Potencialidades de entrega de energía eléctrica en dos centrales azucareros de la provincia de Cienfuegos
Potentialities of electricenergy delivery in two sugar mills of Cienfuegos province
Reinier Jiménez Borges 1*, Junior Lorenzo Llanes 2, José Pedro Monteagudo Yanes1,Héctor Pérez de Alejo Victoria2, Rafael Álvarez Delgado 1y David Daniel Carreño Sarmiento 1
1 Centro deEstudios de Energía y Medio Ambiente (CEEMA). Universidad de Cienfuegos CarlosRafael Rodríguez, Cuatro Caminos Carretera a Rodas, km 3 ½, Cienfuegos, Cuba.
]]> 2 Facultad de Ingeniería Química, Instituto Superior Politécnico "José A. Echeverría",(CUJAE). Ave 114 #11901 e/Ciclovía y Rotonda, LaHabana, Cuba.*Autor para la correspondencia: Reinier Jiménez, Email: rjborges@ucf.edu.cu
RESUMEN
En el trabajo se analizan losesquemas termo-energéticos de los centrales "14 de Julio" y "Antonio Sánchez"pertenecientes a la provincia de Cienfuegos. En dichas empresas se elaboraronlos diagramas de Flujo de Proceso y Flujo de Información para su posteriorsimulación en el software Termoazucar (STA 4.1). Conel auxilio del software de referencia, la modelación del caso base en estoscentrales permitió determinar las oportunidades de mejoras de los esquemastérmicos. La implementación de éstas en la modelación de los casos mejorados deestos ingenios facilitó conocer la posibilidad de incrementos de la energíaeléctrica vendida al Sistema EletroenergéticoNacional (SEN) en un 16% en el central "14 de Julio" y de un 50% en el central"Antonio Sánchez" manteniendo ambos los mismos niveles de molida.
Palabras clave: Esquemas energéticos, Simulación, Electricidad,Rendimiento
ABSTRACT
In this work the thermal-energetic schemes of the"14 de Julio" and "Antonio Sanchez" sugar mills belongingto the province of Cienfuegos are analyzed. In these enterprises Process Flow andInformation Flow diagrams for its later simulation in the Termoazucarsoftware (STA 4.1) were developed. With the help of reference software, basecase modeling in these plants allowed to identify opportunities for improvementof thermal schemes. The implementation of them in the modeling of improvedcases of these mills facilitated to be aware of the possibility of increases of16% in the electricity sold to EletroenergeticNational System (SEN) in the "14 de Julio" sugar mill and 50% in the"Antonio Sanchez" sugar mill keeping both the same levels of ground.
]]> Keywords: Energy schemes, Simulation, Power, Performance
INTRODUCCIÓN
La industria azucarera es privilegiada porque de lamateria prima que procesa se obtiene, además del azúcar, el agua y elcombustible necesarios para su operación.
El bagazo de caña, biomasa residual del proceso deextracción del jugo, posee un excelente valor calórico, y constituye uncombustible renovable que incinerado en los generadores de vapor produce elvapor que mueve las turbinas de contrapresión para el accionamiento de losgeneradores eléctricos.
El vapor de escape de las turbinas de contrapresiónse destina al proceso de fabricación de azúcar, el condensado caliente no contaminadosalido del área de fabricación, se recupera y emplea como agua de alimentaciónen los generadores de vapor, cerrando un ciclo de muy alta eficiencia
La energía eléctrica que se genera a partir debiomasa cañera o forestal como combustible, deja de generarse con combustiblefósil disminuyendo el consumo de este importante portador energético y reducela contaminación ambiental (Marín, 2012) (Ramos, 2014) (Dias,2014) (Alves, 2015).
Las insuficiencias que aún prevalecen en laexplotación de los sistemas energéticos en la industria azucarera, así como lainestabilidad en el aprovechamiento de la capacidad instalada, la obsolescenciatecnológica de la base energética de la industria, entre otros factores, llevaa la elevación de los consumos y costos energéticos y al no aprovechamiento delas potencialidades para la generación y entrega de electricidad al Sistema Electroenergético Nacional (SEN), (Acosta, 2013) (Amaya,2014) (Oscar Almazan del Olmo y col., 2012).
