Post on 13-Oct-2015
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
1/131
Daniel lvarez
18/05/2013
CORPOELEC, Empre
Ministerio del Poder P
institucin que nace co
sector elctrico venezo
un servicio elctrico co
Las calderas de dich
pesado que en la a
conversin a gas de es
la eficiencia del ciclo
generacin del sistema
demostrar que tan efic
combustible pesado par
Evalu acin Tcn ica - Econm ica para la conv ersin a gas
de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO - CORPOELEC
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
2/131
REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD
NACIONAL EXPERIMENTAL RAFAEL MARIA BARALT
VICE RECTORADO ACADEMICO PROGRAMA: INGENIERIA Y
TECNOLOGA PROYECTO: INGENIERIA DE GASSEDE: LOS PUERTOS DE ALTAGRACIA
EVALUACIN TCNICA - ECONMICA DE LA CONVERSIN A GAS DE
LAS CALDERAS 3 Y 4 DE PLANTA CENTRO-CORPOELEC
Trabajo especial de grado para optar al ttulo de ingeniero de gas.
Autor
Daniel lvarez
19.614.265
Tutor Acadmico Tutor Metodolgico
Msc. Davison Matos Msc. Yovis Velasquez
Tutor IndustrialIng. Jorge Martnez
Los Puertos de Altagracia, Septiembre del 2013
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
3/131
EVALUACIN TCNICA - ECONMICA DE LA CONVERSIN A GAS DE
LAS CALDERAS 3 Y 4 DE PLANTA CENTRO-CORPOELEC
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
4/131
REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
RAFAEL MARIA BARALT
VICERRECTORADO ACADEMICO
PROGRAMA INGENIERIA Y TECNOLOGIA
PROYECTO INGENIERIA DE GAS
EVALUACIN TCNICA - ECONMICA DE LA CONVERSIN A GAS DE
LAS CALDERAS 3 Y 4 DE PLANTA CENTRO-CORPOELEC
Proyecto especial de grado para optar al ttulo de Ingeniero de Gas
Autor
Daniel lvarez19.614.265
_________________________ ___________________________
Tutor Acadmico Tutor Metodolgico
Msc. Davison Matos Msc. Yovis Velasquez
________________________________
Tutor Industrial
Ing. Jorge Martnez
Los Puertos de Altagracia, Septiembre de 2013
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
5/131
DEDICATORIA
A LA INSTITUCIN Por ofrecerme los conocimientos necesarios para el
desarrollo laboral y profesional en el rea, el cual va en mi vocacin ypersonalidad.
A LA ORGANIZACIN Por brindarme la oportunidad de mi primera
experiencia laboral como inicio de mi carrera como profesional y la oportunidad de
poner en prctica los conocimientos adquiridos en la casa de estudio.
A MIS TUTORES Por la confianza de poner en mis hombros una tareaimportante para la corporacin, y los conocimientos brindados durante mi estada
en la universidad.
A MIS PADRESPor el apoyo incondicional en lo que necesitara para poder
llevar a cabo con toda satisfaccin y llenar las expectativas que tena para mi
carrera universitaria.
A ESA PERSONITA ESPECIALPor aguantarse todas mis tonteras y estar
pendiente de m en todo lo que hiciera, que me hace sentir que por ella me
comera el mundo y as llegar a donde estoy. TE AMO NENA.
A MIS AMIGOS Por el apoyo tanto en los momentos ms difciles hasta
cuando no los necesitara, pero siempre s que estn all para lo que se presente.
A LOS COMPAEROS DEL DEPARTAMENTO Por armarse depaciencia para poder despejar todas mis dudas durante la estada en la empresa y
el apoyo incondicional en lo que necesitara para el desarrollo de mi proyecto.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
6/131
Por ltimo pero no menos importante le dar gracias a todo el proceso que
engloba la REVOLUCION, por promover la creacin del nuevo Ciudadano con
tica social y hermandad, impulsar polticas de innovacin de nuevas tecnologas
y estrategias y el fomento a la juventud venezolana a incorporarse a la demandade profesionales que la patria necesita.
Solo me queda agregar una frase de un personaje importante de la msica
latinoamericana, el 20 de septiembre 1997 en el Estadio de River Plate tras la
finalizacin de la cancin Msica Ligera
No solo no hubiramos sido nada sin ustedes, sino con toda la gente queestuvo a nu estro alrededor d esde el com ienzo;
GRACIAS TOTALES
Gustavo Cerati
Vocalista y Guitarrista de Soda Stereo
DANIEL ALVAREZ
V
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
7/131
VI
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
8/131
AGRADECIMIENTO
A la Universidad Nacional Experimental Rafael Mara Baralt por
abrirme sus puertas, siendo mi segundo hogar, y as darme la oportunidad deformarme como profesional y como persona.
A mis familiares y amigos por ser y estar siempre ah apoyndome en
todo momento y gracias a ellos estoy donde estoy, culminando ms que una
meta, unos de los tantos sueos que tengo delante por cumplir. Sin sueos
no habra una vida con sentido
A todos los profesores, especialmente, a mis tutores, por haber
contribuido a la formacin y armndose de paciencia despejando tantas
dudas.
A CORPOELEC quien gustosamente brindo su colaboracin para
cumplir con los objetivos planteados para este trabajo.
lvarez
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
9/131
NDICE GENERAL Pg.
VEREDICTO.. IV
DEDICATORIA..... V
AGRADECIMIENTO VII
NDICE GENERAL... X
NDICE DE CUADROS XII
NDICE DE FIGURAS.. XIII
RESUMEN XVINTRODUCCIN.................................................................................... 1
CAPITULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del problema................................................................... 4
Formulacin del problema...................................................................... 7
Objetivos de la
investigacin.. 8
Objetivo
general...................................................................................... 8
Objetivos especficos.............................................................................. 8
Justificacin de la
investigacin.............................................................. 8
Delimitacin de lainvestigacin. 11
Delimitacin espacial.............................................................................. 11
Delimitacin temporal............................................................................. 11
Delimitacin conceptual. 11
VII
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
10/131
CAPITULO II
MARCO TE RICO
Antecedentes de la Investigacin........................................................... 12
Bases tericas........................................................................................ 14
Conversin de calderas a
gas.... 14
Calderas.... 14
Caderas acuotubular.............................................. 15
Economizador.. 16Domo. 16
Sobrecalentadores.. 17
Evaporador.. 17
Recalentador 17
Estacin de gas
natural... 18
Sistemas de medicin y
flujo.. 19
Vlvulas de
cierre. 22
Vlvulas de seguridad. 22
Vlvulas
reguladoras... 23
Filtros. 23
Red interior detubera. 24
Quemadores. 25
Ventilador de tiro
forzado.... 26
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
11/131
Ventilador recirculador de gases 27
Calentador de aire con condensado.. 27
Calentador de aire con
vapor..... 27Calentador de aire regenerativo. 28
Ciclo de
potencia.. 29
Ciclo de potencia de
vapor.. 29
Ciclo
Rankine 29Ciclo Rankine regenerativo con recalentamiento
intermedio 30
Maquinas trmicas 31
Calor 32
Transferencia de
calor. 32
Temperatura. 34
Eficiencia. 34
Poder calorfico. 37
Teora inorgnica de la
combustin...... 38
Llama..... 40
Temperatura de la llama. 41
Gasodinamica de la
combustin 42Emisividad de la
llama. 42
Aire de combustin.. 44
Exceso de 45
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
12/131
aire..
Poder calorfico del aire... 45
Gas
natural 45Anlisis
ORSAT 47
ASME PTC 4.1. 49
Definicin de trminos bsicos.. 60
Sistema de Variables 63
Variable. 63
Conceptualizacin de la variable 63Operacionalizacin de la
variable.. 63
CAPITULO III.
MARCO METODOLOGICO
Tipos de investigacin............................................................................ 65
Diseo de la
Investigacin...................................................................... 66
Unidad de
anlisis 67
Tcnica para la recoleccin de
informacin. 68
Procedimiento de la
investigacin........................................................... 70
CAP TULO IV
ANLISIS DE LOS RESULTADOS
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
13/131
Conversin a gas de las calderas de PLANTA CENTRO
CORPOELEC 74
Objetivo nmero 1: condiciones actuales de las calderas 3 y 4 de
PLANTA CENTROCORPOELEC.. 75Sistema de alta
presin... 75
Economizador.. 75
Domo..... 75
Evaporador... 75
Sobrecalentadores. 75
Recalentador 76Sistema de aire
gases.. 78
Ventilador de tiro
forzado.... 78
Precalentadores de
aire.. 79
Precalentadores de aire con condensado.. 79
Precalentador de aire con
vapor 79
Calentador de aire regenerativo. 79
Ventilador recirculador de gases 80
Combustible pesado 80
Quemadores. 81
Objetivo nmero 2: comportamiento de eficiencia del fuel ol y gas
natural. 82Prdida del Gas de combustin
seca 83
Prdida debido a la humedad de la combustin de
hidrgeno. 83
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
14/131
Prdida por radiacin y
conveccin... 85
Prdidas "No contabilizadas". 85
Utilizando datos de eficiencia decaldera. 85
Objetivo nmero 3: parmetros tcnico - econmicos para la
conversin a gas de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO
CORPOELEC...... 89
Combustible.. 93
Mantenimiento.. 95
Generacin... 100Objetivo nmero 4: establecer las estrategias para la conversin a
gas de las calderas de PLANTA CENTRO-
CORPOELEC 102
Revisin de transferencia de calor entre zonas radiante y
convectiva 102
Evaluacin de la habilidad de los materiales (tubos, economizador,
sobrecalentador) para las nuevas
temperaturas. 103
Estudio de dilataciones estructurales frente a nuevas
exigencias... 105
Revisin y adecuacin de equipos de la
caldera 105
Anlisis adicionales. 106
CONCLUSIONES................................................................................... 107
RECOMENDACIONES.......................................................................... 108BIBLIOGRAFA....................................................................................... 109
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
15/131
Cuadro NDICE DE TABLAS Pg.
