.

Hay numerosos tipos de gobernadores disponibles, del tipo mecnico, hidrulicos y elctricos, siendo estos ltimos los ms utilizados en la actualidad en aplicaciones estacionarias.

El sistema de regulacin de velocidad incluye el sensor magntico de velocidad (pick up) que usualmente mide las revoluciones en la cercha dentada liga al volante del motor, el control electrnico de velocidad (Gobernador) de estado slido, comnmente una unidad hermtica, y el actuador electromagntico, que modula directamente el paso de combustible al sistema de inyeccin, lo que actualmente se realiza de manera electrnica como sistema integrado o con inyeccin independientemente controlada por cada cilindro.

Los gobernadores incluyen ajustes de estabilidad y ganancia, para obtener la mejor respuesta del motor en cada aplicacin particular, dependiendo de la estabilidad de las cargas.

La caracterstica ajustable del gobernador que define la regulacin de velocidad respecto de la condicin de vaco y de plena carga, se denomina droop, y corresponde a la caracterstica de disminucin de la velocidad frente al aumento de carga, tpico en la industria de 0 a 5%. Por lo general, esta variable es mayormente contemplada en el funcionamiento de equipos en paralelo, lo que se trata ms adelante.

23

La estabilidad de rgimen determina las variaciones instantneas de velocidad, causadas por irregularidades del motor y generador, siendo estndar 1/4%.

El tiempo de recuperacin, tambin llamado tiempo de respuesta, determina el tiempo que transcurre entre la aplicacin o retiro de carga, y la estabilidad de la velocidad dentro del ancho de banda de rgimen permanente.

2.4.5 Paralelismo

Desde el punto de vista operacional, el trabajo de una planta con ms de un grupo se optimiza en sus niveles de eficiencia (a travs de un mayor nivel y mejor reparto de carga) utilizando paralelismo entre las unidades, con uno o ms grupos generadores entregando potencia a una barra comn, sea esta independiente, o a su vez exista operacin en paralelo con la red. El paralelismo puede resultar necesario cuando:

Se busca aumentar la capacidad de una planta existente y no es factible u ptimo separar barras de distribucin independientes.

Se requiere permitir labores de mantenimiento sin la detencin del proceso Si se desarrolla el corte de horas punta y se pretende que ocurra sin

interrumpir el servicio.

2.4.5.1 Condiciones del paralelismo

Equipos iguales o distintos, con o sin la red, pueden trabajar en paralelo. El funcionamiento en paralelo requiere en primera instancia la sincronizacin de las seales elctricas de las fuentes de energa, igualando:

Voltaje en vaco Secuencia de fases Frecuencia

La sincronizacin se efecta manual o automticamente, manteniendo la diferencia de voltajes entre las fases correspondientes en un mnimo hasta el acoplamiento, evitando los efectos torsionales sobre las mquinas debido a altas

24

corrientes circulantes que se pueden producir al cierre de contactos con voltajes fuera de fase y muy bajas impedancias limitadoras representadas por las impedancias internas de las mquinas.

En este proceso de control PID intervienen principalmente ajustes particulares a la excitacin del campo de las mquinas a travs del Regulador de Voltaje (AVR) para control de voltaje, como a la velocidad a travs del Gobernador del motor, que adapta el flujo de combustible para la correcta velocidad de giro, que se traduce en la frecuencia de la seal y en el adelanto o atraso de las ondas para sincronizarse a la principal.

2.4.5.2 Reparto de la carga activa

El reparto de carga entre los grupos o entre la red y los grupos depende de los ajustes de los reguladores de velocidad (gobernadores) de los grupos generadores, que controlan el flujo de combustible a travs de la funcin lineal del droop, cuyos extremos son la frecuencia en vaco y la frecuencia a potencia nominal, que debe coincidir con la del sistema elctrico existente (si aplica).

La operacin de una sola unidad aislada, con droop en 0, es conocida como funcionamiento iscrono, en que la velocidad en vaco coincide con la velocidad bajo carga. Esta modalidad es muy exacta en frecuencia, pero presenta valores excesivos ante escalones de entrada o salida de carga, obligando a un ajuste suave de la respuesta dinmica del gobernador a travs de su ganancia.

Para n grupos generadores en paralelo de igual o diferente potencia nominal en rgimen permanente, la funcin de droop de cada equipo define segn sea la frecuencia y demanda de la barra principal de sincronizacin, la potencia que aporta el equipo.