]]> El proceso de restructuración de la industriaazucarera experimentado en Cuba entre el año 2002 y el 2005 redujo la capacidadpotencial instalada a 478,5 MW localizada en 61 centrales azucareros. La provincia de Cienfuegos cuenta en la actualidadcon 5 centrales azucareros y de ellos solo 4 operaron en la zafra 2014-2015. Elestudio que se presenta, está orientado a proponer alternativas de mejoras enlos procesos y esquemas térmicos de los centrales "14 de Julio" y AntonioSánchez, con el fin de incrementar las ventas de energía eléctrica al SEN.
MATERIALES Y MÉTODOS
Los centrales "14 de Julio" y "Antonio Sánchez" hanpresentado inestabilidad en la entrega de energía eléctrica al SEN en laszafras pasadas. La generación y entrega de energía eléctrica (plan y real) enla zafra 2014-2015 están dados en la figura 1.
El central "Antonio Sánchez" tuvo una generacióneléctrica superior al plan, pero una entrega de energía eléctrica al SENinferior a lo planificado. Ello es una muestra del elevado insumo de energíaeléctrica que tiene ese ingenio.
El central "14 de Julio" si bien genera energíaeléctrica inferior al plan, realiza una entrega al SEN superior a loplanificado, lo cual manifiesta las reservas existentes en ese ingenio paraaportar energía eléctrica al SEN.
La determinación de las alternativas de mejoras enambas industrias, parte de la simulación de los esquemas termo-energéticos deambos centrales haciendo uso del software Termoazúcar(STA 4.1) idóneo para evaluar estos sistemas en fábricas de azúcar crudo, dondea partir del análisis de indicadores de desempeño industrial se puede comprobarel estado energético del esquema analizado (UCI-CUJAE, 2012).
El central "14 de Julio" cuenta con una molidapotencial de caña de 3 000 t/día (265 000 @/día). Eltándem, las bombas de impulsión de jugos, mieles y de condensados sonaccionados por motores eléctricos. La fábrica y las dependencias administrativas puedensatisfacer sus requerimientos energéticos con una potencia instalada de 4,5 MW.
El combustible usado en el área de generación devapor es bagazo proveniente del tándem. La industria cuenta con tresgeneradores de vapor (GV) del tipo EVELMA, todos modificados con módulos deeficiencia y una capacidad instalada por GV de 35 t/h de vapor sobrecalentado auna presión de 1 720 kPa (18 kgf/cm2)y temperatura de 623.15 K (350 0C).
]]> El área de generación eléctrica cuenta con dosturbogeneradores de contrapresión de 4 000 y 2 500 kW de potencia nominalrespectivamente, el primero de ellos generalmente opera a 3 800 kW con relacióna la capacidad nominal, mientras que el segundo lo hace a 1 600 kW.El área de calentamiento del jugo está constituidapor ocho calentadores tipo WEBRE, y un calentador de líquido a líquido el cualusa el condensado contaminado para elevar la temperatura del jugo alcalizado.Existen tres calentadores primarios que trabajan usando como agente decalentamiento el vapor de extracción de los evaporadores. Existen además trescalentadores secundarios usando vapor de extracción como fluido decalentamiento, y un calentador de jugo claro que usa vapor de escape.
El área de evaporación está constituida por seisvasos evaporadores formando un quíntuple efecto, donde el primer y segundo vasoseñalado en la figura 2, forman el primer vaso del quíntuple y son alimentadosen paralelo con vapor de escape de los turbogeneradores, razón por la cualfunciona como un solo vaso.
Las extracciones de vapor en los dos primeros vasosson empleadas en tachos, calentadores y por eltercer vaso evaporador, así cada vaso se alimenta del vapor producido por elvaso que le precede. El condensado obtenido en los tres primeros vasos escondensado puro, que se utiliza como agua de alimentación a los GV y elcondensado de los últimos tres vasos es condensado contaminado.
La estación de tachos cuenta con seis tachos, estosson los últimos consumidores de vapor en el proceso de producción de la azúcary con ellos se cierra el esquema térmico. El condensado obtenido aquí es puropor lo que es almacenado y reinsertado en el sistema como agua de alimentaciónpara los generadores de vapor.
