Este documento presenta el diseño de un ciclo Rankine regenerativo para una planta de energía de 300 MW ubicada en Zipaquirá, Colombia. Incluye las características de diseño, propiedades termodinámicas de los puntos clave del ciclo, ecuaciones de balance de masa y energía, y los resultados que muestran las masas de vapor que circulan. El rendimiento del ciclo calculado es de 50%.

1. UNIVERSIDAD AUTONOMA DE COLOMBIA<br />YANG STEVEN GOMEZ MATIZ<br />SEBASTIAN MALDONADO VERA<br />PRODUCCION DE ENERGIA<br />DISEÑO DE UN CICLO RANKINE REGENERATIVO DE UNA PLANTA<br />CARACTERISTICAS DE DISEÑO:<br />POTENCIA: 300MW<br />UBICACIÓN: ZIPAQUIRA<br />TEMPERATURA DE AGUA DE REFRIGERACION: 12ºC<br />DISPONIBILIDAD AGUA DE REFRIGERACION: RIO <br />RENDIMIENTOS:<br />ȠTURBINA= 0,83<br />ȠBOMBAS= 0,80<br />ȠGENERADOR= 0,95<br />PROPIEDADES DE VAPOR VIVO<br />PARA LAS CONDICIONES DE VAPOR VIVO NOS BASAMOS EN EL CRITERIO ALEMAN DE LA COMPAÑÍA BROWN BOVERI<br />EN LA INTERPOLACION DE LA GRAFICA DE POTENCIA vs PRESION SE DEFINIÓ:<br />TEMPERATURA: 535/535ºC (995/995ºF)<br />PRESION: 155 bares (2247,5 psia)<br />TEMPERATURA DE CONDENSACION<br />TEMP. CONDENSACION = 29ºC (84,2ºF)<br />NUMERO DE CALENTADORES= 8<br />PRESION DE CONDENSACION PUNTO 11<br />UNA VEZ OBTENIDA LA TEMPERATURA DE CONDENSACION (84,2ºF) SE OBTIENEN LAS PROPIEDADES DE LIQUIDO SATURADO EN ESTE PUNTO POR MEDIO DE LAS TABLAS.<br />Presión de condensación= 0,5876 psia<br />Volumen especifico= 0,01608259 pie3/lbm<br />Entalpia= 52,2633 Btu/lbm<br />PROPIEDADES DE VAPOR VIVO PUNTO 1<br />Entalpia= 1463,4 Btu/lbm<br />Entropía=1,54113 Btu/lb ºR<br />PROPIEDADES PUNTO 1S<br />TIENE LA MISMA ENTROPIA DEL PUNTO 1 Y SE ENCUENTRA EN LA LINEA DE PRESION DE CONDENSACION CONSTANTE (PRESION 10) POR TANTO PARA ESTE PUNTO SE TIENE QUE:<br />Entalpia= 853,962 Btu/lbm<br />Temperatura ºF= 84,52ºF<br />Ahora con la eficiencia de la turbina se puede determinar el punto 10i<br />h10i = hi – ƞt (hi-h10s)<br />h10i= 1463,4 -0,83 (1463,4 – 853,952)<br />h10i= 942,62 Btu/lbm<br />Asumiendo TAAC= 392ºF<br />Es posible determinar el cambio de temperatura en cada calentador<br />(ΔT) cada calentador=TAAC-Tcond.Nº calentadores<br />(ΔT) =392ºF-84,2ºF8= 38,475ºF<br />En la temperatura 11 no se tienen en cuenta las perdidas en la bomba de baja presión, por lo tanto Tº11= Tº12<br />Temperatura de salida primer calentador<br />T13= T12 + ΔT<br />T13= 84,2ºF + 38,475ºF<br />T13= 122,65ºF<br />Para obtener las presiones de extracción en la turbina tenemos en cuenta el diferencial entre calentadores y condensador<br />TC1C= T13 + 50ºF<br />TC1C= 172,675ºF<br />Como esta es una salida de agua saturada según tablas la presión 9 es de 6,02 psia<br />Temperatura de salida segundo calentador<br />T14= T13 + ΔT<br />T14= 122,675ºF + 38,475ºF<br />T14= 161,15ºF<br />TC2C= T14 + 50ºF<br />TC2C= 161,15ºF + 50ºF <br />TC2C= 211,15<br />La presión de agua saturada es:<br />P8= 14,2 psia<br />Temperatura de salida tercer calentador<br />T15= T14 + ΔT<br />T15=161,15ºF + 38,475ºF<br />T15=199,625ºF<br />TC3C= T15 + 50ºF<br />TC3C= 199,625ºF + 50ºF <br />TC3C= 249,625<br />La presión de agua saturada es:<br />P7= 29,5 psia<br />Temperatura de salida cuarto calentador<br />T16= T15 + ΔT<br />T16=199,625ºF + 38,475ºF<br />T16=238,1ºF<br />TC4C= T15 + 50ºF<br />TC4C= 238,1ºF + 50ºF <br />TC4C= 288,1ºF<br />La presión de agua saturada es:<br />P6= 55 psia<br />Temperatura de salida quinto calentador<br />T17= T16 + ΔT<br />T17= 238,1ºF + 38,475ºF<br />T17= 276,575ºF<br />TC5C= T16 + 50ºF<br />TC5C= 276,575ºF + 50ºF <br />TC5C= 326,575ºF<br />La presión de agua saturada es:<br />P5= 95 psia<br />Como el criterio de ubicación del desaireador es que la presión de salida de calentador sea superior a 73,5 psia esta será su ubicación definitiva.<br />Bomba de alta presión<br />Esta es la bomba que alimenta la caldera por tanto no se considera pérdidas en este punto. Tº T17= T18<br />Temperatura de salida sexto calentador<br />T19= T18 + ΔT<br />T19=276,575ºF + 38,475ºF<br />T19=315,05ºF<br />TC6C= T19 + 50ºF<br />TC6C= 315,05 + 50ºF <br />TC6C= 365,05ºf<br />La presión de agua saturada es:<br />P4= 164 psia<br />Temperatura de salida séptimo calentador<br />T20= T19 + ΔT<br />T20=315,05ºF + 38,475ºF<br />T20=353,525ºF<br />TC7C= T20 + 50ºF<br />TC7C= 353,525ºF + 50ºF <br />TC7C= 403,525ºF<br />La presión de agua saturada es:<br />P3= 251 psia<br />Temperatura de salida octavo calentador<br />T21= T20 + ΔT<br />T21= 353,525ºF + 38,475ºF<br />T21= 392ºF<br />TC8C= T21 + 50ºF<br />TC8C= 392ºF + 50ºF <br />TC8C= 442ºF<br />La presión de agua saturada es:<br />P2= 390,5 psia<br />P2 es la primera extracción que se hace de la turbina en la que se extrae todo el vapor, una parte en el calentador de agua de alimentación de caldera y el resto va al recalentador en la caldera, donde se incrementa su temperatura hasta 995ºF lo cual nos permite ubicar en el punto 2r.<br />PROPIEDADES PUNTO 2r<br />Presión P2= 390,5 psia<br />Temperatura = 995ºF<br />Según tablas:<br />Entalpia= 1521,41<br />Entropía= 1,76458 Btu/lb ºR<br />El punto 2rs tiene la misma entropía del punto 2r y está ubicado en la línea de presión constante de condensación.<br />Presión= 0,5876 psia<br />Entropía= 1,76458 Btu/lbm<br />Según tablas:<br />Temperatura= 84,528ºF<br />Entalpia= 957,563 Btu/lbm<br />Con la eficiencia de la turbina se puede encontrar el punto 10<br />h10= h2r –ƞt (h2r – h2rs)<br />h10= 1521, 41 – 0,83 (1521,41 - 957,563)<br />h10= 1053,41 Btu/lbm <br />Según tablas:<br />Temperatura= 84,528 ºF<br />En la bomba de condensado se tiene <br />h12= h11 + V11 (P5 –P10)<br />h12= 52,26 +0,016082 (95 – 0,5876)<br />h12= 52,54 Btu/lbm<br />Bomba de alta presión caldera<br />h18= h17 + V17 (P1 –P5)<br />h18=245,801 + 0,0172 (2248,08 -95)<br />h18= 252,66 Btu/lbm<br />Con estos datos es posible obtener las propiedades de los otros puntos <br />Determinación de las masas de extracción<br />Balance de masas<br />Calentador 1<br />(m1-m5)(h12-h13)+m9 (h9-h22)=0<br />Calentador 2<br />(m1-m5)(h13-h14)+m8 (h8-h23)=0<br />Calentador 3<br /> (m1-m5)(h14-h15)+m7 (h7-h24)=0<br />Calentador 4<br />(m1-m5)(h15-h16)+m6 (h6-h25)=0<br />Calentador 5<br />(m1-m5)h16+m5h5= m1h17<br />Calentador 6<br />m1(h18-h19)+m4 (h4-h27)=0<br />Calentador 7<br />m1(h19-h20)+m3 (h3-h28)=0<br />Calentador 8<br />m1(h20-h21)+(m1-m2r) (h2-h29)=0<br />Ecuación 9 (Balance termodinámico Turbinas)<br />m1(h1-h2)+m2r(h2r-h10)-m3(h3-h10)-m4(h4-h10)-m5(h5-h10)-m6(h6-h10)-m7(h7-h10)-m8(h8-h10)-m9(h9-h10)=0<br />Como podemos ver tenemos un sistema con 9 incógnitas, y 9 ecuaciones (8 de balance termodinámico de los calentadores y 1 de la turbina). Existen diversos métodos que podemos emplear para resolver este sistema, en nuestro caso nos apoyamos de matrices con soporte del software Excel obteniendo los siguientes resultados<br />Resultadoslb/horaTon/horam11943494,65882,346573m2r1853512,05841,494473m370628,013832,0651183m465722,123529,8378441m565753,465229,8520732m668909,384231,2848604m769193,229131,413726m869570,667831,5850832m970067,758931,8107626<br />Esto nos permite conocer las distintas masas de agua que circulan por nuestro ciclo en los diferentes estados, ahora podemos conocer que eficiencia tiene nuestro ciclo rankine generativo<br />Rendimiento del ciclo <br />ηciclo=Wtm1 h1-h21+m1-m2r(h2r-h2)<br />ηciclo=0,50<br /> PThvs Pto.psiaºFbtu/lbmft3/lbm 12248,084949951463,4 1,54113Vapor Vivo1s0,5876 835,962 1,54113 2390,5 1290,5691 2r390,59951521,41 1,76458 2rs0,5876 957,563 1,76458 3251,3 1466,4225 4164 1418,0086 595 1362,4484 655 1313,3705 729,5 1264,5665 814,2 1215,7625 96,02 1166,3028 100,587684,5281053,41699 10s 835,962 10i0,5876 942,62646 110,587684,252,26330,01608259 Condensacion129584,252,5443399 Bomba 1 Baja presion1395122,67590,9103 Salida primer calentador1495161,15129,345 1595199,625167,912 1695238,1206,699 1795276,575245,8010,0172251 182248,08494276,575252,665451 Bomba 2 Alta presion192248,08494315,05289,181 202248,08494353,525328,785 212248,08494392369,02 226,02 138,136 2314,2 178,394 2429,5 217,949 2555 256,447 2695 27164 338,193 28251,3 376,626 29390,5 421,551 2s2248,08494 1255,17 1,54113 3s251,3 1455,16 1,76458 4s164 1396,83 1,76458 5s95 1329,89 1,76458 6s55 1270,76 1,76458 7s29,5 1211,96 1,76458 8s14,2 1153,16 1,76458 9s6,02 1093,57 1,76458 <br />Comentarios<br />Para obtener un rendimiento óptimo sobre esta planta se encadenaron los distintos valores en varias hojas de cálculo en Excel. El archivo original del cálculo de esta planta lo puede encontrar en www.unpocodeingenieria.co.cc, donde se encuentran sustentados todos los cálculos que se presentan en este informe.<br />Además para extraer los distintos datos que fueron necesarios referentes a las propiedades del agua en sus distintos estados, se usó el software AFT STEAM CALC. En lo personal el uso de este programa agiliza significativamente este proceso ya que solo debemos introducir uno o dos datos y él se encarga de mostrar todas las características de este punto en múltiples sistemas de unidades.<br />Nota: En este informe no se explica a plenitud como se obtuvieron algunos valores de entalpias en distintos puntos.<br />Estos puntos son todas las extracciones que se realizan de la turbina, que se pueden obtener desde el punto 2r hasta cada uno de estos (3,4,5,6,7,8,9) con la siguiente ecuación hn=(h2r-nt(h2r-hns), donde hns es la descarga de la turbina para el punto n en condiciones isotrópicas.<br />Para los puntos (22,23,24,25,26,27,28,29) que son las distintas salidas de los calentadores, los cuales están diseñados para entregar liquido saturado, lo cual nos permite con su respectiva línea de presión constante obtener qué valor de entalpia tienen.<br />