Propuesta de mejora basada en el cálculo exergoeconómico del grupo electrógeno de Barredera (página 2)
Enviado por Yanet Rivas Cruz
Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu 1.3.1 Método exergético.
El análisis termodinámico persigue dos objetivos: el cálculo del grado de perfección termodinámica de los procesos de trabajo de las instalaciones energéticas y la indicación de las vías para incrementar el ahorro de combustible o energía eléctrica suministrada a las instalaciones.
El análisis termodinámico de los modernos y complejos esquemas de las instalaciones energéticas, hasta hace pocas décadas, se ha desarrollado a partir de sistemas de coeficientes energéticos que, aunque han jugado un rol muy importante en la disminución y utilización de la energía, no lo han hecho así en el perfeccionamiento termodinámico de los procesos, ya que estos no son capaces de valorar totalmente el grado de perfección termodinámica de los mismos.
La limitación principal de los métodos energéticos de análisis radica en que los mismos no establecen diferencia entre la calidad de la energía que se distribuye. Esta calidad está relacionada con la capacidad para realizar trabajo útil y la imposibilidad de realizar un análisis de los cambios de calidad de la energía a través de la instalación, lo que nos deja una vía de perfeccionamiento no explotada para el ahorro de combustible o energía eléctrica.
1.3.2 Metodología para la aplicación del análisis exergético.
Este método de análisis termodinámico tiene tres etapas fundamentales: ? Primera etapa: Análisis energético. El objetivo de esta etapa es conocer la distribución de la energía en el sistema técnico, realizar el diagrama de los flujos de energía y conocer el coeficiente de uso de la energía en cada subsistema y en el sistema en general.
Sistema técnico de análisis: Es una abstracción lógica del objeto real que permite separar para el análisis cualquier parte del mismo, el conjunto de partes interrelacionadas o también representar el objeto real en su totalidad mediante su interconexión de todos los subsistemas técnicos que lo componen.
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10 Figura 1. Balance de Exergía.
El balance exergético en todos los casos permite determinar la magnitud de las pérdidas por irreversibilidad del sistema y por lo tanto puede valorar el grado de su perfección termodinámica. El Rendimiento Exergético (?b) mide el grado de perfección termodinámica de un sistema y se define como la relación entre el beneficio y el gasto exergético:
Aparatos que producen trabajo útil: Wutil ?Bent ? Bsal? ?b ? Pérdidas (L) Bentra Bútil sale Bentra- Bútil sale– L = D > 0 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu ? Segunda etapa: Análisis exergético.
Los balances exergéticos para los estados estacionarios de los procesos son construidos de la misma forma que los balances de energía, con una sola excepción: mientras que la energía se conserva, la exergía al pasar por un sistema técnico puede ser destruida o degradada.
En los balances de exergía, las cantidades de exergía que entran al sistema o dispositivo deben convertirse en lo posible en exergía de las corrientes de salida que constituyen el fin para el cual dicho dispositivo está concebido. Las diferencias son debidas a las discrepancias de los procesos termodinámicos con los reversibles y constituyen las irreversibilidades. La disminución de exergía por causas internas recibe el nombre de Destrucción de exergía. La exergía de las corrientes de energía que salen del sistema y que no tiene una utilización para los fines concebidos para el sistema, recibe el nombre de Pérdidas de exergía.
Sistema [D]
Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu Aparatos que no producen trabajo útil: Bsal Bent ?b ? En cualquier caso, si los procesos son reversibles: ?e =1. ? Tercera etapa: Análisis Entrópico: El objetivo de esta etapa es conocer la distribución de las pérdidas exergéticas en el sistema y caracterizar cada subsistema de análisis por el peso de sus pérdidas con respecto a la exergía inicial invertida en el sistema, así como determinar la influencia de las irreversibilidades en el consumo específico de combustible o de energía eléctrica del objeto técnico de estudio.
Coeficiente absoluto de pérdidas exergéticas: (?i) Di Bentra ?i ? 1.4 Métodos termoeconómicos.
La Termoeconomía, combinando las herramientas termodinámicas y económicas, permite la evaluación objetiva de los aspectos económicos de las transformaciones energéticas y, por lo tanto, da posibilidades de juzgar sobre el grado de perfección de dichas transformaciones a la luz de los costos totales implicados, dentro de los cuales es necesario considerar no sólo los consumos de energía de diferentes calidades sino el valor que en recursos energéticos primarios representan los demás costos en que necesariamente hay que incurrir para efectuar dichas transformaciones.
