Propuesta de instalación central termoeléctrica

Resumen

El presente trabajo de grado tuvo por propósito diseñar una propuesta de instalar una central termoeléctrica de CVG Venalum que permita lograr su independencia eléctrica. Este trabajo recopila información teórica, análisis y propuestas involucradas a los elementos estudiados. CVG Venalum, cuenta con un total de 905 celdas y un consumo de 800 MW, con la aplicación del plan de racionamiento eléctrico y ha tenido que desincorporar 400 celdas de manera progresiva para cumplir con la cuota exigida por CORPOELEC, lo que se traduce en 300 MW. La aplicación de la medida y el fiel cumplimiento ha impactado directamente en la producción y finanzas de la empresa; el déficit de energía como el impacto económico abre paso a una posible adquisición de instalación de una planta termoeléctrica. El valor de la inversión por concepto de equipos, espacio físico, infraestructura, montaje es aproximadamente de USD $ 800.000.000, con un costo anual de administración, operación y mantenimiento (AOM) es cercano a cuatro millones de dólares. Se recomienda que la Gerencia de Proyecto conjuntamente con la División de Alto Voltaje deben considerar y verificar los resultados y datos obtenidos en el presente estudio a fin de lograr que la independencia eléctrica de CVG Venalum y cumplir con las medidas señaladas en función al impacto ambiental para prevenir, controlar, mitigar y/o evitar, eficazmente los potenciales efectos negativos que se generarán.

Palabras Claves: 1) Central Termoeléctrica, 2) CVG VENALUM, 3) Ciclo Combinado, 4) Generador, 5) Turbinas, 6) Celdas, 7) Reducción, 8) Rectificadores.

Introducción

Las plantas termoeléctricas producen energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. Independientemente de cuál sea el combustible fósil que utilice, el esquema de funcionamiento de todas las plantas termoeléctricas es prácticamente el mismo. Las únicas diferencias consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y en el diseño de los quemadores de la misma, que varían según sea el tipo de combustible empleado.

Estas poseen dentro de su propio recinto, sistemas de almacenamiento del combustible que utiliza para asegurar que se dispone permanentemente de una adecuada cantidad de éste. Además estas plantas suelen presentarse como tecnologías limpias debido a la reducción de las emisiones de contaminantes que en ellas se consiguen. Se alude en primer término al vertido casi nulo de Dióxido de Azufre (SO2) debido a que este elemento es prácticamente inexistente.

En abril de 2010, la Siderúrgica del Orinoco SIDOR. C.A., es la primera en la región Guayana en iniciar los trabajos de instalación de una planta termoeléctrica, la cual funcionara por ciclo simple y consta de dos fases, en función de dar paso a su independencia eléctrica.

Debido a las políticas dictadas por el ejecutivo nacional, para economizar el consumo, el sistema eléctrico nacional actualmente no está capacitado para el consumo que exige. CVG Venalum, presenta uno de los más altos índices del consumo eléctrico, por lo que se paralizan 400 celdas; esto ha conducido a la empresa desincorporar más del 40% de su capacidad instalada. Lo anterior, ha impulsado el desarrollo de una investigación que permita dar una propuesta para instalar una central termoeléctrica de CVG Venalum.

Por consiguiente, se elaboró el siguiente estudio, el cual se encuentra estructurado en capítulos de la siguiente manera: Capítulo I: Referido a la formulación del problema, sus alcances, limitaciones, los objetivos de la investigación y su justificación. Capítulo II: Presenta el marco empresarial. Capítulo III: Las bases teóricas que fundamenta el trabajo. Capítulo IV: Se encuentra el tipo de investigación, técnicas e instrumentos utilizados en la recolección de datos y el procedimiento del mismo. Capítulo V: En este último capítulo se encuentran los resultados obtenidos. Por último se establecieron las conclusiones y recomendaciones, la bibliografía, los apéndices y anexos.