1 Contenido del gas natural 46
2 Cuadro de operacionalizacion de la variable. 52
3Aplicacin factores para convertir el anlisis de Gas hmedo
para secar Gas base76
4Aplicacin anlisis tpico para los combustible fsiles
comunes.76
5 Datos tomados de la unidad Nro. 3. 81
6 Datos tomados de la unidad Nro. 1. 82
7 Resultados de la cromatografa de gases 83
8 Anlisis de combustible pesado 84
9 Normalizacin de gases 85
10 Normalizacin de gases 8611 Demanda de energa vs gas equivalente 88
12 Especificacin de las lneas de tubera 89
13 Especificacin de medidores de flujo 90
14 Especificaciones de los quemadores 91
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
16/131
15Evolucin de costos de combustible y comparacin de
costos fuel ol y gas natural92
16 Costos de actividades de mantenimiento con fuel ol 93
17 Costos de actividades de mantenimiento con gas natural 96
18Generacin en el mes de marzo 2013 PLANTA CENTRO
CORPOELEC99
Figura NDICE DE FIGURAS Pg.
1 CalderaAcuotubular 15
2 Sistema de medicin de flujo 20
3 Sistema de medicin de energa total. 21
4 Vlvula de seguridad. 22
5 Vlvula reguladora. 23
6 Filtros.. . 24
7 Esquema del quemador RSFC 26
8 Esquema de CAC.. 27
9 Esquema de CAR o LUVO 28
10 Esquema del ciclo Rankine.. 30
11 Esquema del ciclo Rankine regenerativo con recalentamiento
intermedio.. 3112 Principio de mquinas trmicas.. 31
13 Mecanismo de combustin de metano.. 39
14 Reaccin y poder calorfico de varios hidrocarburos 40
15 Temperatura de la llama de varios componentes. 41
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
17/131
16 Representacin de gasodinamica del quemador.. 42
17 Emisividad de la llama segn su combustin. 44
18 Poder calorfico del gas natural 47
19 Calderas 3 y 4. 7020 Entradas y salidas de calor de la caldera 72
21 Perdidas principales de calor en la calderas.. 73
22 Radiacin y perdidas por conveccin para vario tamaos de
calderas.. 79
23 Grafica de sustitucin recomendadas de tubos en las
paredes de la caldera 102
Autor: Daniel lvarez. Tutores: MSc. Davison Matos, MSc. Yorvis Velzquez y
Ing. Jorge Martnez, Evaluacin Tcnica - Econmica para la conversin a
gas de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO - CORPOELEC. Universidad
Nacional Experimental Rafael Mara Baralt, Trabajo especial de grado para
optar al ttulo de Ingeniero de gas. Los Puertos de Altagracia, Septiembre
2013.
RESUMEN
La presente investigacin tiene como objetivo general, Evaluar la factibilidad
tcnica econmica para la conversin a gas de las calderas 3 y 4 de Planta
Centro-CORPOELEC. sta investigacin se considera descriptiva segn,
Hernndez, Fernndez y Baptista (2006), los estudios descriptivos miden, evalan o
recolectan datos sobre diversos aspectos, dimensiones o componentes delfenmeno a investigar. El diseo de la investigacin se considera de campo no
experimental y de proyecto factible, segn Chvez (2001), ya que los datos
necesarios para el estudio son tomados directamente desde la organizacin, pero
sin influir en ella a travs de un instrumento recoleccin de datos, diseados para tal
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
18/131
fin. La unidad de anlisis corresponde a las unidades 3 y 4 de PLANTA CENTRO
CORPOELEC, adems de la unidad 1 para el estudio de la experiencia de
conversin de gas natural. La gestin para la conversin a gas de calderas resulta
de gran valor para la produccin debido a que a travs de ella se puede obtenerfcilmente reduccin de costos y emisiones de gases invernadero, as a travs de
enlaces poder comparar las calderas existentes en la empresa y determinar la
productividad de cada una de ellas. Para realizar la conversin a gas natural de las
calderas de PLANTA CENTRO - CORPOELEC es recomendable seguir una serie
de etapa con estudio especializados los cuales ayuden a evaluar las fallas que se
puedan presentar en el proceso de conversin y la puesta en marcha del bloque de
servicio.
Palabras clave: Conversin a gas Calderas Generadores de Vapor -
Eficiencia.
XV
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
19/131
1
INTRODUCCIN
El panorama energtico internacional evoluciona aumentando
continuamente la demanda de energa como consecuencia del crecimientomundial de la poblacin, aumento de la calidad de vida en los pases
desarrollados y sub desarrollados, mayores expectativas de vida, gran
desarrollo industrial de ciertos pases. En definitiva, el desarrollo de los
pases siempre est vinculado a un aumento de la demanda energtica que
viene siendo imparable en todo el mundo desde el comienzo de la revolucin
industrial.
El uso racional de energa implica una valoracin del recursoenergtico en la cadena productiva, una generacin de una cultura de ahorro
y una implementacin de acciones para mejorar la eficiencia de los equipos
consumidores de recursos energticos, as como tambin el diseo de
estrategias de sustitucin de energticos. Los recursos energticos utilizados
en el mundo con mayor frecuencia son aquellos que son agotables y, por lo
tanto, deben ser valorados responsablemente para garantizar a las
generaciones venideras las adecuadas condiciones de subsistencia. En este
sentido, el uso racional de la energa es una alternativa orientada a eliminar
el desperdicio y el uso innecesario de la misma, sin disminuir la calidad de
vida de los habitantes.
Las centrales termoelctricas consisten en una caldera, en la que se
quema el combustible para generar calor que se transfiere a unos tubos por
donde circula agua, la cual se evapora. El vapor obtenido, a alta presin y
temperatura, se expande a continuacin en una turbina de vapor, cuyo
movimiento impulsa un alternador que genera la electricidad. Luego el vapores enfriado en un condensador donde circula por tubos agua fra de un
caudal abierto de un ro o por torre de refrigeracin.
Es de vital importancia dar a conocer entre otras cosas las ventajas
del gas natural con respecto a los combustibles buscando el mejoramiento
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
20/131
2
de la industria y el uso racional de energa que permite maximizar la
productividad, eficiencia y la competitividad de las empresas, as como
ayudar a reducir el impacto ambiental, puesto que redundan directamente en
la disminucin de la emisin de gases de efecto invernadero asociados conlos procesos de generacin elctrica y de calor.
En Venezuela en los ltimos aos se han incrementado las normas y
leyes con respecto a la prevencin del medio ambiente aplicable tanto a
empresas pequeas como grandes. Tal como es caso de La empresa
CORPOELEC, que es una empresa elctrica socialista del estado
venezolano, adscrita al ministerio del poder popular de energa elctrica, es
una institucin que nace con la visin de reorganizar y unificar el sectorelctrico venezolano a fin de garantizar la prestacin de un servicio elctrico
confiable, incluyente y con sentido social. El objetivo de la investigacin
surge con la necesidad de evaluar la viabilidad tecno econmico para la
conversin a gas de las calderas 3 y 4 de Planta Centro-CORPOELEC.
Se debi comprender los diferentes estatutos de los cdigos
internacionales para el anlisis de conversin para este tipo de recipientes;
por lo tanto esta evaluacin fue regida bajo las especificaciones del cdigo
A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers), tanto para las pruebas
de eficiencia (ASME PTC 4.1) como para los aspectos tcnicos (ASME Boiler
& Pressure vessel code).
De acuerdo a lo anteriormente planteado, la presente investigacin se
presenta de la siguiente manera:
El Captulo I: Establece las caractersticas del caso tomado en el
estudio, sus objetivos, la pertinencia e importancia de la investigacin as
como su delimitacin en un intervalo espacio-tiempo determinado.El Captulo II: Muestra ciertos trabajos relacionados directos e
indirectamente con el tema que apoyan la consecucin del estudio realizado,
los diferentes fundamentos tericos existentes, los trminos que han sido
involucrados al tema y el anlisis del sistema de variable.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
21/131
3
El Captulo III: Plantea el tipo de investigacin y su diseo, la
poblacin y la muestra, el instrumento de recoleccin de la informacin.
El Captulo IV: Se presenta las estrategias para la conversin a gas de
las calderas con todos los anlisis demostrados a lo largo de la investigacin,muestra la presentacin de los resultados, su anlisis y discusin. Por ltimo,
se presentan las conclusiones del trabajo y las recomendaciones producto
del anlisis de la problemtica presente, el listado de referencias
bibliogrficas que fundamentaron la investigacin y los anexos que brindan
soporte a los aspectos tratados en el estudio.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
22/131
4
CAPITULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del problema
A principios de los aos veinte, en la industria se inici la aplicacin de
temperaturas de proceso, presiones, reactivos y otras condiciones que
estaban ms all de las caractersticas de los materiales existentes en esos
das, para ese entonces no se contaba con intercambiadores de calor mucho
menos los materiales y aleaciones para llevar a cabo su fabricacin, lo cualllego a ser falta debido a los procesos que se ejercan para ese entonces en
el sector petrolero y energtico.