Frecuencia en vaco - Frecuencia a plena carga Droop (%) = * 100 Frecuencia a plena carga

(2-10)

25

Debe tenerse presente que en un sistema con equipos en paralelo existe una sola frecuencia, la nominal, establecida por la red o por el primero de los grupos en acoplarse a la barra aislada, por lo que las curvas de droop reflejan el comportamiento interno del sistema de combustible de cada equipo que modifica sus caudales para intentar llevar la velocidad del equipo a la establecida, sin que sta cambie, resultando en aporte de energa a la barra.

Figura 2.11: Curva de Droop en sincronismo de grupos generadores para un aporte de los generadores igual a Pj+Pk

El paralelismo con la red se rige por los mismos principios anteriores, con la red representada por una barra infinita e iscrona, de frecuencia constante. La variacin de droop acta sobre la carga que aporta cada grupo generador. A medida que se libera la funcin de rampa de carga del droop, disminuye el aporte de la red y el grupo asume parte de la demanda.

Actualmente existen diversos equipos y tecnologas comercialmente disponibles para operar estos procesos de sincronizacin y reparto de carga activa con precisin, automatismo y un alto grado de seguridad.

Frecuencia (Hz)

Pnk

fn

+ Droop fj

fk

RED (Iscrona)

Dk(f,P)

Dj(f,P)

Pj Pk

0 Pnj

Pactiva

26

Las empresas generadoras o distribuidoras, a travs de telemetra, redes de fibra ptica u otro medio, administran el despacho de carga de sus instalaciones de generacin distribuida a travs de sistemas SCADA centralizados, fijando las prioridades de partida y rampas de carga para equipos dispuestos geogrficamente en su zona de concesin, para la inyeccin de energa al sistema elctrico.

2.4.5.3 Reparto de carga reactiva

De forma similar al control de velocidad, la funcin del regulador de voltaje es controlar la excitacin del grupo generador, lo que regula el voltaje de salida del equipo. Se define el droop o estatismo de voltaje como:

En paralelo, la corriente de excitacin no puede alterar directamente el voltaje de la barra, sino slo variar el factor de potencia al cual est operando la mquina. Al haber diferencias entre las excitaciones, circulan corrientes reactivas limitadas por las reactancias sncronas y la impedancia de la red (exportando).

2.4.6 Efectos de las condiciones ambientales

Cualquier variacin respecto de las condiciones ISO estndares en presin (altura), temperatura y humedad, produce efectos sobre las caractersticas funcionales del grupo generador, siendo ms relevantes las propias del motor diesel.

Para una revisin detallada de los polinomios y su aplicacin, se recomienda la lectura de la norma BS 5514:Part 1: 1987, artculo 10.

Para efectos de incluir en forma estimativa los efectos de las condiciones ambientales, el proyectista debe tener presente las recomendaciones prcticas que indican los fabricantes en las hojas de datos y catlogos de equipos. En estas, la altura sobre el nivel medio de mar, como la temperatura ambiente afectan la potencia activa real que es posible obtener del grupo generador. Mientras la

Voltaje en vaco - Voltaje a plena carga Droop (%) = * 100 Voltaje a plena carga

(2-11)

27

regulacin de tensin no se ve afectada, la regulacin de velocidad si vara, especialmente por efectos de la baja densidad del aire (trabajo en altura).

2.4.6.1 Disminucin de potencia por altura

La altura es un factor que afecta tanto al motor como al generador. En el motor, la altura provoca problemas en la combustin por baja densidad de aire y baja eficiencia de turboalimentadores.

Las normas ISO 3046 especifican las condiciones nominales y el procedimiento normalizado para su castigo (o comnmente conocido como derrateo). Sin embargo, cada fabricante entrega su propio sistema prctico de derrateo, con alturas definidas sobre el nivel del mar. Estos valores deben observarse para aplicacin de garantas por parte del fabricante.

En ausencia de datos particulares para un equipo, el proyectista puede considerar, basado en la industria, la altura lmite entre los 500 1.500 pies para servicio continuo y 5.000 7.500 pies para servicio en emergencia. Sobre esta altitud, es comn poder aplicar un derrateo lineal entre 2 y 5% por cada 1.000 pies adicionales sobre las alturas mencionadas.