CAPÍTULO I

El problema

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La crisis energética por la cual ha venido atravesando el país, impacta negativamente y desestabiliza el sistema productivo, comercial y residencial, debido a esta el ejecutivo nacional dicto un plan agresivo de racionamiento eléctrico administrado por CORPOELEC EDELCA, a fin de garantizar el suministro de energía eléctrica a todos los sectores: ciudadano común y sector industrial público y privado, de tal manera se estaría controlando el flujo de agua que requieren la turbinas para la generación de energías eléctrica y evitar llegar en tiempo record a la etapa más crítica embalse del Guri y por consiguiente al colapso total de la Central Hidroeléctrica Simón Bolívar.

El 70% de la electricidad que utiliza el país es de (9.870 MW) y la genera CORPOELEC EDELCA a través de sus centrales hidroeléctricas gracias a las bondades del río caroni, aun cuando su potencia promedio es de (7.500 MW) y solamente Gurí genera (6.200 MW), es decir, el 63% de toda esa energía. El otro 30% equivalente a (4.230 MW) la genera el resto de las empresas de CORPOELEC. En los últimos años la demanda de electricidad se ha incrementado en más de (4.000MW) entre los años 2002-2009, considerando que la tendencia es que siga aumentando de acuerdo al crecimiento social y económico del país.

CVG Venalum, cuenta con un total de 905 celdas y un consumo de 800 MW, con la aplicación del plan de racionamiento eléctrico y ha tenido que desincorporar 400 celdas de manera progresiva para cumplir con la cuota exigida por CORPOELEC, lo que se traduce en 300 MW. La aplicación de la medida y el fiel cumplimiento ha impactado directamente en la producción y finanzas de la empresa; el déficit de energía como el impacto económico abre paso a la independencia energética de la empresa con la posible adquisición e instalación de una planta termoeléctrica.

La empresa recibe su energía eléctrica directamente de la Central Hidroeléctrica Simón Bolívar, pasando por la subestación Guayana B, hasta llegar a los transforectificadores que se encuentra en las plantas de reducción: Complejo I, complejo II y V línea, para luego ser incorporada a cada celda de reducción.

En base a lo antes expuestos CVG Venalum requiere de estudio económico-financiero que le permita evaluar factibilidad de la independencia eléctrica mediante la posible adquisición e instalación de una central termoeléctrica con el objetivo de que garantice la continuidad de los procesos productivos de aluminio.

1.2 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.2.1 Objetivo General

Diseñar una propuesta de instalar una central termoeléctrica de CVG Venalum que permita lograr su independencia eléctrica.

1.2.2 Objetivos Específicos

• 1 Diagnosticar la situación actual en el suministro de energía eléctrica para el proceso de reducción de aluminio.

• 2 Analizar la situación actual de las celdas y el consumo de energía eléctrica de la empresa.

• 3 Cuantificar la producción de aluminio afectada por el racionamiento eléctrico.

• 4 Determinar el impacto financiero en las ventas del aluminio debido al racionamiento eléctrico.

• 5 Señalar todas las características técnicas de la central termoeléctrica por ciclo combinado.

• 6 Determinar los costos asociados a la central termoeléctrica por ciclo combinado.

• 7 Realizar la evaluación económica de la central termoeléctrica por ciclo combinado.

1.3 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA

A través del estudio económico-financiero para la independencia eléctrica de CVG Venalum, se determinó la factibilidad de aplicar una alternativa de inversión considerando los diversos beneficios desde el punto de vista de viabilidad y rentabilidad, orientado en mantener los costos operativos por paralización y rearranque de celdas desincorporadas producto de la interrupción o racionamiento energético que aplica Corpoelec en situaciones de emergencia eléctrica nacional.

Debido a que CVG Venalum hoy en día busca garantizar su producción para honrar los compromisos adquiridos con los mercados nacionales e internacionales en el suministro de aluminio y considerando el consumo de energía por el crecimiento demográfico, las posibles contingencias por fallas o mantenimiento y las posibles consecuencias generadas por efecto de los cambios climáticos y los periodos de sequías que impactan directamente en las centrales hidroeléctricas del país, es imperativo considerar un respaldo en la independencia eléctrica.