Las calderas son dispositivos de ingeniera diseados para generar
vapor debido a una transferencia de calor, proveniente de la transformacin
de la energa qumica del combustible mediante la combustin, en energa
utilizable (calor), y transferirla al fluido de trabajo (agua en estado lquido), el
cual la absorbe y cambia de fase (se convierte en vapor).
Estas forman parte de los equipos ms usados en la industria a nivel
mundial y los mayores responsables de consumo de combustibles en este
sector, por lo tanto, mantenerlas trabajando con una buena eficiencia redita
beneficios importantes para cualquier empresa. Generadores de vapor es un
trmino que est siendo utilizado en la actualidad para reemplazar la
denominacin de caldera. El cual indica al conjunto de equipos compuestos
por, horno u hogar, cmaras de agua o evaporador, quemadores,
sobrecalentadores, recalentadores, economizador y precalentador de aire.Se comprende que el trmino de caldera ha sido por mucho tiempo
utilizado, lo cual es muy comn la confusin entre caldera y generador de
vapor, pero la diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado
(vapor seco) y el otro genera vapor saturado (vapor hmedo). En la mayora
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
23/131
5
de las empresas e incluso en de uso domstico las calderas o generadores
de vapor funcionan con el mismo principio con la diferencia en el diseo de la
mquina. La produccin de vapor a partir de la quema de combustibles
fsiles se utiliza en todo tipo de industrias de transformacin de materiasprimas y en las centrales termoelctricas.
A travs del tiempo se ha desarrollado en base a la energa qumica
almacenada por la naturaleza en los combustibles fsiles y actualmente
depende de su disponibilidad, comercializacin y empleo. El carbn mineral
impulso la revolucin industrial y suministr la energa que cambi el mundo
en el siglo XIX; en el siglo XX, el petrleo se convirti en el oro negro que
domin la civilizacin y determin el ritmo de la economa del planeta.Teniendo en cuenta que el desarrollo de la tecnologa y la evolucin
de los precios del petrleo han permitido la explotacin, transporte y
distribucin del gas natural con todas sus ventajas y posibilidades tcnicas,
econmicas y ecolgicas, convirtindolo en el combustible del siglo XXI. De
modo que se han realizado experiencias de conversiones a gas en calderas
de diferentes empresas a todo lo largo y ancho del mundo con resultados
satisfactorios.
Cabe considerar que hay pases lderes en el tema del uso racional de
la energa y la utilizacin del gas como combustible, entre ellos tenemos:
E.E.U.U. toda la UNIN EUROPEA, JAPN y otros que sufren las
consecuencias de la escasez de energa y deben utilizarla de la forma ms
eficientemente posible. Entre los pases de habla hispana que han trabajado
ms en esta rea son Mxico y Espaa. Entre las instituciones importantes
que han escrito documentos relacionados al tema, se tienen: NALCO ITALY,
CADEM, Ministerio de Industria y Energa de Espaa, SPIRAX-SARCO,ENERBUS.
De igual modo, en Mxico, se observaron datos de las plantas de
servicio pblico y de los autos productores en el 2009, se generaron 216,456
GWh (Giga Watts) a partir de fuentes combustibles. Para lograr dicha
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
24/131
6
generacin, se consumieron 1,919,697 TJ (Toneladas Joule) de
combustibles fsiles y renovables, resultando en una eficiencia global de
40.6%. Entre 2000 y 2009, la eficiencia global de las plantas de generacin
de electricidad aument 5.7 puntos porcentuales.Para ilustrar mejor en Venezuela, existen empresas de gran
envergadura como PDVSA (Petrleos de Venezuela) y CORPOELEC
(Corporacin Elctrica) disponen de calderas en sus procesos tanto para
generacin de energa como para el calentamiento de petrleo, he inclusive
CORPOELEC usa este vapor para cumplir ambas funciones, tambin existen
gran variedad de empresa que manejan calderas, pero usan agua para los
procesos de aceites, plsticos, entre otros materiales pero siempre bajo elmismo principio.
La empresa CORPOELEC, es una empresa elctrica socialista del
estado venezolano, adscrita al ministerio del poder popular de energa
elctrica, es una institucin que nace con la visin de reorganizar y unificar el
sector elctrico venezolano a fin de garantizar la prestacin de un servicio
elctrico confiable, incluyente y con sentido social.
Con una planta termoelctrica ubicada en el centro del pas,
especficamente en Punta Morn, distrito Juan Jos Mora (Estado
Carabobo), denominada Planta Centro, la cual est en operacin desde el
ao 1978, y es el complejo termoelctrico con mayor capacidad de
generacin de energa instalada (2000 Mw). Adems cabe destacar que
dicha planta es la ms grande de Latinoamrica, generados por 5 unidades
de 400 Mw cada una, a travs de sistemas acoplados por medios de la sub-
estacin: el Isidro (edo. Falcn), Cabudare (edo. Lara), la arenosa (edo.
Carabobo) representando el cincuenta y dos por ciento (52%) de laproduccin de CORPOELEC.
Esta se comprenden en dos etapas; la primera etapa se construyeron
las unidades 1 y 2 por el consorcio alemn BORSIG, la unidad 1 es la que
actualmente se encuentra trabajando con gas natural, conversin que se hizo
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
25/131
7
por la empresa italiana ALSTOM POWER, y la segunda etapa figuran las
unidades 3,4 y 5 construidas por la empresa japonesa BABCOCK & WILCOX
HITACHI, en esta etapa la unidad 5 se est preparando para el cambio a gas
natural por UNE en convenio CUBANO-VENEZOLANO, faltando solo as lasunidades 3 y 4 por la conversin, Estas calderas son de tipo acuotubulares
de dos pasos con recalentamiento que funciona con combustible pesado
(Fuel Ol Nro. 6).
Actualmente existen nuevas tecnologas ms eficiente, que no solo se
refieren al rendimiento trmico de los generadores de vapor, sino todas sus
ventajas de seguridad, tanto para el personal que labora en estas calderas,
por ser el gas natural menos agresivo que otros combustible, se reducen loscost y horas de trabajo hombre de mantenimiento, adems de ser amigable
con el ambiente por la bajas emisiones de CO2, CO y NOx entre otros. Por
ende y no es de obviar que la conversin a gas de estos generadores de
vapor, conducir a la eficiencia del ciclo aguavapor, con propsito de
demostrar que tan eficiente es el gas natural con respecto al combustible
pesado para evaluar su factibilidad econmica.
Con esto se ha llegado al ncleo de la importancia del presente
proyecto el cual radica en lo valioso que sera para la industria
VENEZOLANA, contar con resultados de una investigacin que evale y
compare el rendimiento de calderas convertidas a gas natural en
comparacin al rendimiento obtenido de otros combustibles; conduciendo a
tomar decisiones fundamentadas con respecto a la conversin a gas natural
de las calderas en PLANTA CENTRO-CORPOELEC.
Formulacin del problema
Con relacin a lo planteamiento anteriormente descrito y teniendo en
cuenta que uno de los principales objetivos de la empresa elctrica
venezolana, es obtener el mayor rendimiento posible de los equipos que
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
26/131
8
impactan de manera directa en la generacin de energa elctrica, se hace
necesario formular la siguiente interrogante:
Cmo sera la evaluacin tcnica econmica de la conversin a gas de
las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO-CORPOELEC?
Objetivos de la investigacin
Objetivo general
Evaluar la factibilidad tcnica econmica para la conversin a gas de las
calderas 3 y 4 de Planta Centro-CORPOELEC.
Objetivos especficos
Diagnosticar la situacin actual de las calderas 3 y 4 de PLANTA
CENTROCORPOELEC.
Conocer el comportamiento de la eficiencia del fuel ol y gas natural.
Analizar los parmetros tcnicos - econmicos para la conversin agas de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO CORPOELEC.
Establecer estrategias para la conversin a gas de las calderas 3 y 4
de PLANTA CENTRO-CORPOELEC.
Justificacin de la Investigacin
En lneas generales la investigacin se realiz con el fin de diversificar
la matriz de energa primaria y adecuar el consumo energtico a los mejores
estndares de eficiencia incorporando el gas natural como otra fuente de
energa alternativa, con el motivo de fortalecer y ampliar el sistema elctrico
nacional beneficiando a la poblacin venezolana.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
27/131
9
As mismo, surge la necesidad de fortalecer nuestra industria
energtica por la creciente demanda de la poblacin, mejorando la eficiencia
de las calderas de vapor con el uso del gas natural y evaluando la aplicacin
de tecnologa de cogeneracin para un sostenido desarrollo integralenergtico.
Por consiguiente la investigacin evaluara los parmetros tcnicos y
econmicos para la conversin a gas de las unidades 3 y 4 de PLANTA
CENTRO-CORPOELEC, con el propsito de reducir las problemticas
referentes a la quema de combustibles fsiles y subsiguiente las emisiones
de gases invernaderos contribuyendo a el deterioro de la capa de ozono,
adems disminuir los costos de mantenimiento por ser menos agresivo el gasnatural en comparacin a otros combustibles y asimismo evitar los gases, el
holln, vanadio y otros agentes contaminantes dainos para la salud tanto
para el ambiente como para los trabajadores que laboran en estas calderas.