En el caso del generador, en que se considera para estas aplicaciones un equipo enfriado por aire, la disminucin de potencia de la mquina se debe a la menor capacidad de enfriamiento del aire a mayor altura, a consecuencia de su baja densidad. Tpicamente, se utiliza una altura de 1.000 metros (3.300 pies) a partir de la cual se castiga la potencia nominal del equipo con un factor que dependiendo del fabricante, oscila entre 1 y 3% por cada 1.000 pies adicionales de altitud.

2.4.6.2 Disminucin de potencia por temperatura

El efecto sobre el motor es marginal, pero puede hallarse en las normas ISO 3046, el procedimiento de derrateo estandarizado.

Esta consideracin afecta principalmente la capacidad de potencia del generador, ya que disminuye el aumento de temperatura normalizado en el aislamiento de los enrollados, para mantener la vida til original del equipo.

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Las normas NEMA MG122, las normas inglesas BS4999-32, definen cuatro categoras de aislamiento, Clase A (o 105), Clase B (o 130), Clase F (o 155), y Clase H (o 180). Los nmeros asignados representan el mximo aumento de temperatura sobre el ambiente referencial estndar de 40 C para el aislamiento, bajo operacin continua. La aplicacin Stand By permite un aumento adicional de 25 C.

Para mantener la vida til esperada de la aislacin, 100.000 horas continuas de operacin a la temperatura mxima admisible, los fabricantes entregan factores de derrateo sobre la potencia aparente nominal del generador, por cada 5 C sobre los 40 C ambientales, siendo estos del orden de 2 a 4% en la industria.

2.4.6.3 Aumento de BIL en equipamiento elctrico

Los equipos y componentes deben ser diseados para servicio continuo y trabajo pesado en las condiciones ambientales que se presenten segn las condiciones de altura geogrfica y temperatura de instalacin.

Es necesario contemplar factores de derrateo para los equipos aislados en aire (air/insulated/cooled). En el caso de equipos al vaco, en aceite o gas SF6, el derrateo ser slo aplicable para las partes afectas a la altura, como bushings, separadores de barras en centros de distribucin o ductos de barras, y otros.

Tabla 2.4: Derrateo en equipos elctricos por altura (Normas ANSI)

Equipo Parmetro Norma

Interruptores Media Tensin

BIL Voltaje Corriente

ANSI C37.04c - 1985

Table 1 & Par 4.4.2 Interruptores Baja Tensin

Voltaje Corriente

ANSI C37.13 1981 Table 1 & Par 10.6

Transformadores refrigerados por lquidos BIL

ANSI C57.12 - 1987 Table 1

29

III COGENERACIN

El proyectista encontrar en este captulo los conceptos bsicos de la cogeneracin y el desarrollo de expresiones para estimar los flujos trmicos aprovechables en el grupo generador diesel segn su demanda elctrica, junto con la eficiencia global del sistema de cogeneracin. Los contenidos tambin abarcan las opciones de esquemas tcnicos de implementacin de la cogeneracin con sus criterios de seleccin.

La cogeneracin nace como concepto de aprovechamiento energtico, aplicado a procesos productivos que requieren de energa trmica y elctrica para su desarrollo, con un alto grado de simultaneidad, ya que es una solucin integrada con mayor eficiencia, en sustitucin a la produccin de calor y electricidad en forma independiente, habitualmente producidas a travs de calderas y centrales de generacin asociadas a redes de distribucin, respectivamente.

Como se indica en la introduccin, la ASHRAE define la cogeneracin como el uso secuencial de una fuente primaria de energa, para producir dos formas tiles de energa: CALOR Y ELECTRICIDAD, proceso que tambin es denominado en ingls como CHP, abreviatura para la produccin combinada de calor y energa (Combined Heat and Power). CHP se considera la generacin secuencial o simultnea de mltiples formas de energa til, comnmente mecnica y trmica, en un nico sistema integrado.

En forma simple, la cogeneracin en grupos generadores diesel corresponde a la produccin simultnea de energa elctrica y aprovechamiento de excedentes trmicos disponibles a partir del combustible consumido, representando una alternativa energtica aplicable a cualquier proceso productivo que requiera energas trmica y elctrica.

30

Figura 3.1 Produccin de calor y electricidad en comparacin con la Cogeneracin (ORNL-CHP, 2008)

CHP es una de las formas de Generacin Distribuida (GD), que traslada la produccin de energa a la cercana de los usuarios. Los consumidores tienen la oportunidad de reemplazar la adquisicin de energa desde las redes y la produccin local de calor, por un sistema de cogeneracin de alta eficiencia, gracias a la produccin simultnea de electricidad y calor a partir de una entrada comn de combustible.