1.4 DELIMITACIÓN

La presente investigación se realizó específicamente para la gerencia de proyecto y conjuntamente con la división de alto voltaje a fin de realizar un estudio económico-financiero para la independencia eléctrica de CVG Venalum, mediante la adquisición e instalación de una central termoeléctrica por ciclo combinado.

CAPÍTULO II

La empresa

La Industria Venezolana de Aluminio, C.A. (CVG VENALUM), se constituyó el 29 de Agosto de 1973, convirtiéndose en una empresa mixta, con una capacidad de 150.000 t/año y un capital mixto de Bs. 34.000 millones; donde el 80% fue suscrito por seis empresas japonesas y el 20% restante de la Corporación Venezolana de Guayana, con el objeto de producir aluminio primario en diversas formas con fines de comercialización.

Para Octubre de 1974 VENALUM amplía su capacidad a 280.000 t/año y

el 11 de Diciembre de 1974 el capital fue aumentado a Bs. 550.000.000, por resolución de la Asamblea General Extraordinaria de Accionistas. En Octubre de 1978 el capital se incrementó a Bs. 750.000.000. Donde este aumento fue totalmente suscrito por el Fondo de Inversiones de Venezuela (F.I.V.). Finalmente el 12 de Diciembre de 1978 por resolución de la Asamblea de Accionistas, el capital fue aumentado a Bs. 1.000.000.000, quedando conformado como se muestra en la Tabla 1:

Tabla 1. Composición de Capital de la Empresa

Fuente: Manual de Inducción de CVG VENALUM

La planta fue diseñada sobre la base de cuatro (4) líneas de producción de 180 celdas cada una y con los servicios de soportes básicos para una futura expansión de una línea de celdas; la primera línea de celdas fue puesta en marcha en Enero de 1978 y la última línea de las primeras cuatro se comenzó el 27 de Octubre de 1978. También se incluye en el diseño un muelle de carga y descarga sobre el margen del Río Orinoco para atracar barcos de hasta 30.000 toneladas.

Para 1980 se logra culminar el proyecto al entrar en funcionamiento las 720 celdas y se logra operar a plena capacidad de producción en 1981. Para el año 1985 se dio inicio a un ambicioso programa de ampliación de la planta con una nueva línea de producción: Quinta (V) Línea, la cual estaría formada por 180 celdas electrolíticas, fue terminada de construir y puesta en funcionamiento en el año 1987 y entra en plena operación en 1989, con una capacidad de producción de 1.722 Kg. de aluminio líquido por celda/ día.

Dentro de la Quinta (V) Línea, se llevó a cabo el desarrollo de las celdas V-350 de CVG VENALUM, el cual consistió en un diseño de cinco (5) celdas experimentales de alto amperaje, elaboradas por un grupo de Ingenieros de la empresa que una vez evaluado y optimizado el proyecto, permitirá la construcción de nuevas plantas reductoras con tecnología venezolana.

Para el año 1993, la industria del aluminio CVG VENALUM se une administrativamente a CVG Bauxilum. En 1996 por primera vez en su historia VENALUM alcanzó su máxima capacidad de producción instalada, 430.000 toneladas de aluminio primario, un logro sin precedentes, lo cual coloca a esta industria como líder en el mercado internacional, especialmente como la mayor planta productora de metal en el mundo occidental.

La constitución de esta nueva sociedad trajo consigo complejidades e ineficiencia en el desenvolvimiento competitivo de las Empresas del Aluminio en los mercados, fue entonces cuando la Asamblea General de Accionistas de la Empresa Corporación de Aluminios de Venezuela (CAVSA) conjuntamente con el Directorio de la Corporación Venezolana de Guayana, aprobó el 4 de Abril de 2002, la disolución de esta sociedad obteniendo cada empresa su autonomía de gestión.