El central "Antonio Sánchez" cuenta conuna molida potencial de 2 850 t/h (250 000 @/día). El área de generación devapor posee dos GV tipo RETAL cadauno con una capacidadnominal de 60 t/h de vapor; una presión de vapor sobrecalentado de 2 070 kPa (20 kg/cm2) auna temperatura de 623,15 K (350 0C).
La industria posee dos turbogeneradoresde contrapresión, uno con potencia de 4 000 kWoperando normalmente a 3 000 kW y el otro de 2 500 kW, que opera a una potenciade 1 700 kW. Existe unaválvula reductora que asume las fluctuaciones del consumo de vapor en elproceso para suplir las necesidades térmicas. En el escape de las turbinas decontrapresión y a la salida de la válvula reductora se obtiene el vapor para elproceso con presión de 266 kPa (2,7 kg/cm2)y temperatura 409 K (136 °C).
Los centrales en estudio presentan similar esquematérmico de proceso solo con la diferencia de que el central 14 de Julio presenta un generador de vapor adicional.
En la figura 2 se muestra el Diagrama de Flujo deProceso (DFP) idéntico en ambas industrias y que es el esquema base utilizadopara el análisis.
]]> 2.1 Simulación de los casos bases a partir delsimulador Termoazucar (STA 4.1)Los diagramas de flujo de procesos de los centrales"14 de Julio" y "Antonio Sánchez", posibilitaron confeccionar el Diagrama deFlujo de Información (DFI) de ambas industrias para su posterior análisis. Ladiferencia en el esquema térmico de los ingenios en estudio radica en laexistencia de un GV adicional en el central 14 de Julio.El Diagrama de Flujo de Información (DFI) de las empresas estudiadas está dadoen la figura 3.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de la simulación para el caso basedel central 14 de Julio se resumen en la tabla 1.
De acuerdo a los resultados presentados, encondiciones normales de operación del ingenio es necesario disponer de ciertacantidad de bagazo sobrante para operar durante paradas de la molienda, dehasta 2 ó 3 horas de duración. En Cuba el sobrante debagazo se comporta en un intervalo del 15–30 % (Victoria, 2009), situándoseeste valor además entre 25-35 t/100 t de caña) (Rein,2006). Por otra parte, el consumo vapor de la fábrica se encuentra en elintervalo de 35–48 %(Victoria, 2009), mientas que comúnmente puede oscilarentre 40 y 60 t de vapor/100 t de caña (Rein, 2006).Este depende fundamentalmente de la estabilidad en el consumo promedio de vaporde baja presión en los tachos, la potencia instalada de los turbogeneradorespues los equipos de mayor potencia tienen menor consumo específico y si seexpulsa vapor a la atmósfera. (Victoria, 2009) (Rein,2006). Por ninguna razón se debe de expulsar vapor a la atmósfera ya que estees energía y agua que se pierde en el proceso. Para evitar las fluctuaciones enla estación de tachos es recomendable pasar vapor directo por lareductora de alta, pues es más ventajoso económicamente que compensar estasfluctuaciones en los turbogeneradores. Sin embargo, evita aprovechar al máximola capacidad de los turbogeneradores de realizar trabajo. La tabla 2 muestra el comportamiento de losindicadores del central "Antonio Sánchez"
Similar al comportamiento del central "14 de Julio"existe una alta disponibilidad de bagazo, pero el consumo de vapor en fábricaes aún mayor y además es muy elevado el por ciento de vapor expulsado a laatmósfera.
El análisis de los indicadores obtenidos en dichasempresas, posibilitó elaborar las propuestas de mejoras dadas a continuación,con el fin entregar más energía eléctrica al SEN.
]]> 1. Regular la concentración deljugo a la salida en los dos primeros vasos de los evaporadores para disminuiral máximo posible el vapor expulsado a la atmósfera.2. Aumentar el Brixde la meladura, dado que ello garantiza un menor consumo de vapor en laestación de tachos.
En la tabla 3 y la tabla 4 se muestran las modificacionesrealizadas a los casos bases, correspondientes a la regulación del Brix en la estación de evaporación, así como al aumento decarga en los turbogeneradores.