Es importante sealar que estas unidades tienen ms de 50 aos en
servicio con equipos que existen desde el principio del arranque de la unidad,
todo lo mencionado anteriormente perjudica a sistema de generacin de
vapor bajando su rendimiento y vida til de la mquina, con esto se
planificara una modernizacin y automatizacin de los equipo de las calderas
correspondientes a cada unidad generadora.
Finalmente, se presenta este proyecto de tan vital importancia, cuya
finalidad es garantizar, ms all de la vialidad que sea en lo tcnico y
econmico, sino que la maquina trabaje bajo parmetro aceptable y seguro
desde el punto de vista operacional y humano, no dejando a un lado sus
ventajas respecto a seguridad y por ultimo pero no menos importante la
ventajas ecolgicas, teniendo en cuenta estos factores, automticamente nosconducir a que nos brinde un eficiente funcionamiento, cumpliendo la
funcin correcta, segura y adecuada en el proceso de generacin elctrica.
Los aportes del estudio estn dados desde los siguientes criterios:
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
28/131
10
En lo social, el beneficio es directamente con la comunidad, debido a
que si el sistema de generacin elctrica posee un buen rendimiento,
garantiza el fluido de electricidad para todas las comunidades involucradas al
cual la empresa suministra directamente.En lo econmico, esta mejora en el sistema de la caldera influye
directamente a la empresa de manera que reduce gastos en equipos
costosos para el sistema actual, si se implementa la mejora, la vida til de las
calderas y sus sistemas auxiliares sera ms larga.
En lo tcnico, el procedimiento es de fcil manejo y el sistema
operativo es ergonmico, el mantenimiento es ms cmodo desde el punto
de vista ambiental menos contaminante de la caldera.En lo acadmico, con la propuesta de la EVALUACION TECNICA-
ECONOMICA PARA LA CONVERSION A GAS DE LAS CALDERAS 3 Y 4
PLANTA CENTRO-CORPOELEC, el conocimiento terico-prctico para los
autores y los lectores de esta propuesta, ser enriquecido puesto que esta
elaboracin metodolgicamente est redactada para la buena comprensin
del lector sin importar la rama acadmica que este domine.
En el marco metodolgico aporta la creacin de mtodos y sistemas
para la conversin a gas natural de calderas de vapor en PLANTA CENTRO-
CORPOELEC para la produccin de energa, que servirn como base de
otros estudios e investigaciones, al proporcionar una herramienta que
ayudara a una evaluacin tcnica - econmica en calderas de la generacin
de energa elctrica.
Ahora bien, desde un punto de vista prctico, la presente investigacin
tiene como finalidad la conversin a gas natural de las calderas en PLANTA
CENTRO-CORPOELEC para la generacin de energa elctrica parafortalecer nuestra creciente industria nacional de manera efectiva, siendo
este de gran aporte innegable de la incursin en el rea generacin y
eficiencia energtica, como profesional de ingeniera de gas.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
29/131
11
Delimitacin de la investigacin
Delimitacin espacial
La investigacin se desarroll en la Universidad Nacional Experimental
Rafael Mara Baralt, ubicada en los Puertos de Altagracia del municipio
Miranda del Estado Zulia en conjunto a PLANTA CENTRO-CORPOELEC,ubicada en el centro del pas, en Punta Morn, distrito Juan Jos Mora
estado Carabobo.
Delimitacin temporal
La investigacin se llev a cabo en el periodo comprendido entre
Marzo de 2013 a septiembre del 2013.
Delimitacin conceptual
El estudio de la conversin a gas natural de las calderas en Planta
Centro-CORPOELEC para la generacin de energa elctrica. Enmarcada en
el rea de energa del Proyecto de Ingeniera y Tecnologa. (PIT). Para ello
se destacan aportes tericos hechos por: Ing. Percy Castillo Neira (2010),
Manual de operacin y Mantenimiento Alstom Power (2000), Secretaria deEnerga de los Estados Unidos Mexicanos (2009), entre otros.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
30/131
12
CAPTULO II
MARCO TERICO
Antecedentes de la investigacin
M. Golato, F. Colombres y otros. (2008) Revista Industrial y Agrcolade Tucumn Metodologa de clculo de la eficiencia trmica de
generadores de vapor se desarroll un mtodo matemtico determinstico
de procesamiento de registros experimentales, aplicable a un sistema
generador de vapor y recalentador de aire en estado estacionario, que opere
con uno o dos combustibles simultneamente, para determinar la eficiencia
trmica del mismo y la eficiencia con la que se oxida el combustible, como
as tambin el rendimiento del intercambiador de calor.
La mecnica de procesamiento se basa en la resolucin de los
balances de materia y energa sobre los diferentes equipos que conforman el
sistema. Esta metodologa es aplicable aquellos generadores de vapor que
empleen como combustible, bagazo, gas natural o ambos (caldera mixta).
Los resultados del clculo de la eficiencia trmica de diferentes generadores
de vapor para cada tipo de combustible procesado, empleando para ello
datos de diversos ensayos experimentales. Como validacin de esta
metodologa, se contrastan estos valores de eficiencia con los obtenidossegn el cdigo propuesto por la American Society of Mechanical Engineers
(ASME).
De esta manera aportando a la investigacin un metodologa en la
parte tcnica, adoptando los procedimientos necesarios para la
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
31/131
13
determinacin de eficiencia de calderas a gas y/o otros combustibles,
asimismo establecer la eficiencia de la combustin, arrojando los valores de
rendimiento trmico del ciclo.
V. Arrollo (2007) Beneficios de lassustitucin de petrleo residual porgas natural en caderas de vapor este trabajo se bas en las ventajas que
traer la sustitucin de petrleo Nro. 6 por gas natural en el mbito
econmico, comparando costos de combustible, mantenimientos, beneficios
en el rea de seguridad y ecolgicas.
Se plante lo equipos y modificaciones necesarias para el cambio,
calculando el costo de la inversin en dos (2) casos, cambio a gas natural en
una caldera pirotubular de 900 BHP (Boiler Horse Power) y una calderaacuatubular de 50 T/H (Toneladas Hour), planificado los pasos a seguir para
el cambio en ambos casos. Se calcul el ahorro de costo de combustible y
de mantenimiento, a su vez el tiempo de recobro de la inversin.
Como resultado se obtuvo que para la caldera pirotubular, se
necesitaba adaptar los quemadores a un kit de conversin y complementar
con un tren de vlvulas y controles, se construy un tendido de tuberas para
el gas natural y se dej instalado las lneas de combustible pesado como
respaldo, se calcul como ahorro total de 154.810 U$/ao entre costos de
combustible, energa dejada de consumir y limpieza de tubos, con un retorno
de la inversin en casi dos aos.
Este trabajo aporto al mtodo de realizacin de la propuesta mediante
el anlisis de resultados en el mbito econmico y a plasmarlos en la
investigacin de una manera fcil de apreciar.
ALSTOM POWER (2006) Conversin a Gas de la Caldera Nr. 1,
Contrato Nr. 2000-037-13250PC, Commessa API Nr. 11633 El proyecto deconversin a la combustin dual (Fuel ol y Gas Natural) y otras mejoras de la
caldera N 1 de la Central Termoelctrica de Planta Centro ha sido
desarrollado por Alstom Power sobre la base del Contrato N 2000-0037-
13250.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
32/131
14
A efecto de la transformacin de la caldera para su conversin a la
combustin dual, se ha efectuado la verificacin de las condiciones
esperadas de las temperaturas del vapor y del metal en las distintas
secciones de pasaje de los gases. Como resultado de esta verificacin, hansido reemplazadas aquellas partes donde la temperatura del metal esperada
en las nuevas condiciones de operacin es mayor de la temperatura de
diseo original (los tubos a ms alta temperatura del sobrecalentador SH2 y
el colector de salida del mismo). En todas las otras secciones, la temperatura
esperada del metal, sea calculado con gas natural como con aceite
combustible pesado, o con cualquier proporcin posible de los combustibles,
no ser mayor a las mximas admitidas, segn el cdigo ASME, para losmateriales instalados.
De igual manera que los anteriores antecedentes, contribuyo como
base fundamental para esta investigacin, ya que este proyecto es la
experiencia de la empresa del objeto de estudio reflejada en esta
investigacin, desde el aspecto tcnico hasta la generacin de la propuesta.
Bases tericas
Conversin a gas de calderas
Las empresas industriales que tenga calderas quemando Petrleos
residuales o disel y que tengan acceso al gas natural, podrn optar por
cambiar de caldera a otra nueva que lleve incorporando un quemador para
gas o cambiar (algunos casos adaptar) el quemador existente para que
pueda quemar gas natural. La eleccin depender de la antigedad, estadode la caldera, lmite de capacidad, entre otros. (Arroyo V.)
Calderas
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
33/131
15
Una caldera o generador de vapor es una mquina trmica que
produce vapor a una presin mayor que la atmosfrica. A la mquina le entra
una energa (airecombustible) la cual se transfiere a una sustancia de
trabajo (frecuentemente agua) efectundose el proceso de evaporacin, cuyomecanismo de transferencia de calor depende del tipo de Caldera (Meja J.)