A raíz de la disolución de estas Empresas, CVG VENALUM, C.A. modificó su estructura organizativa y teniendo ya su autonomía decidió adecuarse a la nueva versión de la ISO 9001:2000, la cual específica los requisitos para los Sistema de Gestión de la Calidad aplicables a toda organización.

En el año 2002, la empresa conmemoró el acumulado de los 8 millones de toneladas producidas desde el año 1978. Aumentó su producción un 5,8% sobre la producción del 2001 y una operatividad al 101,1% de la capacidad instalada de la planta. El mayor logro alcanzado por CVG VENALUM fue en el año 2004 alcanzando la cifra récord de producción de 442.073,63 toneladas, hecho que la consolida como empresa líder en la producción de aluminio primario para Venezuela y el mundo.

Desde su inauguración oficial, VENALUM se ha convertido paulatinamente en uno de los pilares fundamentales de la economía venezolana, siendo a su vez en su tipo, la planta más grande de Latinoamérica, con una fuerza laboral de 3.200 trabajadores aproximadamente y una de las instalaciones más modernas del mundo; produciendo anualmente 440.000 toneladas de aluminio primario por año. Parte de este producto se integra al mercado nacional, mientras un mayor porcentaje es destinado a la exportación, es decir el 57% de la producción está destinado a los mercados de los Estados Unidos, Europa y Japón, colocándose el 43% restante en el mercado nacional.

2.1 ESPACIO FÍSICO

La empresa cuenta con un área suficiente para su infraestructura actual y para desarrollar aun más su capacidad en el futuro (ver Tabla 2).

Tabla 2. Divisiones de la Empresa

Fuente: Manual de Inducción de CVG VENALUM

2.2 UBICACIÓN GEOGRÁFICA

CVG VENALUM está ubicada en la zona Industrial Matanzas en Ciudad Guayana, urbe creada por decreto presidencial el 2 de Julio de 1961 mediante fusión de Puerto Ordaz y San Félix.

La escogencia de la zona de Guayana, como sede de la gran industria del aluminio, no obedece a razones fortuitas, sino a un plan bien desarrollado que consideró los aspectos siguientes:

• El agua constituye el recurso básico por excelencia en la región guayanesa, regada por los ríos más caudalosos del país, como el Orinoco, Caroní, Paraguas y Cuyuní, entre otros.

• La navegación a través del Río Orinoco en barcos de gran calado en una distancia aproximada de 184 millas náuticas (314 Km.) hasta el Mar Caribe.

• La presa "Raúl Leoní" en Gurí, con una capacidad generadora de 10 millones de Kw., es una de las plantas hidroeléctricas de mayor potencia instalada en el mundo, y su energía es requerida por las empresas de Guayana, para la producción de acero, alúmina, aluminio, mineral de hierro y ferro silicio.

• En su desembocadura en el Océano Atlántico y el cual se utiliza como medio de transporte para la exportación del aluminio primario producido en la planta para el resto del mundo, y a la vez para la importación de materia prima requerida para la operación de la planta.

• La Empresa CVG BAUXILUM, cuyos terrenos son contiguos a los de VENALUM. Asegura el abastecimiento de alúmina a las empresas productoras de aluminio de ALCASA y VENALUM las cuales proyectan un requerimiento de 1.180.000 toneladas para el próximo año.

2.3 DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

La empresa CVG VENALUM se encarga de la producción del aluminio, utilizando como materia prima alúmina y electricidad, así como otros materiales entre ellos la criolita y aditivos químicos (fluoruro de calcio, litio y magnesio). Este proceso de producir aluminio se realiza en celdas electrolíticas.

Dentro del proceso de producción de la planta industrial, existen diferentes áreas que desempeñan un papel fundamental en el funcionamiento de la misma, las cuales son: Planta de Carbón, Planta de Colada, Planta de Reducción e Instalaciones Auxiliares.