La Termoeconomía estudia aspectos fundamentales relacionados con la Ecología, ya que a partir de sus procedimientos de análisis puede racionalizarse al máximo la explotación de los recursos energéticos primarios, la utilización de la
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1.4.1 Teoría del costo exergético.
Se define como costo exergético a la cantidad real de trabajo (mayor que la mínima) que debe invertirse para obtener cierto estado (y en general cierto recurso material) a partir del estado muerto.
El costo exergético es mayor que la exergía, siendo la diferencia precisamente la destrucción de exergía (D):
Costo exergético > Exergía
Exergía = Costo exergético mínimo (reversible)
1.4.2 Eficiencia exergética y costo exergético unitario. Exergía Costo exergético ? 1 ?b ? Costo exergético Exergía ? 1 ? k ? 1 ?b Fuel (F) Producto (P) 1.4.3 Producto, fuel, pérdida y destrucción.
Al analizar las instalaciones desde el punto de vista termoeconómico convencionalmente se denomina Producto al conjunto de corrientes que constituyen o reflejan el fin u objetivo del proceso y Fuel al conjunto de corrientes que identifican los recursos externos invertidos para lograr dichos objetivos.
Destrucción (D) Pérdidas (L)
Producto (P) = Fuel (F) – Pérdidas (L) – Destrucción (D)
Figura 2. Balance de Exergía en función del Fuel y el Producto.
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Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu Esta convención permite definir de manera general la eficiencia exergética y el costo exergético unitario ahora en función de estos términos: 1.5 Costo exergoeconómico.
El cálculo del costo monetario de los flujos en las plantas energéticas y químicas constituye un problema de capital importancia por cuanto está ligado de manera directa con la repercusión de los costos de producción de las distintas partes, secciones o equipos que constituyen el proceso sobre el costo de los productos finales
Tsatsaronis [1], fue el primero en utilizar este procedimiento de evaluación de los costos monetarios de los flujos internos y productos de plantas complejas. Según él, se puede plantear el balance del costo exergoeconómico de cualquier equipo individual, designando por ? los costos monetarios (exergoeconómicos) de los flujos y consecuentemente ?F y ?P como los costos monetarios del Fuel y Producto respectivamente:
?P ? ?F ? Z
Teniendo en cuenta lo anterior se puede definir el costo exergoeconómico de un flujo de exergía como la suma del costo monetario de la exergía de entrada necesaria para producir dicho flujo más el resto de los costos originados en el proceso productivo asociado a su obtención (capital, operación, mantenimiento, etc.)
[Costo exergoecónomico del Producto] = [Costo exergoeconómico del Fuel]
+ [Capital] + [O&M]
De aquí se llega a la siguiente ecuación:
???? * ???? = ???? * ???? + ??
13 F P P F L ? D P ? kb ? L ? D F ?1? ?1? 1 ?b ?b ?
14 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu Donde:
CE:Costo exergoeconómico unitario del producto.
BE: Exergía del producto.
CF: Costo exergoeconómico unitario del Fuel.
BF: Exergía del fuel.
Z: Costos no energéticos.
Dentro de los costos no energéticos se incluyen el costo capital de la instalación, los costos de operación y mantenimiento.
Despejando el Costo Exergoeconómico Unitario se obtiene:
???? = (???? * ???? + ??)/????
En general, la aplicación del procedimiento descrito dependerá del fin que pretende alcanzarse.
Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu CAPÍTULO 2. Desarrollo de los cálculos. Análisis y propuesta de soluciones.
2.1 Caracterización del área objeto de estudio.
En el emplazamiento de Barrederas (Central Eléctrica Diesel), se encuentra instalado un grupo electrógeno MTU serie 2000 de 1150 KVA con una potencia disponible de 920 kW al 100 % y 690 kW al 75 % para servir una carga en isla con las siguientes características:
Tabla2. Potencia activa, reactiva y aparente de la SE Barredera. Los generadores MJB son generadores sincrónicos de cuatro tiempos dos válvulas de admisión y dos de escape (admisión- compresión- fuerza– escape), principio de funcionamiento basado en la inducción electromagnética. El combustible utilizado es diesel especial con una densidad de 843.9 g/l, un consumo plan actual por motor de 235 g/kWh según plan pues este índice de consumo se ha deteriorado, cuando se instalaron el plan era de 230 g/kWh. La tecnología instalada está altamente automatizada y juega un papel protagónico en la confiabilidad de la operación y el flujo de información en el grupo monitoreado por el sistema de supervisión y control (EROS).