Al emplear un sistema de cogeneracin para satisfacer una demanda simultnea de electricidad y calor se puede ahorrar entre 25 y 30% (GTZ-PEE, 2009) del combustible primario utilizado con sistemas separados, estableciendo oportunidades de ahorro de costos y disminuciones en la huella de carbono.

A modo ilustrativo (ORNL-CHP, 2008), un sistema CHP basado en una turbina a gas de 5 MW con eficiencia global de 75% produce anualmente 23 kTons de gases de efecto invernadero (GEI), en comparacin con 49 kTons de GEI provenientes de la produccin tradicional de igual calor y electricidad que incluye una caldera a gas natural con 80% de eficiencia, y la generacin elctrica en las redes norteamericanas, que agrega un 7% de prdidas en transmisin y distribucin.

Planta Trmica

Caldera

Electricidad

45% CHP 80%

Sistema Tradicional

Calor

Cogeneracin

31

Tabla 3.1 Eficiencias tpicas en Calderas y en la produccin de Energa Elctrica (DOE-EERE-STMDG, 2002)

Proceso Trmico / Elctrico Tecnologa Eficiencia

Calderas

Carbn Petrleo

Gas natural Biomasa

75% ..85% 72%..80% 70%..75% 60%..70%

Generacin de Electricidad Tradicional

Turbinas a Gas Motor Comb Interna

Caldera carbn & Turbina Caldera biomasa & Turbina

25%..38% 20%..41% 25%..40% 15%..25%

Generacin de Electricidad Ciclo Combinado (CHP) Turbinas a Gas 40%..57%

3.1 Conceptos Bsicos

Los sistemas de cogeneracin se clasifican en dos grandes grupos, del tipo ciclo superior y ciclo inferior, segn la secuencia energtica implementada, independiente del tipo de mquina motriz o de combustible.

Figura 3.2 Cogeneracin tpica de Ciclo Inferior

En el ciclo inferior, o bottoming cycle, la energa contenida en un tipo de combustible es transformado usualmente por medio de una caldera, en calor til

Turbina

Energa ElctricGenerador

Caldera Proceso Productivo Calor / Vapor

Calor Excedente

Caldera

Combustible

Vapor

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para un determinado proceso. El calor no aprovechado por el proceso se incorpora a un medio auxiliar (usualmente otra caldera) para producir energa mecnica en el eje de una turbina, generando energa elctrica, la que es aprovechada por el mismo u otro proceso productivo (incluso exportacin a las redes de distribucin).

El ciclo inferior de la cogeneracin se aprecia en procesos industriales de gran tamao y continuidad de produccin, en que comnmente el combustible est relacionado con el proceso mismo (por ejemplo, biomasa en la industria maderera o biogs en vertederos). Al maximizar el aprovechamiento del combustible disponible alimentando calderas de vapor, hay excedentes que se destinan a turbinas para producir electricidad, la que es aprovechada por el proceso, agregando en ocasiones exportacin a la red. La ventaja de estos casos es el bajo costo del combustible, subproducto del mismo proceso productivo.

El ciclo superior, o topping cycle considera en primera fase la produccin de energa elctrica para un proceso productivo, por medio de una determinada mquina motriz y su generador asociado. El calor excedente del proceso de combustin en la mquina, es recuperado y aportado al proceso productivo dentro de su matriz energtica.

Figura 3.3: Cogeneracin de tipo Ciclo Superior (Grupos Generadores)

Mquina Energa Elctrica

Generador

Caldera

Proceso Productivo

Calor / Vapor

Calor Excedente

Combustible

33

El proceso de combustin en la mquina motriz produce electricidad a travs del generador, y los excedentes trmicos en gases de escape y en el circuito de refrigeracin de la mquina pueden ser aprovechados utilizando transferencia de calor, disponiendo de energa trmica residual para el proceso productivo.

En adelante y dentro del contexto de este trabajo, toda referencia a Cogeneracin corresponder a la de tipo Ciclo Superior, la que es compatible con la aplicacin de grupos generadores en base a motor de combustin interna.