2.3.1 Sector Productivo

La industria del aluminio CVG VENALUM, es una empresa del sector productivo secundario, ya que ésta se encarga de transformar la alúmina (materia prima) en aluminio, el cual es procesado en diferentes formas: cilindros, lingotes (22Kg y 680Kg), etc., de acuerdo a los requerimientos de sus clientes.

2.3.2 Tipo de Mercado

La estructura de mercado de esta industria es del tipo Monopolio de Estado, por ser una de las dos industrias del aluminio existentes en el país, las cuales no compiten entre sí por pertenecer a la misma corporación. La otra es CVG ALCASA que tradicionalmente ha atendido en mayor grado el mercado nacional, a diferencia de CVG VENALUM que se ha enfocado al mercado internacional; situación que ha venido cambiando con las nuevas políticas de estado orientadas a asistir a la industria nacional.

2.3.3 Misión

CVG VENALUM tiene por misión producir, comercializar productos y servicios de la industria del aluminio en forma eficiente y promover el desarrollo y el fortalecimiento aguas abajo de la industria nacional del aluminio, maximizando los beneficios para los trabajadores, accionistas, la región y el país.

2.3.4 Visión

CVG VENALUM se posicionará como líder en calidad, productividad y competitividad en la industria del aluminio a nivel mundial y contribuirá en la diversificación de la economía nacional, impulsando el desarrollo de la cadena de transformación doméstica apoyando sus procesos y generando así empleo y riqueza para la nación.

2.3.5 Política de la Calidad

Calidad para CVG VENALUM significa producir y comercializar aluminio así como prestar servicios relacionados, que satisfagan los requisitos de los clientes, mediante la participación de su personal y sus proveedores en un sistema de gestión de la calidad que estimula el mejoramiento continuo de sus procesos y productos.

2.3.6 Funciones

La Industria Venezolana del Aluminio, tiene como principal función producir y comercializar aluminio primario y sus derivados en forma rentable. Para cumplir con este propósito CVG VENALUM se orienta hacia aquellos productos y mercados que resulten estratégicamente atractivos. Es una empresa dedicada a la excelencia, a los costos más bajos posibles de la industria y participar en aquellos negocios que ofrezcan las mayores posibilidades de crecimiento y utilidad. Entre las funciones que conforman la industria del aluminio se pueden mencionar:

• Producción: alcanzar el nivel óptimo de productividad, respondiendo a las exigencias del mercado bajo controles de calidad establecidos, asegurando las mejores condiciones de rentabilidad y seguridad, en concordancia con la capacidad instalada y de acuerdo a las exigencias de los mercados internacionales con relación a calidad, costo y oportunidad.

• Comercialización: optimizar la gestión de comercialización para elevar las ventas de la empresa y cumplir oportunamente con los requerimientos y necesidades del mercado.

• Tecnología: establecer y desarrollar la tecnología adecuada para alcanzar una producción eficiente, que aumente la competitividad de la industria del aluminio.

• Mercado y Ventas: maximizar los ingresos de la empresa mediante la venta de productos, cumpliendo oportunamente con los clientes, con la calidad requerida y a precios competitivos.

• Procura: garantizar la adquisición de materia prima, equipos, insumos y servicios en la calidad y oportunidad requerida a costos competitivos.

• Finanzas: mantener una adecuada estructura financiera que contribuya a mejorar la competitividad y el valor de la empresa.

• Organización: disponer de una óptima estructura organizativa de los sistemas de soportes que faciliten el cabal cumplimiento de los objetivos de la empresa.

• Recursos Humanos: disponer de un recurso humano competente, identificado con la organización de la empresa y asegurar que sea el más efectivo y especializado.

• Imagen: proyectar a CVG VENALUM como una empresa rentable, competitiva y vinculada con el desarrollo nacional y regional.