Calderas Acuotubulares
En este tipo de unidad, los productos de la combustin rodean a los
bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos tubos. Manejan
presiones de operacin de 0-150 bares, 0-2200 PSIG.Estas son las grandes calderas de alta presin utilizadas para la
generacin de energa en la industria. Los gases calientes de los
quemadores pasan alrededor de los bancos de tubos verticales que
contienen el agua. Las calderas son de forma rectangular y los tubos estn
conectados a un tambor de agua en la parte inferior y a un colector de vapor
en la parte superior. Normalmente hay un sobrecalentador por encima de la
cmara principal de combustin. Los productos son por lo general por
encima de 20.000 kg/h. Debido a factores econmicos, las calderas trabajan
con carbn pulverizado o petrleo. Algunas han sido convertidas a gas,
tambin pueden trabajar con dos quemadores de combustible (Rosaler M.).
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
34/131
16
Figura 1. Calderas Acuotubulares. Fuente: Mejas R. (2006)
Economizador
Esta por tubos colocados en forma de serpentines, los cuales van a
absorber el calor producido en la cmara de combustin para transmitirlo alagua de alimentacin que circula dentro de los tubos de este elemento, es de
tipo de tubos horizontal continuos y ubicados debajo de la seccin horizontal
del precalentador. El economizador est dispuesto como de contracorriente
del gas y agua; siendo el caudal de agua dentro de ste de tipo ascendente
hacia el domo pasando por los tubos longitudinales, tiene un rea de
calentamiento de 8.790 m2, este es el primer componente que se encuentra
en el generador de vapor en sentido del agua y el ultimo en el sentido del
flujo de los gases generados por la combustin (CORPOELEC).
Domo
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
35/131
17
Es un recipiente cilndrico que comunica con el evaporador con los
sobrecalentadores. Consiste en separar el vapor y el lquido por medio de
separadores centrfugos de vapor Babcock y Wilcox con el propsito de
purifica el vapor de agua lquida, espuma y materias solidas en suspensinque se ascienden a travs del evaporador, las tuberas de agua de
alimentacin de la descarga del economizador estn conectadas con
boquillas en ambos extremos del domo y el agua es alimentada
uniformemente dentro del domo por tuberas internas de alimentacin
instaladas en el mismo, existen tres conductos descendentes a ambos lados
y en el centro del tambor para que el agua del tambor pueda circular con
uniformidad. El dimetro de los conductos descendentes est proyectadopara que produzca una prdida de presin menor y para aumentar la carga
hidrulica efectiva, este tiene: dimetro interno de 1,829 m con un largo de
19,8 m y espesor de 187 mm hecho con material SA-299 (CORPOELEC).
Sobrecalentadores
Son intercambiadores de calor compuestos por haces de tubos
colocados sucesivamente en los diferentes pasos de gases de la caldera y
absorben calor de estos a travs de los diversos procesos de transferencia
de calor, se compone de una seccin primaria, secundaria y terciaria con dos
atemperadores para controlar la temperatura del vapor, instalados entre la
descarga del sobrecalentador primario y la admisin del secundario y otro en
la descarga del sobrecalentador secundario y la admisin del terciario, el
sobrecalentador primario tiene una rea de transferencia de 1.739 m2, el
secundario 2.260m2 y el terciario 3.450m2 (CORPOELEC).
Evaporador
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
36/131
18
Est conformado fundamentalmente por las cuatro paredes de tubos
envolventes de horno. Es en el evaporador donde se produce la mayor
transferencia de calor en la caldera, ya que est expuesto directamente a la
radiacin producida en el proceso de combustin, la cual es absorbida porlos tubos y transferida al agua para evapore completamente y pase al domo
en condicin de vapor saturado (CORPOELEC).
Recalentador
Es de tipo de tubos continuo horizontal. La seccin de baja
temperatura est situada en una etapa interior del paso de la caldera, encimadel economizador, y la seccin de alta temperatura es situada encima de
sobrecalentador terciario y dispuesto en contracorriente, al elevar la
temperatura del vapor que ya realizo el trabajo en la turbina de alta presin,
llevndolo de nuevo a los valores de sobrecalentamiento requerido para
luego aprovechar esa energa en la turbinas de media y baja presin, tiene
un rea de calentamiento de 12.840 m2 (CORPOELEC).
Estacin de gas Natural
Las plantas industriales pueden recibir el Gas Natural de las Redes de
Distribucin o directamente de los Gasoductos de Transporte, segn las
circunstancias de ubicacin geogrfica, rangos de consumo, normas y
procedimientos existentes y condiciones de comercializacin, en estas
estaciones de gas es donde se filtran partculas y gotas, se miden y registran
flujos, se controla calidad y se regulan los niveles de presin a losestablecidos requeridos en circuitos de distribucin las Redes de Distribucin
domiciliarias e industriales.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
37/131
19
Los sistemas de distribucin difieren segn las presiones con que
operan y el material de las tuberas. Respecto de las presiones de
distribucin, las redes pueden ser:
Redes de Alta Presin: se considera Alta Presin, a todo suministro
que supere los 1.96 bares (2 Kg/cm2), y est destinado a abastecer
consumos industriales y a alimentar redes de media y baja presin.
Redes de Media Presin: se considera Media Presin, cuando el
suministro est comprendido entre 0.454 bares (0.5 Kg/cm2) y 1.96 bares (2
Kg/cm2) y se dimensionan de forma tal que en ningn punto de la red setenga un valor menor que el lmite inferior, porque esta es la mnima presin
con que trabajan los reductores en las instalaciones domsticas.
Redes de Baja Presin: las redes de Baja Presin, son las que
alimentan directamente a los artefactos de consumo a una presin de 19
mbar (0.020 Kg/cm2).
El primer paso en el circuito interno de gas natural en plantas
industriales lo constituye la Estacin de Regulacin y Medicin Primaria
(E.R.M.P) donde se efectan 3 operaciones principales para
acondicionamiento del gas suministrado a las mejores condiciones
requeridas en cada planta industrial:
Limpieza de las impurezas contenidas en el gas recepcionado y que
se presentan como partculas y gotas.
Regulacin de la presin a los niveles requeridos en los sistemas decombustin.
Medicin fiscal del flujo de gas natural para efectos de facturacin y
evaluacin de costos operativos (Castillo P.).
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
38/131
20
Sistemas de medicin de flujos
La medicin del flujo de gas natural en la ERMP sirve para efectos de
medicin fiscal y transferencia de custodia, por lo cual los contadores quesern admitidos debern estar homologados y verificados por las autoridades
correspondientes, y sern autorizados de acuerdo con las normas que
establezca la Empresa suministradora de gas, pero tambin resulta de la
mayor importancia para desarrollar una efectiva gestin energtica en
plantas industriales.
Distancia mnima 20D Distancia mnima 10D1 Vlvula de accionamiento 16 Vlvula de cierre
2 Junta dielctrica 17 Vlvula de cierre
3 Manmetro 18 Manmetro de tres vas de
comprobacin
4 Vlvula de cierre 19 Registrador grafico de presin y
temperatura
5 Filtros 20 Termmetros
6 Vlvula de cierre 21 Contador
7 Manmetros diferencia 22 Vlvula ByPass del contador
(PRECINTADA)8 Vlvula de seguridad mxima y
mnima
23 Vlvula de cierre final
9 Piloto o monitor de mando del
regulador
24 Puesta a tierra
10 Regulador de presin 25 Diafragma para la medicin de
volumen inst. (CONTADOR)
11 Vlvula de purga de presin 26 escape a la atmosfera
12 Vlvula de seguridad de
resorte
27 Intercambiador de presin
13 Vlvula de laminacin
14 Manmetro
15 Vlvula de seguridad de sobre
presin al cierre
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
39/131
21
Figura 2. Sistemas de medicin de flujos. Fuente: Perry Castillo. (2011)
Para definir las caractersticas del sistema de medicin debe tomarse
en cuenta que el transporte y distribucin de gas se contabiliza en volumen,
pero en el uso industrial lo que cuenta son las unidades energticas; por esta
razn, se conforman sistemas de medicin de energa total, como el que se
muestra en la figura.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
40/131
22
Figura 3. Sistemas de medicin de energa total. Fuente: Perry Castillo. (2011)
El medidor utilizado registra una lectura que es procesada en una
Unidad Correctora que recibe seales de temperatura, presin y anlisis
cromatogrfico del gas natural para entregar un valor en unidades
energticas por unidad de tiempo (Castillo P.).
Vlvulas de cierre
Las vlvulas son siempre elementos imprescindibles de toda
instalacin, ya que afectan a la manutencin, entretenimiento y reparacin de
eventuales averas (Castillo P.).
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
41/131
23
Vlvulas de seguridad
Son vlvulas interceptadoras automticas, de rearme manual, de
mxima y mnima presin a la salida del regulador, situadas antes de ste, yque garantizan el cierre en caso de sobrepresin o presin insuficiente
(Castillo P.).
Figura 4. Vlvula de seguridad. Fuente: Perry Castillo. (2011)
Vlvulas reguladoras
Son aparatos que reducen la presin de gas Pe a la entrada del
aparato, a una presin Ps, inferior a la salida del mismo. Ello es debido a la
prdida de carga creada por la corriente gaseosa, al hacerla pasar por un
orificio de seccin S inferior a la del paso de gas a la entrada y salida del
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
42/131
24
aparato. El aparato ms sencillo est constituido por un orificio, ms o menos
descubierto por un obturador (vlvula o grifo), maniobrado a mano, para
obtener la presin deseada (Castillo P.).
Figura 5. Vlvula reguladora. Fuente: Perry Castillo. (2011)
Filtros.
