ProgramacionIngenieriaMecanicaUPB:Grupo 1320 02

INTEGRANTES

• Daniel Garces,Estudiante de Ingenieria Mecanica
• Andres Cordoba Bustamante, Estudiante de Ingenieria Mecanica
• Juliana Rua Agudelo, Estudiante de Ingenieria Mecanica

RESUMEN

En este trabajo lo que se pretende es que a través de un software el usuario pueda ingresar los datos requeridos, como por ejemplo la eficiencia la cual es variable, para que se den los resultados adecuados. Se tiene en cuenta también los precios del carbón y la energía consumida por cada planta por años para poder elegir que planta funciona con mayor rendimiento y eficiencia.

• En la introducción se especifica las diferencias entre la planta con quemadores de carbón y la planta con ciclo combinado de gasificación.

INTRODUCCIÓN

Las transformaciones de trabajo son necesarias para resolver las necesidades de la sociedad. La mayor parte del trabajo disponible en estas sociedades se da en forma de trabajo eléctrico que es convertido posteriormente por medio de motores en trabajo mecánico rotatorio; este trabajo eléctrico se produce en plantas de potencia hidroeléctrica la cual se obtiene a partir de combustibles fósiles o nucleares; en este caso la necesidad es la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor la cual se da mediante la combustión de combustibles fósiles como el petroleo , gas natural o carbón.[3]

Prácticamente todas las centrales eléctricas de carbón, nucleares, geotérmicas, energía solar térmica o de combustión de biomasa, así como algunas centrales de gas natural son centrales termoeléctricas. El calor residual de una turbina de gas puede usarse para producir vapor y a su vez producir electricidad en lo que se conoce como un ciclo combinado lo cual mejora la eficiencia.[1]

Algunas centrales termoeléctricas contribuyen al efecto invernadero emitiendo dióxido de carbono. No es el caso de las centrales de energía solar térmica que al no quemar ningún combustible, no lo hacen. También hay que considerar que la masa de este gas emitida por unidad de energía producida no es la misma en todos los casos: el carbón se compone de carbono e impurezas.[2]

En las plantas termoeléctricas, la reducción del tamaño de los trozos de carbón se limita a la trituración y pulverización, aunque en algunas ocasiones resulta económico comprar pretriturados en el caso de unidades de poca potencia y, en particular, en hogares mecánicos. Cuando se limita la cantidad máxima de finos en el carbón, la degradación del tamaño de sus partículas que tiene lugar durante el transporte y manipulación, se debe tener en cuenta a la hora de establecer las especificaciones correspondientes al suministro, para evitar el peligro de incendio.[4]

En el presente trabajo se ha creado un software (GUI) llamado “Valoración económica de un ciclo térmico que usa carbón como combustible”, que bajo unas condiciones definidas por el usuario presenta los costos del carbón por unidad, también se observan dos gráficas, Periodo de años Vs Unidad de costo del carbón y Eficiencia Vs Unidad de costo del carbón.

planta carbon

MARCO TEORICO

FUNCIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE CARBÓN

Las centrales térmicas convencionales producen energía eléctrica a partir de combustibles fósiles, como son el carbón, el fuelóleo o el gas. Además, utilizan tecnologías clásicas para la producción de electricidad, es decir, mediante un ciclo termodinámico de agua/vapor.[5]

El carbón almacenado cerca de la central es conducido mediante una cinta transportadora hacia una tolva que alimenta al molino . Aquí el carbón es pulverizado finamente para aumentar la superficie de combustión y así mejorar la eficiencia de la misma. Una vez pulverizado, el carbón se inyecta en la caldera , mezclado con aire caliente para realizar el proceso de combustión.[5]

La caldera está formada por numerosos tubos por donde circula agua, que es convertida en vapor a alta temperatura. Los residuos sólidos de esta combustión caen al cenicero para ser posteriormente transportados a un vertedero. Las partículas finas y los humos se hacen pasar por los precipitadores y los equipos de desulfuración , con el objetivo de retener un elevado porcentaje de los contaminantes que en caso contrario llegarían a la atmósfera a través de la chimenea .[5]

El vapor de agua generado en la caldera acciona los álabes de las turbinas de vapor , haciendo girar el eje de estas turbinas que se mueve solidariamente con el rotor del generador eléctrico .En el generador, la energía mecánica rotatoria es convertida en electricidad de media tensión y alta intensidad. Con el objetivo de disminuir las pérdidas del transporte a los puntos de consumo, la tensión de la electricidad generada es elevada en un transformador , antes de ser enviada a la red general mediante las líneas de transporte de alta tensión .[5]

Después de accionar las turbinas, el vapor de agua se convierte en líquido en el condensador. El agua que refrigera el condensador proviene de un río o del mar,y puede operar en circuito cerrado, es decir, transfiriendo el calor extraído del condensador a la atmósfera mediante torres de refrigeración o,en circuito abierto,descargando dicho calor directamente a su origen.