La frecuencia de realización del mantenimiento varía según los casos, dependiendo de las dimensiones de la máquina y de las condiciones ambientales y de uso. Geysel se ocupa del mantenimiento a equipos y paneles, diagnóstico,
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16 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu planificación y coordinación de los servicios de calibración y verificación de instrumentos, así como de la solución de averías.
Por regla general se realizan después de 500 horas de funcionamiento (o no menos de una vez al año), transcurridos 10 000 horas de trabajo se realiza reparación capital.
2.2 Cálculos
Para el desarrollo de los cálculos se parte de los siguientes datos: ? El consumo de combustible total es de 35269 ?? h . El combustible usado es diesel especial con una densidad de 843.9 ?? ?? . Convirtiendo los litros de combustible a kg se logra multiplicando por la densidad del mismo quedando: 35269 l h g g * 843.9 l = 29763509.1 h 29763.51 (Expresado en kg al año )
? Se conoce que la Exergía del Fuel es igual al valor del poder calórico superior: ???? PCS=43000 ????
BF (Exergía del fuel) =43000 ???? ???? ………………………..I Para expresar la BF de los kg que se consumen al año se realiza el siguiente análisis: ???? ??ñ?? = ???? * ?????????????? ???? ??????????????????????( ???? ??ñ?? ) ???? ??ñ?? = 43000 ???? ???? * 29763.51 ???? ??ñ?? ???? ??ñ?? = 1279830930 ???? ??ñ?? Por tanto esta es la exergía del combustible empleado en todo el año.
17 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu ? La Generación bruta (Exergía del Producto) en el año 2014 es de 123859 kWh que coincide con la producción de energía eléctrica en el año. ???? ??ñ?? = 123859 kWh……………………………….II Eso está en kwh/año, por lo que hay que expresarlo en kJ para ello hay que tener en cuenta que:
1kw=1kJ/s por lo que
1kJ=1kWs pero una hora tiene 3600 s por lo que hay que multiplicar los kj por 3600 para que sea compatible con kWh y entonces se obtiene que:
3600kJ = 1kWh
Sustituyendo en II ???? ????h ???? ??ñ??
???? ??ñ?? = 123859 kWh * 3600
= 445892400 kJ 2.2.1 Estimación de las irreversibilidades totales. (L + D)
?? + ?? = ?? – ??
?? + ?? = 355508.6 kW – 123859 kW
?? + ?? = 231649.6 kW
2.2.2 Estimación de la Eficiencia exergética. ???? =
???? = ???? ????
445892400 ???? 1279830930 ???? ???? = 0.35
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La eficiencia Exergética del grupo electrógeno de Barrederas es del 35 % lo que se traduce en que solo el 35 % del combustible pasa al producto en el proceso tecnológico.
2.2.3 Estimación del costo exergético unitario.
?? ?? K?? = ?? 0.35 K?? = 2.85
El costo exergético unitario se interpreta como que se necesitan 2.85 unidades de exergía en el Fuel para producir una unidad en el Producto (o que éste es exergéticamente 2.85 veces más caro que aquel).
2.3 Evaluación de los costos exergo económico.
Para realizar este cálculo se parte de la ecuación planteada anteriormente:
?P ? ?F ? Z
[Costo exergoecónomico del Producto] = [Costo exergoeconómico del Fuel]
+ [Capital] + [O&M]
De aquí se llega a la siguiente ecuación:
???? * ???? = ???? * ???? + ??
Donde:
CE(Costo exergoeconómico unitario del producto) =?
BE (Exergía del producto) = 445892400 kJ pues la energía eléctrica se considera exergía pura.
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0.8439 ?? ???? = 123859 kWh = 0.803 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu Para determinar los Costo exergoeconómico unitario del Fuel se procede de la siguiente forma: Cf = 0.8507 ?????????????? ?? * 1 ???? * 29763.51 kg ??ñ?? Cf = 30003 ?????????????? año Este es el valor del combustible que emplea el Grupo Electrógeno al año.
Dentro de los costos asociados se incluyen:
El costo capital de la instalación (GEA) = 255000 dólares como el factor de depreciación es del 10 % y ya han transcurrido 11 años, se considera que ya se desprecio el valor total.