Para proteger de la erosin, por las partculas en suspensin en el
gas, a las vlvulas, reguladoras y elementos de medicin es conveniente la
instalacin de algn tipo de separador o filtro (Castillo P.).
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
43/131
25
Figura 6. Filtros. Fuente: Perry Castillo. (2011)
Red interior de tuberas.
El Gas Natural limpio y seco, a la presin suficiente y adecuada para
atender convenientemente todos los requerimientos de consumo en planta,
se distribuye por el sistema de distribucin interno a las Estaciones
Secundarias y trenes de vlvulas de los puntos de consumo directo, donde
se acondicionan para las condiciones exigidas por los sistemas decombustin en cada punto de consumo. Esta podr ser ms o menos
extensa segn existan muchos o pocos puntos de consumo, y las distancias
de los mismos a la estacin receptora sean ms o menos grandes.
Si las distancias y los caudales no son importantes y los puntos de
consumo pocos y prximos, se podr establecer una red con tubos de
dimetro apropiado para tener una prdida de carga pequea. En este caso,
la presin de distribucin puede ser la necesaria para los quemadores, y el
gas puede tomarse de la estacin receptora a dicha presin incrementada
con las prdidas de carga. Si las distancias y caudales son importantes y los
puntos de consumo estn espaciados, convendr, en aras a la economa del
coste de la red de distribucin, tomar el gas de la estacin receptora a
presin de 2 a 5 kg/cm2, y admitir una fuerte prdida de carga en el clculo
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
44/131
26
de las tuberas. En este caso, la presin ser muy variable en los distintos
puntos de la red, en funcin de la distancia a la estacin receptora y de las
variaciones de consumo de los aparatos de utilizacin.
Como stos necesitan para su buen funcionamiento una presin loms constante posible, obligarn a colocar lo ms prximo a ellos o al
conjunto de aparatos dentro de la misma nave, un grupo de regulacin de
presin que, alimentado por la variable y alta presin de la red, alimente los
quemadores a presin constante y apropiada (Castillo P.).
Quemador
Aporta el aire de combustin (comburente) y el combustible, los
mezcla y produce la combustin. Sus caractersticas dependen del
combustible, debiendo disponer de los mecanismos de regulacin que
permitan formar una llama adecuada al hogar o cmara de combustin.
El quemador de ALSTOM Power, de Ncleo de Llama Estratificada de modo
Radial, (RSFC), est diseado para quemar aceite atomizado y/o gas natural
en calderas industriales y de energa con quemadores en pared mientras
mantiene el rendimiento de la unidad y cumple los requisitos medio
ambientales de niveles de opacidad, emisiones de xidos de nitrgeno
(NOx), y monxido de carbono (CO).
El quemador RSFC aplica tres principios asociados a la combustin de
combustibles fsiles con bajo NOx.
Encendido temprano del combustible con condiciones de combustible
enriquecido
Graduar el proceso de combustinAumento del tiempo de residencia del combustible
Para aplicar los principios anteriores, el quemador RSFC inyecta el
combustible en una corriente concentrada a travs de una tobera de
combustible rodeada de tres zonas concntricas de aire. Cerca del quemador
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
45/131
27
se consigue el encendido creando un rea de recirculacin cerca de la salida
de la tobera de combustible en donde hay una zona rica en combustible.
Para graduar el proceso de combustin, el quemador RSFC
arremolina el aire de combustin ms fro y de mayor densidad alrededor delms caliente y de menor densidad del ncleo de combustible. Las fuerzas
centrfugas creadas por el aire de combustin que se arremolina retardan el
proceso de mezcla con el combustible. El tiempo de residencia del
combustible dentro de la zona de llama aumenta al regular las velocidades
que salen por la tobera de combustible y las tres zonas de aire de
combustin. Las diferencias de velocidades crean modelos internos de
recirculacin dentro de la llama (ALSTOM POWER)
Figura 7. Esquema del quemador RSFC. Fuente: ALSTOM POWER. (2001)
Ventilador de tiro forzado (V.T.F).
Es un ventilador centrfugo que toma el aire de la atmsfera a 30 C y
lo succiona para descargarlo en un ducto cuadrado de metal a cierta presin
baja en mmca (milmetro de columna de agua) para que llegue al hogar
(CORPOELEC).
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
46/131
28
Ventilador recirculador de gases (V.R.G).
Es un ventilador centrfugo que absorbe parte de los gases de
combustin y lo inyecta por debajo del generador de vapor para subir latemperatura en el hogar y disminuir el consumo de combustible
(CORPOELEC).
Calentador de aire con condensado (C.A.C).
Son varios paneles compuesto cada uno por un colector (entrada de
condensado) superior, unido a otro similar colector inferior (de descarga)mediante tubos con aletas, para una mejor transferencia de calor entre el
condensado en su interior (proveniente de los CAV) y el aire que pasa entre
los tubos con aletas (CORPOELEC).
Figura 8. Esquema de CAC. Fuente: CORPOELEC. (2001)
Calentador de aire con vapor (C.A.V):
Son varios paneles compuesto cada uno por un colector (entrada de
vapor) superior, unido a otro similar colector inferior (de descarga) mediante
tubos con aletas, para una mejor transferencia de calor entre el vapor en
su interior (colector de vapor auxiliar) y el aire que pasa entre los tubos con
aletas (CORPOELEC).
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
47/131
29
Calentador de aire regenerativo (C.A.R) o LUVO
Es un intercambiador de calor gas-gas, circular, de 5 mts de dimetro
por uno de alto, que rota a una velocidad de 1 a 3 rpm, debido aun motor acoplado a una caja reductora de engranajes. Estos "luvos" estn
compuestos por lminas corrugadas (u onduladas) paralelas y concntricas a
su eje de rotacin. A la entrada y salida del precalentador, se conforma un
ducto con una pared divisoria longitudinalmente que origina dos secciones
(canales) en el precalentador: un canal para el aire y otro (en sentido
contrario) para los gases. A medida que el "Luvo" gira, los gases de
combustin, que vienen de atravesar y calentar los serpentines deleconomizador, entran al precalentador y pasan paralelamente entre las
planchas corrugadas y las calientan. Debido al constante giro, estas
planchas ya calientes, se colocan en el paso o trayectoria del aire, saliendo
este ltimo con una temperatura de 312C, rumbo al hogar de la caldera para
la combustin. Luego estas lminas enfriadas por el aire se colocan
nuevamente, debido a la constante rotacin, en la trayectoria de los gases
para ser calentadas nuevamente, y as sucesivamente (CORPOELEC).
Figura 9. Esquema de CAR o LUVO. Fuente: CORPOELEC. (2001)
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
48/131
30
Ciclos de potencia
Los dispositivos y sistemas usados para producir una salida neta de
trabajo son llamados motores y los ciclos termodinmicos en que operan sedenominan ciclos de potencia (Renedo C.).
Ciclo de Potencia de Vapor
Estos ciclos termodinmicos la energa qumica del combustible es
transferida al vapor para luego convertirla en trabajo, en este ciclo el fluido se
mantiene en fase gaseosa la mayor parte del proceso (Cengel Y.).
Ciclo Rankine
Es el ciclo ideal para las centrales elctricas de vapor, este ciclo ideal
no incluye ninguna irreversibilidad interna y est compuesto de los siguientes
cuatro procesos: Etapa 1, compresin isotrpica en una bomba. Etapa 2,
adicin de calor a presin constante en una caldera. Etapa 3, expansin
isotrpica en una turbina. Etapa 4, rechazo de calor a presin constante en
un condensador.
El agua entra a la bomba en el estado 1 como lquido saturado y se
condensa isotrpicamente hasta la presin de operacin de la caldera. La
temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresin
isotrpica debido a una ligera disminucin en el volumen especfico del agua.
El agua entra a la caldera.
Como lquido comprimido en el estado 2 y Sale como vapor
sobrecalentado en el estado 3. La caldera es bsicamente un gran
intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
49/131
31
combustin, reactores nucleares u otras fuentes, se transfiere al agua
esencialmente a presin constante. El vapor sobrecalentado en el estado 3
entra a la turbina.
Donde se expande isotrpicamente y produce trabajo al hacer girar el
eje conectado a un generador elctrico. La presin y la temperatura del vapor
disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el
vapor entra al condensador. El vapor se condensa a presin constante en el
condensador, el cual es bsicamente un gran intercambiador de calor,
rechazando el calor hacia un medio de enfriamiento como un lago, un ro o la
atmsfera (Cengel Y.).
Figura 10. Esquema de ciclo Rankine. Fuente: Cegel. (2005)
Ciclo Rankine Regenerativo y recalentamiento intermedio
Considere una central elctrica de vapor que opera, con dos
calentadores de agua de alimentacin, uno abierto y otro cerrado, adems de
un recalentador. El vapor entra a la turbina y se condensa a una presin.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
50/131
32
Una parte de vapor se extrae de la turbina a para el calentador cerrado,
mientras que el resto se recalienta a la misma presin, El vapor extrado se
condensa por completo en el calentador y se bombea antes de mezclarse
con el agua de alimentacin a la misma presin. El vapor para el calentadorabierto se extrae de la turbina de baja presin a una presin (Cengel Y.).
Figura 11. Esquema de ciclo Rankine regenerativo con recalentamiento intermedio.
Fuente: Cengel. (2005)
Maquinas trmicas.
Es un dispositivo mecnico que realiza un trabajo intercambiando calor con
unos manantiales (Martin F.)