PLANTA CON QUEMADORES DE CARBÓN

Aunque el carbón tiene materias volátiles que en mezcla con el aire dan lugar a llamas, la mayor parte de su materia combustible es sólida y a ella tiene que llegar el oxígeno para que tenga lugar la reacción de combustión. Está etapa de difusión es la más lenta, por lo que debe activarse aumentado el contacto sólido-aire lo que implica reducir el tamaño del carbón. El carbón debe secarse, pulverizares a tamaños que dependen de la clase de carbón, y se transporta neumáticamente al quemador, de modo que el aporte de aire represente del 20% al 40% de aire de combustión, según sea el contenido de humedad y cenizas. el quemador es similar al utilizado para combustibles líquidos, pero debido al tiempo de combustión es más largo y se dan velocidades de salida más bajas.[7]

CICLO COMBINADO DE GASIFICACIÓN

La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (carbón, biomasa, plástico) es transformado en un gas combustible mediante una serie de reacciones que ocurren en presencia de un agente gasificante (aire, oxígeno, vapor de agua o hidrógeno). [6]

La composición del gas es muy dependiente de las condiciones en las que se realiza la gasificación pero suelen ser ricos en monóxido de carbono y/o hidrógeno, con contenidos menores de dióxido de carbono, metano y otros hidrocarburos. El sustrato carbonoso de origen y el agente gasificante son los parámetros que determinan el mayor o menor contenido en energía (poder calorífico) del gas.[6]

planta gasificacion tampa

EJERCICIO PROPUESTO

El Departamento de energía proyecta que entre los años 1995 y 2010, Estados Unidos necesitará construir nuevas plantas eléctricas para generar una cantidad adicional de 150.000.000 MW de electricidad para responder a la demanda creciente de potencia eléctrica. Una posibilidad es construir plantas con quemadores de carbón, cuya construcción cuesta US $1.300 por kW y tienen una eficiencia de 34 por ciento. Otra posibilidad es usar las plantas más limpias ecológicamente de Ciclo Combinado de Gasificación Integrada (IGCC, por sus siglas en inglés), en las que el carbón se somete a calor y presión para gasificarlo al mismo tiempo que se eliminan el azufre y sus derivados. El carbón gasificados se quema luego en una turbina de gas, y parte del calor de desecho de los gases de escape se recupera para generar vapor para la turbina de vapor. Actualmente la construcción de plantas IGCC cuesta alrededor de US $1.500 POR kW, pero su eficiencia es alrededor de 45 por ciento. El poder calorífico promedio del carbón es alrededor de 28.000.000 kJ por tonelada (es decir, se liberan 28.000.000 kJ de calor al quemar una tonelada de carbón). Si la planta IGCC ha de recuperar su diferencia de costo por ahorros en combustible en cinco años, determine cuál debe ser el precio de carbón en US $ por tonelada.[3]

ESPECIFICACIONES DEL EJERCICIO PROPUESTO

• Planta con quemadores de carbón

Energía demandada= 150.000.000 kW

Costo = $1300/ kW

Eficiencia = 0.34

• Planta con ciclo combinado de gasificación

Energía demandada= 150.000.000 kW

Costo = $1500/ kW

Eficiencia = 0.45

SIMBOLOGIA

Eficiencia = $n$

Eficiencia del carbon = $n_{c}$

Electricidad producida = $W_{e}$

Energía demandada = ${\dot {W}}$

Cambio del tiempo= $\Delta t$

Cantidad de combustible = $Q_{i}n$

Poder califico = $P_{c}$

Diferencia de costos de las plantas= $\Delta$

DISEÑO DE LA SOLUCIÓN

DATOS:

• Planta con quemadores de carbón:
• Costo de construcción para la planta con quemadora de carbón:

${\dot {W}}$ * Costo

$(150.000.000kW)(\$1300/kW)$

• Costo de construcción para la planta con gasificadores:

$(150.000.000kW)(\$1500/kW)$

• Diferencia de costos de construcción:

$\$225\cdot 10^{9}$ - $\$195\cdot 10^{9}$= $\$30\cdot 10^{9}$

• La cantidad de electricidad producida en la planta durante 5 años es:

$W_{e}={\dot {W}}\Delta t=(150.000.000kW)(5\cdot 365\cdot 24h)=6.570\cdot 10^{12}kWh$

• La cantidad de combustible necesario para generar una cantidad especificada de energía puede determinarse a partir de :

$n$= $W_{e}/Q_{i}n$

$M_{c}$ = $Q_{i}n$/$P_{c}$

• Cantidad de carbón necesaria para generar esta cantidad de electricidad por cada planta y la diferencia es:

$n_{c}$= $W_{e}/n(P_{c})$

$(6.570\cdot 10^{12}kWh)/(0,34)(28\cdot 10^{6}kJ/ton)\cdot (3600/1kWh)$ = $2.48ton\cdot 10^{9}$

• Planta con ciclo combinado de gasificación:

$M_{c}$= $W_{e}/n(P_{c})$

$(6.570\cdot 10^{12}kWh)/(0,45)(28\cdot 10^{6}kJ/ton)\cdot (3600/1kWh)$ = $1.877ton\cdot 10^{9}$

• Diferencia entre las plantas

$\Delta =M_{c}-M_{I}$

$2.484\cdot 10^{9}$ − $1.877\cdot 10^{9}$ = $0.607\cdot 10^{9}ton$

• Para la diferencia del costo de construcción de $US 30 mil millones, el precio del carbón debe ser :

$CostoxU=\Delta _{\$}/\Delta _{c}$

$\$30\cdot 10^{9}/0.607\cdot 10^{9}ton$ = $\$49.9/ton$

• La planta IGCC, se convierte en atractivo cuando el precio del carbón esta por encima del costo de unidad de carbón.

DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE

Una interfaz es un conjunto de componentes de la pantalla que permiten al usuario realizar acciones sobre el sitio donde se esta trabajando y navegando, se considera parte de la interfaz a los elementos de identificación que la conforman, cada uno de los elementos de la interfaz debe pensar para causar un efecto sobre el usuario y deben utilizarse con un objetivo. La interfaz a utilizar en este trabajo tiene la posibilidad de elegir el periodo de años, la potencia y la electricidad demandada y luego de elegidas se activa el botón calcular y arroja el costo por unidad del carbon, las condiciones para que el botón graficar se active es que el usuario haya introducido las tres variables solicitadas según criterio propio y se arrojaran la gráficas de Periodo de años Vs Unidad de costo del carbón, el costo por unidad del carbón, el costo de producción tanto de la planta 1 como de la planta 2 y la cantidad de carbón necesaria en ambas plantas, como se muestra en la figura:

Interfaz gráfica de usuario

CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

• A futuro lo que se pretende con este software es que la industria de plantas de carbón pueda tener un método fácil y concreto con el cual se pueda saber de una manera exacta el costo por unidad del carbón, también lo que se quiere lograr es hacer los cálculos necesarios para un buen ahorro de energía.

• Se podría perfeccionar el programa para que arroje unos resultados mas precisos , dando así una mejor eficiencia para que la planta de carbón tenga un optimo funcionamiento durante los años en los cuales se hicieron los cálculos.

• Se esperaría que este software fuera un apoyo para aquellas empresas de esta índole. Lo que se quiere lograr con esto es crear un método más fácil de practico funcionamiento que muestre las mejores opciones para que la empresa tenga unas ideas adecuadas de como optimizar su trabajo.

REFERENCIA

• [1]http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/centrales-de-generacion-de-energia-electrica/materiales/bloque-energia-IV.pdf
• [2]http://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctrica
• [3]Termodinámica, Yunus A. Cengel- Michael A. Boles.
• [4]http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo7.html
• [5]http://www.veoverde.com/2010/07/que-es-una-central-termoelectrica/
• [6]http://www.unesa.es/sector-electrico/funcionamiento-de-las-centrales-electricas/1351-central-termica
• [7]http://www.books.google.com.co/books?isbn=8426713645