Adems de numerosas aplicaciones en segmentos como la industria del papel, celulosa, metalurgia, minera, petroqumica, alimentos y otros, se suman actualmente importantes aplicaciones de la cogeneracin que abarcan ejemplos tales como centros universitarios norteamericanos, canadienses y australianos, plantas agroindustriales en Colombia, centros deportivos en China, la ciudad de Nueva York como conjunto distrital, centros comerciales en Brasil y muchos otros a nivel mundial.

3.1.1 Objetivo central de la cogeneracin

La cogeneracin busca aportar una mayor eficiencia energtica por medio del uso y aprovechamiento de energas trmicas residuales en el proceso de produccin de energa elctrica.

Sobre la base de su aplicacin en grupos generadores, el objetivo central de esta tecnologa es aumentar la eficiencia energtica ligada a la planta generadora, sin variar su consumo de combustible, aportando energa trmica til recuperada desde el calor residual de gases de escape y del circuito de refrigeracin de la mquina motriz, con la expectativa de reduccin de costos globales de energa del usuario, y mitigacin en su huella de carbono.

Adicionalmente, la cogeneracin brinda mayor confiabilidad en la disponibilidad de energas para el proceso, como respaldo ante ausencia de otras fuentes.

34

3.1.2 Razn Calor Electricidad (RCE)

Se define la razn calor electricidad, RCE, o Heat to Power Ratio HPR (COG-BP-IND, 2006), como la relacin entre la energa trmica (calor) y la energa elctrica de un mismo sistema, para los mismos espacios de tiempo.

En el caso de un proceso productivo, es la relacin entre las demandas de energa trmica y elctrica, y en una planta de cogeneracin compara excedentes trmicos con la energa elctrica producida.

La RCE es variable dependiendo de la tecnologa de la mquina motriz del equipo de cogeneracin.

Tabla 3.2 Razn Calor / Electricidad tpica por tecnologa de Cogeneracin (COG-BP-IND, 2006)

Tecnologa para Cogeneracin RCE por Tecnologa (kWterm / kW elc)

Turbinas a Vapor 2,0 14,3

Turbinas a Gas 1,3 2,0

Turbinas a Gas con Ciclo Combinado 1,0 1,7

Motor de Combustin Interna 1 2,5

Un proceso de alto consumo de energa elctrica y baja demanda trmica tendr una RCE baja, y viceversa.

Energa trmica demandada por el proceso RCE PROC = Energa elctrica demandada por el proceso

(3-1) Energa en excedentes trmicos de planta RCE CHP = Energa elctrica producida por la planta

35

Figura 3.4 Razones Calor / Electricidad tpicos por Segmento Industrial (COG-BP-IND, 2006)

El motor de combustin interna cubre la mayora de los segmentos industriales. Su mejor adaptacin ocurre en procesos con RCE PROC >> 1, asumiendo cierta coincidencia en la estacionalidad diaria de la demanda trmica y elctrica. Bajo este rango habr excedentes trmicos no utilizados, o necesidad de almacenamiento trmico, lo que hace ms compleja la aplicacin y escapa al alcance de este trabajo.

Tabla 3.3: Adaptabilidad de la RCE y sus efectos en el proceso

RCE CHP Cogeneracin

RCE PROC Proceso Efectos Posibles

RCE < 1 Calor de cogeneracin alimenta el proceso con excedentes, bajo aprovechamiento trmico

1 < RCE < 2,5

1 < RCE

Calor de cogeneracin alimenta el proceso con o sin excedentes dependiendo de su coincidencia, buen aprovechamiento energtico

3.1.3 La cogeneracin y el proceso productivo

Lo habitual en la industria es encontrar procesos abastecidos elctricamente de la red o por una planta de generacin, empleando uno o ms combustibles para sus necesidades de calor.

FarmacuticoFertilizantes

Cerveceras Alimentos

Papel RCE 0 1 2 3 4

36

A partir de un cierto calce en las curvas de demanda elctrica y trmica (RCECHP < RCEPROC), el sistema de cogeneracin se define para satisfacer la demanda de energa elctrica del proceso, en la modalidad de funcionamiento y horario que se considere. Dentro de las opciones tarifarias para el segmento industrial del pas, resulta razonable considerar operacin de la planta de cogeneracin en modalidad continua o en horario punta.