2.3.7 Estructura Organizativa General

La estructura organizativa de CVG VENALUM es de tipo lineal y de asesoría, donde las líneas de autoridad y responsabilidad se encuentran bien definidas, actualmente fue reestructurada y aprobada por la Corporación Venezolana de Guayana el 28 de Febrero del año 2002, debido a la disolución de la Industria Aluminios de Venezuela. Está constituida por gerencias administrativas y operativas. (Ver figura 1)

Figura 1. Estructura Organizativa General de CVG VENALUM.

Fuente: Manual de Organización de CVG VENALUM

2.4 ÁREAS BÁSICAS DE LA EMPRESA

2.4.1 Planta de Carbón

En la Planta de Carbón y sus instalaciones se fabrican los ánodos a partir de una combinación de coque de petróleo calcinado, cabos de ánodos triturados, ánodos verdes y calcinados de desecho, que hacen posible el proceso electrolítico. En el Área de Molienda y Compactación se construyen los bloques de ánodos verdes a partir de coque de petróleo, alquitrán y remanentes de ánodos consumidos. Los ánodos son cocidos en Hornos de Cocción, con la finalidad de mejorar su dureza y conductividad eléctrica. Luego el ánodo es acoplado a una barra conductora de electricidad en la Sala de Envarillado. En Reacondicionamiento Catódico se produce la mezcla de alquitrán y antracita que sirve para revestir las celdas, que una vez cumplida su vida útil, se limpian, se reparan y reacondicionan con bloques de cátodos y pasta catódica.

2.4.2 Planta de Reducción

En las celdas se lleva a cabo el proceso de reducción electrolítica (Proceso Hall Heroult) que hace posible la transformación de la alúmina en aluminio primario, interactuando cinco (5) elementos básicos que son:

• Electricidad: Por cada Kg. de aluminio producido se requieren aproximadamente 14,0 Kwh. de energía eléctrica.

• Alúmina: Oxido de aluminio obtenido a través del Proceso Bayer a partir de la bauxita en la empresa CVG BAUXILUM.

• Ánodo: Polo positivo en una celda electrolítica. A este polo se dirigen los iones negativos durante la reacción de electrólisis.

• Criolita: compuesto formado por fluoruro de aluminio y fluoruro de sodio; se emplea como medio electrolítico en la producción por electrólisis del aluminio.

• Aditivos: Sustancias que se añaden al baño electrolítico para modificar las propiedades físico-químicas del mismo, siendo afectadas positiva o negativamente, dependiendo del aditivo utilizado. Los principales aditivos son fluoruro de aluminio, fluoruro de calcio, fluoruro de litio y fluoruro de magnesio.

El proceso de reducción electrolítica consiste en retirar el oxigeno de la alúmina disuelto en un medio electrolítico y bajo los efectos de una corriente eléctrica directa. El oxígeno se combina con el carbón del ánodo y forma el dióxido de carbono que se libera mientras que el aluminio se precipita en forma líquida.

El área de Reducción está compuesta por Complejo I, II, y Quinta (V) Línea para un total de 905 celdas, 720 de tecnología Americana Reynolds y 180 de tecnología Noruega Hydro Aluminiun. Adicionalmente, existen 5 celdas experimentales V-350, un proyecto desarrollado por Ingenieros Venezolanos al servicio de la empresa. La capacidad nominal de estas plantas es de 430.000 t/año.

2.4.3 Planta de Colada

La sala de colada es la encargada de producir los lingotes y cilindros de aluminio que varían en forma, tamaño y aleación según los requerimientos del mercado. El aluminio líquido obtenido en las salas de celdas es trasegado y trasladado en crisoles de 6 toneladas al área de Colada, donde se elaboran los productos terminados. El aluminio líquido se vierte en hornos de retención y se le agregan, si es requerido por los clientes, las aleaciones que necesitan algunos productos. Cada horno de retención determina la colada de una forma específica: lingotes de 10 Kg., lingotes de 22Kg, lingotes de 680Kg, cilindros para extrusión (de 6 1/8, 7, 8 y 9 pulgadas y una longitud mínima de 248 pulgadas) y metal liquido.

