ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

FACULTAD DE INGENIERIA EN ELECTRICIDAD Y COMPUTACION

CENTRALES ELECTRICAS FIEC00703

PROFESOR: MSC. ANGEL A. RECALDE

PRIMER TÉRMINO 2015

PROYECTO FINAL DE CENTRALES ELECTRICAS Este trabajo escrito y oral deberá realizarse en grupos de 3 personas máximo. No se aceptarán grupos de 4 personas. REALICE LA PARTE A Y B COMPLETAMENTE. PARA LA PARTE C ESCOJA UNA DE LAS OPCIONES Y DESARRÓLLELA. Investigar en la siguiente bibliografía mínima:

• [1] Prillwitz, F., Al-Ali, S. E., Haase, T., Weber, H., & Saqe, L. (2007, September). Simulation model of the hydro power plant Shkopeti. In Eurosim Congress, Ljubljana.

• [2] P. P. Sharma, S. Chatterji, & B. Singh. (2013, August). Matlab based simulation of components of small hydro-power plants. In VSRD International Journal of Electrical, Electronics & Communication Engineering, 3(8).

• [3] Mantzaris, J., & Vournas, C. (2007). Modelling and stability of a single-shaft combined cycle power plant. International Journal of Thermodynamics, 10(2), 71.

• [4] Rai, J. N., Naimul, H., Arora, B. B., Rajesh, G., & Rahul, K. Ibraheem (2013b) Performance analysis of CCGT power plant using MATLAB/Simulink based simulation. International Journal of Advancements in Research & Technology, 2(5), 285-290.

• [5] Hasana, N., Arorab, B. B., & Raic, J. N. Performance Analysis of Combined Cycle Gas Turbine for Frequency Deviation and Temperature Control. In International Journal of Engineering Research & Informatics, 1(7).

• [6] Mahat, P., Chen, Z., & Bak-Jensen, B. (2010, April). Control strategies for gas turbine generators for grid connected and islanding operations. In Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2010 IEEE PES (pp. 1-8). IEEE.

• [7] IEEE The Institute of Electrical and Electronic Engineer, Dynamic Models for Turbine-Governors in Power System Studies, Technical Report PES-TR1, IEEE Power and Energy Society. January 2013.

PARTE A.- Análisis de Operación de Centrales Hidroeléctricas Los componentes que usualmente se simulan en una central hidroeléctrica son: gobernador y columna de agua con turbina. Otros modelos más precisos utilizan: regulador, sección hidráulica, generador, sistema de control AVR con estabilizador de sistemas de potencia, y sistema de potencia equivalente. Según [1], el diagrama de planta es similar a:

Cada componente del diagrama anterior tiene su modelo explicado en [1]. En la referencia [7] se describen diferentes modelos de gobernadores y conjuntos columna de agua – turbinas tanto para el caso simplificado de inelasticidad del agua como para el caso no lineal de elasticidad del agua. Utilizando las referencias dadas, con ayuda de SIMULINK/MATLAB u otro programa similar realizar la simulación del subsistema:

• Regulador de turbina (gobernador) – Sistema Hidráulico – Generador (1er orden) El sistema puede incluir o no una chimenea de equilibrio (para evitar los golpes de ariete). El modelo combinado podría ser similar a las Figs. 6 y 9 de [1]. Realice los análisis de los siguientes casos:

o CASO 1.- Grafique los resultados de variación de potencia generada ante una variación en la apertura de compuerta de ±0.1pu (±10%)

o CASO 2.- Grafique los resultados de variación de potencia generada ante una variación en la apertura del distribuidor de ±0.1pu (±10%)

Utilice funciones escalón, rampa u otra similar para presentar resultados de las simulaciones. Investigue coeficientes típicos para las constantes de tiempo de los modelos. Trate de enfocar su análisis respondiendo a las siguiente preguntas:

• Qué función cumple la sección electro-hidráulica del gobernador? • Cómo responde el gobernador frente a cambios en la demanda? • Es lo mismo tener una respuesta en la compuerta o válvula que en

el distribuidor? • Qué influencia tiene la dinámica de la tubería de presión? • Cómo cambia la respuesta con respecto al nivel del embalse?