As, el anlisis de factibilidad tcnica debiese cubrir los escenarios que la lgica de cada caso dicte, considerando al menos los siguientes :

Planta de cogeneracin sin cogenerar (E), en aplicacin continua Planta de cogeneracin sin cogenerar (E), en aplicacin horario punta Planta de cogeneracin modalidad R+G, en aplicacin continua Planta de cogeneracin modalidad R+G, en aplicacin horario punta Planta de cogeneracin modalidad R, en aplicacin continua Planta de cogeneracin modalidad R, en aplicacin horario punta Planta de cogeneracin modalidad G, en aplicacin continua Planta de cogeneracin modalidad G, en aplicacin horario punta

3.1.3.1 Efectos esperados en la demanda de energa

La insercin de la cogeneracin modifica las fuentes de energa del proceso y la distribucin de su demanda, pudiendo observarse:

Disminucin en la demanda de energa elctrica desde las redes de distribucin, equivalente al aporte de energa de la planta generadora.

Disminucin en la demanda de potencia elctrica desde las redes de distribucin, por efecto de aporte de potencia de la planta generadora

instalada (usualmente aplicable a sistemas tarifarios de tipo horario).

Variacin en el consumo de combustible del proceso, cuya expectativa neta es a la disminucin, basada en aumento de consumo por la demanda propia

de la planta de cogeneracin instalada, y reduccin de consumo en los

procesos trmicos existentes a consecuencia de sustitucin parcial o total

37

del calor necesario por aquel calor residual aprovechado al interior del

sistema de cogeneracin.

Aumento en la confiabilidad del suministro elctrico para el proceso, al existir una planta de generacin propia, adems de las redes pblicas.

Figura 3.5: Insercin tpica de la Cogeneracin en un proceso productivo

3.1.3.2 Aspectos conceptuales de la implementacin

La implementacin de proyectos de cogeneracin sugiere observar aspectos que tienen relacin prctica con su viabilidad, tales como:

Energa Elctrica

Caldera

Proceso Productivo

Calor Excedente

Combustible

Energa Elctrica

Caldera

Combustible

Proceso sin Cogeneracin

Proceso con Cogeneracin = Variacin

0

38

Disponibilidad de combustibles, para considerar su logstica Efectos ambientales en el entorno, aplicando normas de ruido y emisiones Potencial crecimiento del proceso y la estimacin de sus demandas

energticas futuras, evaluando la disponibilidad de energa de las fuentes

tradicionales existentes.

Posibles consumidores cercanos para excedentes de calor, permitiendo considerar la opcin tcnica de exportar flujos trmicos.

Aspectos regulatorios particulares que establezcan las condiciones reglamentarias y tcnicas para la eventual exportacin de energa elctrica

a las redes de servicio pblico, lo que en Chile a nivel industrial adolece de

complejidades.

Antecedentes de confiabilidad de los suministros energticos y las implicancias en el proceso productivo.

3.2 Excedentes trmicos en grupos generadores diesel

Figura 3.6: Balance energtico en un grupo generador respecto del contenido energtico en el combustible (CAT-APP, 2005)

Los excedentes trmicos aprovechables se distribuyen en los flujos relativos a la combustin, lubricacin y refrigeracin de camisas y componentes

Radiacin 3%

Escape 34%

Alternador 3-5%

Refrigeracin 22%

Electricidad 34-36%

Combustible 100%

39

internos del motor. Por lo general, el alternador es refrigerado por aire y la temperatura de dicho flujo no es suficiente para ser transferida a un proceso.

Del balance tpico de un grupo generador (TRNR-DTY-EMH, 2007), se desprende que los flujos trmicos relevantes y aprovechables en la modelacin tcnica de un sistema de cogeneracin son los gases de escape y el calor en el circuito de refrigeracin, donde se concentra casi el 60% de la energa contenida en el combustible (EEA-EPA), balance sustentable para motores diesel entre 60% y 100% de carga aplicada (TRNR-DTY-EMH, 2007).

Figura 3.7: Variacin del balance energtico en motores diesel en funcin de su nivel de carga (% de la potencia nominal) (TRNR-DTY-EMH, 2007)

3.2.1 Esquemas de utilizacin de excedentes trmicos

Con referencia a la figura siguiente, el esquema CHPR+G corresponde a cogeneracin total, recuperando todo el calor excedente del equipo (gases (G) y circuito de refrigeracin (R)). El caso 1 es la configuracin ms simple y de una inversin reducida, pero menos aconsejable por su riesgo asociado a la refrigeracin directa del motor y a la utilizacin del mismo fluido en el proceso, aumentando

40

posibilidades de contaminacin y riesgo de fallas. Por ello, aun cuando requiere mayor inversin, el esquema 2 es ms utilizado, aprovechando el precalentamiento con el circuito de refrigeracin para luego producir mayor calentamiento o cambio de estado a vapor en el circuito de escape, dependiendo de las necesidades del proceso.