Figura 12. Principio de mquinas terminas. Fuente: Holman. (2000)
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
51/131
33
Calor
Durante muchos aos se crey que el calor era un componente que
impregnaba la materia y que los cuerpos lo absorban o desprendan segnlos casos. La llama que se observa en esta vista es una manifestacin del
calor, pero no es el calor. El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si
puedes percibir los efectos del a travs de sus diferentes manifestaciones.
El calor es por lo tanto una forma de energa. Es la "energa calorfica". Un
ingls llamado J.P. Joule hall su equivalencia con las unidades del trabajo
(Castillo P.).
Transferencia de calor
Es la energa en trnsito debido a una diferencia de temperaturas en
un cuerpo o entre cuerpos diferentes. Siempre que exista una diferencia de
temperatura, la energa se transfiere, de la regin de mayor temperatura a la
de menor temperatura, De acuerdo con los conceptos de la Termodinmica,
la energa que se transfiere como resultado de una diferencia de
temperatura, es el calor (Panana A.).
Transferencia de calor por conveccin
Cuando un fluido a TF se pone en contacto con un slido cuya
superficie de contacto est a una temperatura distinta TS, al proceso de
intercambio de energa trmica se denomina CONVECCIN (Panana A.).
Este tipo de mecanismo de transferencia de calor se clasifica en:
Conveccin libre o natural: ocurre cuando la fuerza motriz procede de
la variacin de densidad en el fluido como consecuencia del contacto con
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
52/131
34
una superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a fuerzas
ascensionales, el fluido prximo a la superficie adquiere una velocidad
debida nicamente a esta diferencia de densidades, sin ninguna fuerza
motriz exterior (Panana A.). Ejemplo: La conveccin en un tanque quecontiene un lquido en reposo en el que se encuentra sumergida una bobina
de calefaccin.
Conveccin forzada: tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior
mueve un fluido con una velocidad (v), sobre una superficie que se encuentra
a una temperatura Ts mayor o menor que la del fluido Tf, como la velocidad
del fluido en la conveccin forzada es mayor que en la conveccin natural, setransfiere por lo tanto, una mayor cantidad de calor para una determinada
temperatura (Panana A.). Ejemplo: El radiador de un coche tiene un
ventilador que mueve el aire y favorece el enfriamiento del agua que
contiene.
Transferencia de calor por radiacin
Mientras que la conduccin y la conveccin trmica tienen lugar slo a
travs de un medio natural, la Radiacin trmica puede transportar el calor a
travs de un fluido o del vaco, en forma de ondas electromagnticas o
fotones como resultado de los cambios en las configuraciones electrnicas
de los tomos o molculas, estos se propagan a la velocidad de la luz.
La cantidad de energa que abandona una superficie en forma de calor
radiante depende de la temperatura absoluta a la que se encuentra y
tambin la naturaleza de la superficie (Panana A.).
Ejemplo: El calentamiento del sol a la tierra es un ejemplo claro de
transferencia de calor por radiacin.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
53/131
35
Temperatura.
Es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio
o fro que puede ser medida con un termmetro. En fsica, se define como
una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistema
termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica. Ms
especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa
interna conocida como energa cintica, que es la energa asociada a los
movimientos de las partculas del sistema, sea en un sentido traslaciones,rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energa
cintica de un sistema, se observa que ste se encuentra ms caliente; es
decir, que su temperatura es mayor (Cengel).
Eficiencia
Es uno de los trminos ms usados en termodinmica, e indica qu
tan bien se realiza un proceso de conversin o transferencia de energa. Asi-
mismo, este trmino resulta uno de los que en general son mal usados en
termodinmica, adems de ser una fuente de malas interpretaciones. Esto se
debe a que se usa sin una definicin adecuada. Lo cual se aclara a continua-
cin y se definen algunas de las eficiencias ms usadas en la prctica.
El desempeo o eficiencia se expresa en trminos de la salida deseada y la
entrada requerida, de la siguiente manera:
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
54/131
36
Si acude a una tienda a comprar un calentador de agua, un vendedor
experto le dir que la eficiencia de uno elctrico es de alrededor de 90 por
ciento. Es posible que esto sea confuso dado que los dispositivos de ca-
lentamiento de los calentadores elctricos son resistencias, y la eficiencia destas es de 100 por ciento porque convierten en energa trmica toda la
energa elctrica que consumen. El vendedor aclarara todo si explicara que
las prdidas de calor del depsito de agua caliente al are circundante
equivalen a 10 por ciento de la energa elctrica consumida. La eficiencia de
un calentador de agua se define como la relacin entre la energa que el
agua caliente entrega a la casa y la energa suministrada al calentador de
agua.La eficiencia para un calentador de agua a base de gas, es mucho
menor que la de un calentador elctrico. Por regla general, la eficiencia de
equipo que quema combustible se basa en el poder calorfico del
combustible, el cual es la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo una cantidad unitaria de combustible y un producto de la
combustin se enfran a la temperatura ambiente.
Entonces el rendimiento del equipo de combustin se puede caracterizar por
la eficiencia de combustin, la cual se define como
Una eficiencia de combustin de 100 por ciento indica que el
combustible se quema completamente y los gases residuales salen de la
cmara de combustin a temperatura ambiente; en consecuencia, lacantidad de calor liberar da durante un proceso de combustin es igual al
poder calorfico del combustible.
La mayor parte de los combustibles contienen hidrgeno, que forma
agua durante la combustin. El poder calorfico de un combustible ser
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
55/131
37
diferente dependiendo de si el agua en los productos de la combustin se
halla en forma lquida o de vapor. El poder calorfico se denomina poder
calorfico inferior o LHV (lower heating value) cuando el agua sale como
vapor, y poder calorfico superior o HHV (higher heating value) cuando elagua en los gases de combustin se condensa por completo, de manera que
tambin se recupera el calor de vaporizacin. La diferencia entre estos dos
poderes calorficos es igual al producto de la cantidad de agua y la entalpia
de vaporizacin del agua a temperatura ambiente. Por ejemplo, los poderes
calorficos inferior y superior de la gasolina son 44 000 kJ/kg y 47 300 kJ/kg,
respectivamente.
Una definicin de eficiencia debera dejar claro si se basa en el podercalorfico inferior o superior del combustible. Las eficiencias de los motores
de automviles y aviones a reaccin normalmente se basan en poderes
calorficos inferiores pues regularmente el agua sale en forma de vapor en
los gases de escape y resulta imprctico intentar recuperar el calor de
vaporizacin. Por otro lado, las eficiencias de los hornos se basan en
poderes calorficos superiores.
La eficiencia de los sistemas de calefaccin de edificios residenciales
y comerciales se expresa comnmente en trminos de la eficiencia anual de
utilizacin de combustible, o EAUC, la cual representa la eficiencia de
combustin y otras prdidas como las de calor hacia reas no calentadas, de
encendido y de enfriamiento. La EAUC de la mayor parte de los nuevos sis-
temas de calefaccin es aproximadamente de 85 por ciento, mientras que la
de algunos viejos sistemas es inferior a 60 por ciento. La EAUC de algunos
hornos nuevos de alta eficiencia es mayor a 96 por ciento, pero el alto costo
de stos no se justifica para localidades con inviernos ligeros a moderados.Estas eficiencias se logran al recuperar la mayor parte del calor contenido en
los gases residuales, condensar el vapor de agua y descargar dichos gases
con temperaturas bajas de 38C (o 100F) en lugar de casi 200C (o 400F)
de los modelos estndar.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
56/131
38
Para los motores de automviles la salida de trabajo se entiende como
la potencia entregada por el cigeal, pero para las centrales elctricas el
trabajo producido puede ser la potencia mecnica en la salida de la turbina, o
la salida de potencia elctrica del generador.Un generador es un dispositivo que convierte energa mecnica en
energa elctrica, y su efectividad se caracteriza por la eficiencia del
generador, que es la relacin entre la salida de potencia elctrica y la entrada
de potencia mecnica. La eficiencia trmica de una central elctrica, la cual
es de primordial inters en termodinmica, se define como la relacin entre la
salida neta de trabajo en la flecha de la turbina y la entrada de calor al fluido
de trabajo. Los efectos de otros factores se incorporan mediante la definicinde una eficiencia global para la central elctrica, a partir de la relacin entre
la salida neta de potencia elctrica y la tasa de entrada de energa del
combustible. Es decir,
Las eficiencias globales estn entre 25 y 30 por ciento para motoresde automviles de gasolina, entre 34 y 40 por ciento para los de disel y
entre 40 y 60 por ciento para las grandes centrales elctricas (Cengel Y.).
Poder calorfico
Tambin llamada potencia calrica de los combustibles queda definida
como la cantidad de calor liberada por la combustin de una unidad de
volumen o peso de un combustible y se expresa comnmente en Kg. /Kcal,
BTU/Lb, BTU/Galn.
Es necesario el conocimiento de este valor cuando se considera la
eficiencia trmica del equipo, tanto para producir fuerza como para producir
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
57/131
39
calor; en clculos de determinacin de eficiencia, el valor considerado es el
poder calorfico neto o poder calorfico inferior, por lo que a continuacin
hacemos una diferencia entre este y el poder calorfico bruto o superior.