Instalaciones Auxiliares: Son aquellas áreas que no forman parte del proceso productivo, pero son indispensables para el buen funcionamiento de la planta. Entre las instalaciones auxiliares se tienen:

• Mantenimiento: está formado por talleres y equipos utilizados que son indispensables para mantener en óptimo funcionamiento todas las máquinas, equipos e instalaciones de la empresa.

• Laboratorio: está formado por las instalaciones y equipos utilizados para el control del metal producido, materia prima, análisis de muestras, investigación y desarrollo de tecnologías aplicadas en las industrias del aluminio.

• Sala de Compresores: provee aire comprimido, gas, agua industrial y contra incendio, y tratamiento de aguas negras a las instalaciones de la planta, los cuales se utilizan para los procesos productivos de la misma.

• Muelle: el Terminal portuario de VENALUM en la parte operativa de doscientos diez metros (210 m), es utilizado para embarcar productos terminados para exportación, descargar materia prima básica y otros materiales necesarios en los procesos productivos de esta Empresa.

• Plantas de Tratamiento de Humos: se encargan del control ambiental y recuperación del fluoruro que sale de las celdas con el dióxido de carbono.

• Otras Instalaciones: éstas comprenden los patios de productos terminados y de materias primas, oficinas y servicios sociales, talleres y almacenes.

CAPÍTULO III

Marco teórico

• ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

Valdés (2001) et al, presenta la optimización de un generador de vapor (HRSG) de un ciclo combinado de una turbina de gas. Se optimiza la distribución del área de la caldera entre sus distintos componentes mediante la técnica propuesta.

Correas (2001), presenta una formulación detallada del problema del diagnostico aplicada a sistemas térmicos, propone un modelo de diagnostico para una central de ciclo combinado, el tratamiento que se debe dar a los datos y análisis de resultados.

En este documento se hace un recuento de la historia del desarrollo del diagnostico y se comentan varios casos teóricos utilizados como casos similares para el enfoque del presente estudio.

Zhang et al (2006), presentan un método de análisis de costo energético mejorado aplicado a una central térmica de carbón pulverizado localizada en Yiyang de la provincia Hunan (China). Concluye como resultado que el costo específico irreversible es un mejor indicador que el costo exergético unitario al representar el desempeño productivo de un componente.

Giannantoni et al (2005), señala que en el diseño de sistemas de conversión de energía se deben considerar varios aspectos complejos que van desde las consideraciones energéticas a las evaluaciones económicas, beneficios sociales y requerimientos ambientales. En el caso presentado (Cogeneración en Torino, norte de Italia) se implementan los siguientes pasos en forma secuencial: 1. Análisis energético (conservación de masa y energía). 2. Análisis termoeconómico (Proceso de generación de costos). 3. Evaluación ambiental. 4. Evaluación económica.

El vaor principal de estos trabajos consiste en la aplicación práctica de la teoría de las centrales termoeléctricas y las funciones de las mismas.

• BASES TEÓRICAS

3.2.1 Centrales Termoeléctricas

Una central termoeléctrica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas o termoeléctricas es semejante.

El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los alabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el, desde un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por otra parte, el vapor es enfriado en un condensador y vertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo.

El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar.

Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten constantemente, vapor de agua (que se forma durante el ciclo) no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la planta dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.

3.2.2 Funcionamiento de una Central Térmica

En las centrales térmicas convencionales, la energía química ligada por el combustible fósil (carbón, gas o fuel-oil) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, independiente del combustible que utilicen (carbón, fuel-oil o gas)

Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varían según el tipo de combustible empleado.

3.2.3 Centrales Termoeléctricas Clásicas o convencionales

Una central termoeléctrica o central térmica es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. Este tipo de generación eléctrica es contaminante pues libera dióxido de carbono.