El sistema CHPG es de menor aprovechamiento tcnico, pero reviste una de las aplicaciones ms simples y que menos puede afectar al grupo generador en caso de falla. Aplica para calentamiento de agua y otros fluidos, o generacin de vapor.

Figura 3.8: Circuitos para cogeneracin en grupos generadores

Por ltimo, el esquema CHPR se caracteriza por una menor inversin, ofreciendo buenas condiciones para procesos con menores temperaturas y necesidades de precalentamiento.

La modalidad CHPE no ilustrada corresponde al caso tpico de grupo generador, sin aporte ni equipamiento de recuperacin trmica energa elctrica.

CHPR+G

Motor

2

Motor

CHPG

Motor

CHPR

Motor

1

41

Los productos que comnmente se obtienen de un ciclo de cogeneracin basado en grupos generadores diesel, son agua caliente (u otro fluido auxiliar) y vapor saturado.

Es importante agregar que tambin existen aplicaciones de cogeneracin en que el desfase de las curvas de demanda trmica y elctrica han dado cabida a tecnologas de almacenamiento trmico, utilizando calor no aprovechado en simultaneidad con la demanda elctrica en circuitos de evaporacin y refrigeracin, con sustancias que conservan fro para luego aportarlo en circuitos de refrigeracin. Sin embargo, esta materia no es tratada en este trabajo.

Los componentes principales del sistema de cogeneracin para estas aplicaciones son:

Intercambiadores de calor para lquido/lquido Intercambiadores de calor para lquido/gas Piping, estanques de expansin, vlvulas de control, instrumentos

3.3 Parmetros de diseo para la estimacin del excedente trmico recuperable con cogeneracin

La recuperacin de los excedentes trmicos de un motor involucra el uso de intercambiadores de calor, manteniendo los flujos calientes y fros separados por una pared interior del elemento recuperador. Aun cuando existe radiacin al ambiente y entre los fluidos, la transferencia de calor en el recuperador es producto de la conduccin y conveccin trmica, lo que puede ser modelado como sistema abierto incorporando el calor especfico C del medio portador de la energa, un flujo msico m por unidad de tiempo en que mentrada = msalida, y temperaturas iniciales y finales T1 y T2.

Q = m * C * dT

(3-2)

T1

T2

42

Por simplicidad, la solucin de la expresin 3-2 se busca para condiciones de rgimen permanente de un sistema abierto, en que las propiedades en un determinado punto del intercambiador se mantienen constantes.

Adems, la mayora de las aplicaciones involucran lquidos incompresibles cuyo calor especfico a presin constante y a volumen constante son iguales y prcticamente constantes en el rango de temperaturas de trabajo de estas aplicaciones. En caso de gases de escape, asimilables en comportamiento al aire, puede adoptarse un calor especfico promedio para el rango de temperaturas de trabajo, considerando que el proceso interno del intercambiador es aproximadamente a presin constante, afectado por la reducida cada interna de presin del equipo, producto de las restricciones constructivas impuestas por los lmites de contrapresin total en el circuito de escape del motor. As, la expresin se simplifica a:

La salvedad de esta solucin simplificada se tendr cuando las magnitudes de calor y temperatura puedan producir algn cambio de estado en el fluido (a temperatura constante), caso en que la solucin a la expresin 3-2 ser en forma discreta basada en las entalpas correspondientes.

Para evaluar el calor transferible y la eficiencia global de la planta de cogeneracin, es necesario conocer el comportamiento de las temperaturas, flujos, densidad y calor especfico en gases de escape y refrigerante en rgimen permanente, en funcin de la potencia nominal Pn del grupo generador y de su nivel de carga X(%).

En adelante, las condiciones de trabajo y desempeo de los grupos generadores sern referidas a las condiciones estndares ambientales ISO, comunes a las normas BS 5514: Part 1: 1987 e ISO 3046/1-1986.

Q = m * C dT = m * Cp * (T2 T1)

(3-3)

T1

T2

43

Figura 3.9: Esquema de Cogeneracin G+R en grupos generadores

3.3.1 Gases de escape

Alrededor de un tercio de la energa que ingresa a un motor de combustin interna en forma de