Los costos de operación que incluye el gasto de salario(CS = 99424 Dolares)
Los costos por mantenimiento (CM= 3918.31 dólares)
Estos valores se trabajan en relación al Dólar y se referirán a todo el año. ???? = Salario total anual ( ??????????????) Exergía producida al año (kWh ) 99424 ?????????????? ?????????????? kWh ???? = Costo Mantenimiento total anual ( ??????????????) Exergía producida al año (kWh) ???? = 3918.31 ?????????????? 123859 kWh = 0.0316 ?????????????? kWh Se consideran además el costo de explotación y otros gastos a los cuales no se tuvo acceso por lo que el resultado final se ve afectado por el valor total de los costos asociados (Z). Por lo que los costos asociados totales (Z= 0.834 ?????????????? kWh año ) Para referirlo a los kJ al año es necesario expresar los kW en kJ.
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445892400 20 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu Z = 0,834 Dólares / (kWh Año) * (3600 kJ/kW)
Z =3002.4 Dólares /kJ.
Despejando el Costo Exergoeconómico Unitario se obtiene: ???? = ???? * ???? + ?? ???? ???? = 30003 ?????????????? año ???? ??ñ?? + 3002.4 * 1279830930 ???? ??ñ?? ???? = 86117 ?????????????? ??ñ?? Este es el costo total de la energía eléctrica producida en todo el año expresado en kJ. Para determinar el costo en dinero de de la energía eléctrica producida en todo el año expresado en kWh, se conoce que:
3,6kJ = 1kWh
Por tanto:
CE = (86117 Dólares – kJ año) / (3,6kJ /1kWh)
CE = 23921 Dólares/ kWh – año.
Para expresar el costo exergo económico respecto a un kWh debe dividirse el resultado anterior por la cantidad de kW generados en el año que serían 123859 kWh. CE/ kW = 23921 ?????????????? 123859 ????h = 0,19 Dólares/ kWh. El costo exergético unitario del producto es de 0.19 ?????????????? ????h .
21 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu CONCLUSIONES
La realización del trabajo permite dar cumplimiento a los objetivos trazados en el mismo ya que mediante los cálculos realizados se cuantifica la cantidad de fuel necesario (Combustible Diesel especial) para obtener el producto (Energía Eléctrica) así como se determinan las irreversibilidades del sistema (L+D) y el valor de la eficiencia exergética lo que representa el grado de aprovechamiento del combustible o sea el combustible que pasa al producto en el proceso tecnológico para generar un kW en el del emplazamiento de Barrederas.
Se establece una comparación del costo exergoeconómico del producto con el valor estándar que es de ???? = 0.10 ?????????????? ????h a nivel de la generación aislada Diesel, se llega a la conclusión de que el mismo es ???? = 0.19 ?????????????? ????h que representa un 190 % del valor estándar el cual se ve afectado por valores que inciden directamente como los costos asociados (Z) pues se estimaron muchos datos ante la dificultad de obtener los reales.
Se puede plantear también la incidencia del consumo de combustible, ya que el mimo se ha degradado de 230 g/kWh a 235 g/kWh para lo cual se proponen las siguientes medidas para disminuirlo:
1. Realizar mantenimiento específico chequeando el correcto funcionamiento del sistema de combustible del motor. 2. Chequear diario los problemas tecnológicos que no se visualizan en el AGC ( Filtros de aire sucios, intercambiadores sucios, inyectores defectuosos, mala calibración y turbos defectuosos) 3. Chequear diario los parámetros de trabajo de los motores fuera de régimen que se visualizan en el AGC ( Presión de aire, temperatura del diesel, temperatura del aire y % de carga de trabajo)
22 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu RECOMENDACIONES
Se recomienda que este trabajo se haga extensivo a todos los emplazamientos de la provincia para tener referencias de análisis exergéticos para lo cual se necesita mayor facilidad de información y así poder obtener resultados más reales que se puedan tener en cuenta para la toma de decisiones y acciones en aras de mejorar la eficiencia de los mismos.
23 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu BIBLIOGRAFÍA
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24 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu ANEXOS
ANEXO I. Grupo Electrógeno. (Vista externa)
25 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu ANEXO II. Grupo Electrógeno. (Vista interna) ANEXO III. Sistema de combustible del motor MTU S-2000.
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