3.2.4 Tipos de Centrales Termoeléctricas

Centrales termoeléctricas de ciclo clásico o convencional

Se denominan centrales termoeléctricas clásicas o convencionales aquellas centrales que producen energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel oil o gas en una caldera diseñada para tal efecto. El apelativo de "clásicas" o "convencionales" sirve para diferenciarlas de otros tipos de centrales termoeléctricas (nucleares y solares, por ejemplo), las cuales generan electricidad a partir de un ciclo termodinámico, pero mediante fuentes energéticas distintas de los combustibles fósiles empleados en la producción de energía eléctrica desde hace décadas y, sobre todo, con tecnologías diferentes y mucho más recientes que las de las centrales termoeléctricas clásicas.

Son consideradas las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental.

Centrales termoeléctricas de ciclo combinado

En la actualidad se están construyendo numerosas centrales termoeléctricas de las denominadas de ciclo combinado, que son un tipo de central que utiliza gas natural, gasóleo o incluso carbón preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Luego los gases de escape de la turbina de gas todavía tienen una elevada temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas turbinas está acoplada a su correspondiente alternador para generar la electricidad como en una central termoeléctrica clásica.

Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales, sólo funciona la turbina de gas, a este modo de operación se le llama ciclo abierto. Si bien la mayoría de las centrales de este tipo pueden intercambiar el combustible (entre gas y diésel) incluso en funcionamiento. Como la diferencia de temperaturas que se produce entre la combustión y los gases de escape es más alta que en el caso de una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.

3.2.5 Fuente de energía utilizada y sus características

Estas plantas, generan energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto y emplean la tradicional turbina de vapor y una turbina de gas que aprovecha la energía de los gases de escape de la combustión. Con ello se consiguen rendimientos termoeléctricos del orden del 55%, muy superior al de las plantas convencionales. La ventaja que tiene el gas como sustituto del carbón es que elimina los parques de almacenamiento, las instalaciones de secado y molienda, la evacuación de escorias; aumenta la vida de las calderas por la ausencia de incrustaciones y corrosiones y facilita considerablemente el control de la combustión. Cuando sustituye al fuel oil permite suprimir los depósitos de almacenamiento, las instalaciones de bombeo, el consumo de vapor para el calentamiento de depósitos, tuberías e inyección en los mecheros de combustión.

El vapor se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de caldera, el vapor de agua puede llegar alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado).

Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La turbina consta de tres cuerpos; de alta, media y baja presión respectivamente. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente. Así pues, el vapor agua a presión hace girar la turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de rotación.

La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador asincrónico acoplado a la turbina.

3.2.6 Ventajas de Centrales Térmicas

Las centrales térmicas presentan las siguientes ventajas:

• El tiempo de construcción de una central térmica es considerablemente menor que el de una central hidroeléctrica.

• Las centrales térmicas al no necesitar cantidades considerables de agua, provoca que estas no dependan del clima, es decir que ellas logran hacer determinística una variable que antes era aleatoria.

• Los costos de inversión son menores que en las centrales hidroeléctricas, lo que favorece su construcción y entrada en funcionamiento.

• La facilidad de transporte de combustible orgánico desde el lugar de su extracción hasta la central térmica.

• Al progreso técnico en las centrales térmicas que permitió diseñar grandes unidades generadoras(grandes módulos) con mejores rendimientos que las unidades pequeñas o medianas.

• La posibilidad de utilizar el vapor de extracción de la turbina para introducirlo en el proceso productivo de una industria, o bien a una red de energía calórica en ciudades de zonas muy frías.

3.2.7 Desventajas de Centrales Térmicas

• El uso de combustibles fósiles genera emisiones de gases de efecto invernadero y de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes (en el caso del carbón) que pueden contener metales pesados.

• Al ser los combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica. Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclima local.

• Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente en estos.

• Su rendimiento (en muchos casos) es nulo (comparado con el rendimiento ideal), a pesar de haberse realizado grandes mejoras en la eficiencia (un 90-91% de la energía liberada en la combustión se convierte en electricidad, de media).