Teora inorgnica de la combustin
La energa de disociacin del metano es de 21.500 Kcal/Kmol y hallar
la misma coincidencia en cualquier otro hidrocarburo, descubrimos el hecho
extraordinario de que todos los combustibles, mezclas carbono/hidrgeno
con contenidos variables de impurezas, se disocian en sus componentes
antes de quemarse, lo que significa que la combustin siempre se produciren forma elemental y bsica, a travs de las reacciones : C + O2 = CO2 y
2H2 + O2 = 2H2O Todos los combustibles industriales, sin excepcin,
siempre se quemarn en la misma forma, no interesando para fines prcticos
las mltiples posibilidades de reacciones intermedias, lo cual simplifica
totalmente la concepcin, anlisis, evaluacin y control de la combustin.
La Qumica Orgnica se ocupa del estudio de los componentes que
forma el carbono, aprovechando la extraordinaria capacidad de combinacin
que le permite su tetravalencia; al demostrar que los combustibles se
disocian en sus componentes antes de quemarse, la combustin se
producir por oxidacin del Hidrgeno y el Carbono, en el campo inorgnico,
resultando el nombre ms adecuado para esta formidable simplificacin
tecnolgica: Teora Inorgnica de la Combustin pudiendo ser enunciada
en la siguiente forma: Todos los combustibles industriales son
combinaciones carbono/hidrgeno y se disocian en sus componentes antes
de quemarse, producindose la combustin siempre en forma bsica yelemental: C + O2 = CO2 y 2H2 + O2 = 2H2O
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
58/131
40
Figura 13. Mecanismo de combustin del metano. Fuente: Perry Castillo. (2011)
Los combustibles industriales son combinaciones variables de carbono
e hidrgeno, con un contenido, tambin variable, de impurezas. El carbono e
hidrgeno contenidos en cualquier combustible slido, lquido o gaseoso, sea
cual fuere la forma qumica en que se encuentren combinados, se disociarn
a su forma elemental antes de reaccionar con el oxgeno disponible.
En realidad, las reacciones de combustin del carbono y del hidrgeno
con el oxgeno, son siempre elementales y nicas: C + O2 = CO2 y H2 +
O2 H2O Sea cual fuere el compuesto qumico que se encuentre en el
combustible, se disociar en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta
concepcin simple y bsica, pero a la vez prctica y efectiva de las
reacciones de combustin, permite efectuar con rapidez y precisin los
clculos estequiomtricos que facilitarn su adecuado manejo y control. Sea
un combustible que tenga una composicin por kg. de C Kg. de carbono y H2kg de hidrgeno. En realidad, las reacciones de combustin del carbono y del
hidrgeno con el oxgeno, son siempre elementales y nicas: C + O2 CO2
H2 + O2 H20 Sea cual fuere el compuesto qumico que se encuentre en el
combustible, se disociar en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
59/131
41
concepcin simple y bsica, pero a la vez prctica y efectiva de las
reacciones de combustin, permite efectuar con rapidez y precisin los
clculos estequiomtricos que facilitarn su adecuado manejo y control. Sea
un combustible que tenga una composicin por kg. de C Kg. de carbono y H2kg de hidrgeno (Castillo P.).
Figura 14. Reaccin y poder calorfico de varios hidrocarburos. Fuente: Perry Castillo.
(2011)
Llama
Es el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones de
combustin, produciendo radiaciones luminosas de origen tanto trmico
como qumico, no necesariamente en el espectro visible, que constituyen
manifestaciones de las condiciones en que se efecta la generacin de calor.
En trminos prcticos, podramos definir a la llama como "el espaciodonde se realiza la combustin", o tambin, como "la manifestacin visible de
la combustin", cuando se trata de combustibles slidos y lquidos. La
mezcla combustible-comburente es la fuente de la llama; el quemador es su
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
60/131
42
creador, vigilante y mantenedor. La creacin y mantenimiento de una llama
apropiada (Castillo P.).
Temperaturas de la llama
Se denomina temperatura terica de combustin, temperatura
adiabtica de combustin o temperatura de combustin calorfica, a la que se
obtendra en una combustin estequiometria, con mezcla perfectamente
homognea y en un tiempo brevsimo que no d tiempo a prdidas
calorficas con el ambiente (Castillo P.).
Para el clculo terico de la temperatura adiabtica de llamas seutiliza la siguiente frmula:
Ta: Temperatura adiabtica de llama;
PCI: Poder Calorfico Inferior;
Vg: Volumen de gases de combustin;
Cp: Calor Especfico de los gases de combustin
Figura 15. Temperatura de llama de varios componentes. Fuente: Perry Castillo (2011).
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
61/131
43
Gasodinmica de la combustin
El flujo que emerge de una tobera forma un chorro que acta
dinmicamente sobre el ambiente que lo rodea, perdiendo velocidad ysuccionando aire o gas de los alrededores. El chorro se proyecta en la
direccin prevista, perdiendo velocidad y succionando gas de los alrededores
Figura 16. Representacin de gasodinamica del quemador. Fuente: Perry Castillo
(2011).
En calderos acuotubulares la adecuacin de la forma de llama a las
geometras rectangulares de los hogares de paredes de agua ha permitido
conseguir una reduccin formidable de sus dimensiones, consiguiendo
unidades cada vez ms grandes en capacidad de generacin de vapor pero
mucho ms compactas, ahorrando espacio, materiales y energa, porque
tambin resultan considerablemente ms eficientes (Castillo P.).
Emisividad de la llama
Cuando esta energa alcanza otro cuerpo, parte de ella puede
reflejarse, otra parte puede ser transmitida a travs del cuerpo receptor,
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
62/131
44
cuando es diatrmico y finalmente el resto es absorbido. La radiacin trmica
se asocia a una radiacin electromagntica con un intervalo de longitudes de
onda entre 0,01 y 100 micras.
Para calcular el calor transmitido por radiacin se aplica la frmula:
Qr: calor emitido por radiacin por m2 y hora (Kcal/h.m2);
C: constante de valor = 4,92 x 10-8 h.m20K4;
: emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerpo radiante;
T1: Temperatura del cuerpo emisor 0K (0C + 273);
T2: Temperatura del cuerpo receptor K (0C + 273).
Resulta proporcional a la emisividad de la llama, la cual a la vez
depende de la permanencia de las partculas en estado incandescente. La
emisividad de llamas de carbn, petrleo y gas natural se puede observar en
la figura, La baja emisividad de las llamas de gas natural debe procurar
compensarse, demorando la disponibilidad de las partculas para que seproduzca el hollinamiento que favorezca la emisividad y transferencia de
calor por radiacin (Castillo P.).
Figura 17. Emisividad de la llama segn su combustible. Fuente: P. Castillo (2011).
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
63/131
45
Aire de combustin
Los combustibles son almacenes de energa qumica formados por la
naturaleza durante millones de aos, que se transforma en energa trmica,al reaccionar sus componentes bsicos, Hidrgeno y Carbono, con el
oxgeno. La fuente de oxgeno para la combustin ms abundante, barata y
fcil de manejar es, indudablemente, el aire.
Esta condicin de fuente inagotable de oxgeno y la permanente
disponibilidad del aire en cualquier condicin de tiempo y espacio, conduce
con frecuencia al error de minimizar su importancia en el proceso de
combustin.Se llama comburente al aire o al oxgeno que participa en la oxidacin
de la materia combustible liberando luz y calor en el proceso llamado
combustin. Debe asegurarse de que tanto el combustible empleado como el
aire de combustin sean aportados al quemador en las condiciones previstas
en su diseo. Para efectos prcticos resultar suficientemente correcto
considerar la siguiente composicin, a nivel del mar, en condiciones
normales de presin (760 mm de Hg) y temperatura (0C) (Castillo P.).
Nitrgeno: 79% en volumen (77% en peso)
Oxgeno: 21% en volumen (23% en peso)
Exceso de aire
Finalmente, para conseguir la combustin completa ms prxima a la
terica y segn el estado fsico del combustible (granos, polvo, lquidos,gases y dispersiones) es preciso emplear una proporcin de oxgeno
superior a la terica por razones fsicas de contacto que despus
detallaremos. De aqu el llamado exceso de aire sobre el terico necesario.
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
64/131
46
Este exceso de aire conlleva especialmente dos efectos importantes en
cuanto al propsito de la combustin:
1 Disminucin de la temperatura mxima posible, al aumentar la cantidad de
gases en la combustin.2 Variacin sensible en cuanto a la concentracin de los xidos formados,
en el nitrgeno del aire empleado (Castillo P.).
Poder calorfico del aire.
A nivel del mar, el poder calorfico del aire siempre ser de 890
Kcal/m3N; al realizarse la combustin a ms altura, este valor disminuirprogresivamente, por disminuir gradualmente el contenido de oxgeno por
metro cbico (Castillo P.).
Gas natural.
Constituye una mezcla de hidrocarburos y pequeas cantidades de
compuestos no-hidrocarburos en fase gaseosa o en solucin con el petrleo
crudo a nivel de reservorio. Es un gas incoloro con poder calorfico de
aproximadamente 8500 cal/m3, constituyendo una energa eficaz, rentable y
limpia. El gas directo que se distribuye a nuestros hogares, comercios e
industrias a travs de los sistemas de tuberas, se denomina gas metano por
contener el mayor porcentaje de contenido de CH4. Est constituido tambin
principalmente por propano y butano.
Gas
Natural
Componente Nomenclatura Estado
Natural
Metano CH4 Gas GNC/GNV
Etano C2H6 Gas
5/24/2018 Tesis Daniel (Evaluacion Tecnica Economica de La Conversion a Gas de Las Calderas 3 y 4 de PLANTA)
65/131
47