PARTE B.- Análisis de Operación de Centrales de Ciclo Combinado Los componentes que usualmente se simulan en una central de ciclo combinado de eje único son: sistemas de control (temperatura, sobrecalentamiento, aire, combustible), gobernador, turbina de generación de gas, turbina de vapor, y sistema de potencia equivalente. Estos modelos utilizan ecuaciones algebraicas de transformación de energía térmica. Según [3], el diagrama de planta es similar a:

Cada componente del diagrama anterior tiene su modelo explicado en [3]. En [7] también se utilizan modelos simplificados de turbinas a gas y ciclos combinados con recuperadores de calor. Utilizando SIMULINK/MATLAB u otro programa similar, realizar la simulación de un sistema de generación de ciclo combinado genérico.

Realice los análisis de los siguientes casos:

o CASO 1.- Grafique los resultados de variación de frecuencia ante un incremento de entrada de aire de ±0.1pu (±10%)

o CASO 2.- Grafique los resultados de variación de potencia generada en la turbina a gas ante un incremento de combustible de ±0.1pu (±10%)

Utilice funciones escalón, rampa u otra similar para presentar resultados de las simulaciones. Investigue coeficientes típicos para las constantes de tiempo de los modelos. Trate de enfocar su análisis respondiendo a las siguiente preguntas:

• Cómo es la respuesta de velocidad de la planta ante cambios en la entrada de aire o combustible?

• Qué efecto ejerce el control de frecuencia de la central? • Cuál es el porcentaje de aportación de la turbina a gas y de la

turbina a vapor en las variaciones de frecuencia ante cambios en las entradas de aire y combustible?

OPCIONES DE PARTE C

Investigue en la siguiente bibliografía (mínima) y escoja una de las opciones:

• [1] Balli, O., Aras, H., & Hepbasli, A. (2010). Thermodynamic and thermoeconomic analyses of a trigeneration (TRIGEN) system with a gas–diesel engine: Part I–Methodology. Energy conversion and management, 51(11), 2252-2259.

• [2] Balli, O., Aras, H., & Hepbasli, A. (2010). Thermodynamic and thermoeconomic analyses of a trigeneration (TRIGEN) system with a gas–diesel engine: Part II–An application. Energy Conversion and Management, 51(11), 2260-2271.

• [3 ]Abusoglu, A., & Kanoglu, M. (2009). Exergetic and thermoeconomic analyses of diesel engine powered cogeneration: Part 1–Formulations. Applied Thermal Engineering, 29(2), 234-241.

• [4] Serra, L., Valero, A., Torres, C., & Uche, J. (2003). Thermoeconomic analysis: fundamentals. Integrated power and desalination plants. Oxford: EOLSS Publisher, 429-59.

• [5] Lozano, M. A., & Valero, A. (1993). Theory of the exergetic cost. Energy, 18(9), 939-960.

• [6] Atlas Solar de Ecuador con fines de Generación Eléctrica del CONELEC – Corporación para la Investigación Energética (Quito, Agosto del 2008)

OPCION 1.- Análisis termo-económico de un sistema trigeneración Un sistema de tri-generación suple la demanda eléctrica, térmica de calor y térmica de enfriamiento de un determinado lugar se acuerdo al siguiente esquema:

Existe algunas pérdidas que pueden ser estudiadas para mejorar el rendimiento del sistema total. Las técnicas de análisis termoeconómico son las herramientas más convenientes para evaluar los sistemas de generación y mejorar los procesos de obtención de energía. Utilizando las referencias [1], [2], y los principios de [4], evalúe el rendimiento energético de la siguiente planta de trigeneración:

Esta planta consta de una turbina a gas y una unidad de recuperación de calor que produce: energía eléctrica, energía térmica para calentamiento y enfriamiento. En su evaluación debe por lo menos calcular:

• Rendimiento general de la planta • Rendimiento del trabajo (energía eléctrica) • Rendimiento de enfriamiento • Rendimiento de calentamiento • Relación de la energía contenida en el combustible • Relación de productividad basado en la producción de energía • Relación de pérdidas de energía sobre el costo capital total • Flujo de anualidades • Costo por unidad de energía producida (eléctrica, térmica)

OPCION 2.- Análisis de Pico-centrales de Generación con Energías Renovables Dimensione un sistema de alimentación solar fotovoltaico necesario para atender la demanda de una instalación domiciliaria con los siguientes equipos y dispositivos. Se requiere realizar lo siguiente:

a. Realice un cálculo sin baterías y otro cálculo con baterías. b. Utilice los procedimientos de cálculos para el diseño de un sistema solar

fotovoltaico. c. Realice un análisis económico formal del proyecto (TIR, VAN, B/C) d. Comente sobre la viabilidad del proyecto, ventajas y desventajas de la

aplicabilidad si: i. No se tuviera ningún incentivo, es decir, el ahorro de energía

únicamente representa una disminución de la planilla eléctrica. ii. Se tuviera un incentivo de 0.75 centavos de dólar por cada kWh que

no consume de la red de alimentación eléctrica normal (empresa

eléctrica – esto significa que la empresa eléctrica le genera un crédito de 0.75 centavos de dólar / kWh que deje de consumir sin importar el horario).

NOTA: Puede utilizar el Atlas Solar de Ecuador con fines de Generación Eléctrica del CONELEC – Corporación para la Investigación Energética (Quito, Agosto del 2008) para encontrar los perfiles de radiación solar directa anual (de los mapas de radiación solar en el Ecuador).

Cantidad Equipo Energía Potencia (W) Tiempo promedio de uso diario

1 Refrigerador AC 280 24 h. 8 Focos ahorradores AC 22 4 h. 2 Televisores DC 205 3 h. 2 Celulares DC 15 8 h. 2 Ventiladores AC 150 1 h. y 30 min. 1 Computadora DC 360 5 h. 1 Equipo Audio AC 25 5 h. 1 Cocina Inducción AC 2200 55 min. 2 Ducha eléctrica AC 2000 15 min. 1 Plancha AC 1000 25 min. 1 Lavadora AC 700 35 min.

El proyecto será expuesto en clase y se calificará de acuerdo a la siguiente rúbrica:

CRITERIOS EXCELENTE BUENO SUFICIENTE DEFICIENTE Aportación científica

El trabajo contiene al menos una aportación al área de operación de sistemas de potencia. Esta aportación tiene al menos un aspecto original, no se limita a describir lo que sucede con los casos de estudio, sino que los complementa con comparaciones, contrastes, y experimentaciones adicionales.

La aportación es nula, no va mas allá de los contenidos aprendidos en clase y se limita a repetir o reiterar los objetivos del laboratorio

Calidad de la redacción

Excelente redacción y ortografía, fluidez y orden en el texto lo hacen muy legible y ayudan a la comprensión de lo que sucede en los casos.

Fallas menores de ortografía, y/o redacción; algunas secciones necesitan reordenarse

Errores graves de redacción, y/o ortografía (escribe todo con mayúscula). Bastante desorden en el conjunto del texto.

Claridad de los apoyos gráficos y datos tabulados

Tablas, datos y gráficos se articulan bien con el texto y ayudan a comprender el contenido

Tablas, datos y gráficos mejorables, deben sustentar mejor a las conclusiones

Tablas, datos y gráficos con errores y/o confusas y/o no guardan relación clara con las conclusiones

Conclusiones Formula más de una conclusión tomando en cuenta todos los datos y resultados presentados

Formula más de una conclusión tomando en cuenta algunos datos y resultados

Formula una conclusión sin tomar en cuenta los datos y resultados

No formula conclusiones, repite los objetivos o describe el proceso de simulación.