Los resultados de la simulación del caso mejoradoperteneciente al central 14 de Julio Tabla 5 el bagazo sobrante aumentó de28,25 % a 33,95 % debido a que se está produciendo vapor, pero con mayoreficiencia, el vapor total expulsado a la atmósfera fue eliminado por completo,la producción eléctrica específica aumentó en un 5,8 % producto al aumento delos turbos y se aumentó la electricidad vendida en un 16 %.
El reporte de indicadores del caso mejorado Tabla 6 perteneciente al central Antonio Sánchez mostró un aumento en el bagazosobrante de 25,56 % a 30,92 %. El resultado más significativo fue por conceptode electricidad vendida que representó un aumento de un de un 50 %.
]]> CONCLUSIONES
1. La simulación en el software Termoazúcar(STA 4.1) de los casos base y mejorado de los centrales azucareros estudiadospropició conocer las mejoras a los esquemas térmicos de los centralesestudiados para generar excedentes de electricidad para la venta al SEN.
2. Las oportunidades de mejoras obtenidas se resumenen: Incrementar la carga de los turbogeneradores para reducir el flujo de vapordirecto por reductora; regular la concentración de los jugos a la salida de losdos primeros vasos de los evaporadores y aumentar el Brixde la meladura al entrar en la estación de tachos.
3. La implementación de las mejoras propuestas puedecontribuir a incrementar en un 17 % el bagazo sobrante en ambas empresas;Reducir en un 9 y 28 % respectivamente el consumo de vapor de las fábricas;Reducir a cero el vapor expulsado a la atmósfera y lograr incrementos en laenergía vendida al SEN de un 16% en el central "14 de Julio" y de un 50% en elcentral "Antonio Sánchez"
REFERENCIAS
Acosta,K.A., Evaluación técnico-económica de alternativas de adaptación tecnológicaspara biorrefinerías en una industria de la caña deazúcar., Tesis en opción al Título de Ingeniero Químico, Universidad Central"Marta Abreu" de Las Villas, Cuba, 2013.
Almazan del Olmo, O., Silva Lora, E.E., EscobarPalacios, J.C., Apuntes para una estrategia en el desarrollo de la energéticaazucarera., Revistas Anales de la Academia de Ciencia de Cuba, Vol. 2, No. 2,2012, pp. 3-14.
Alves, G.H., Surpluselectricity production in sugarcane mills using residual bagasse and straw as fuel., Energy, Vol. 91, 2015, pp. 751-757.
Amaya, D.S., Análisis y optimizaciónexergética de una planta de cogeneración para la industria azucarera. Tesis enopción al Título de Máster en Ingeniería Mecánica, Universidad tecnológica dePereira, Colombia, 2014.
]]> Dias, O.C., IntegratedFirst and Second Generation Ethanol Production from Sugarcane.,Chemical Engineering Transactions, Vol. 37, 2014, pp. 445-450.Marín, J.R., Estudio Histórico -Tecnológico de laProducción de Azúcar de Caña: Aplicación al análisis desde la ingenieríaindustrial y la ingeniería grafica de las máquinas de vapor Fives-Lilley Mirrlees-Watson en la Costa Granadina., Tesispresentada en opción al grado científico de Doctor en OganizaciónIndustrial, Universidad de Jaén, España, 2012.
Ramos, M.G., Integración deprocesos y análisis de cogeneración en las producciones de azúcar y alcohol.,Centro Azúcar, Vol. 41, No. 4, 2014, pp. 50-58.
Rein,P., Cane Sugar Engineering., Verlag Dr. Albert Bartens KG, 2006, pp. 667-678.
UCI-CUJAE., Ayuda del Software TERMO AZUCAR (STA) (Version 4.1), 2012, pp. 129-140.
Victoria, H.E., El análisisde procesos y el empleo adecuado de la energía en la producción de azúcar crudoy electricidad en ingenios cubanos., Editorial Universitaria,2009, pp. 139-142.
Recibido:Septiembre 14, 2016;
Revisado: Noviembre 30, 2016; ]]>
Aceptado: Diciembre 20, 2016
]]>
