El consumo de combustible en las instalaciones de generación de potencia
Por
Abelardo Daniel Rodríguez Arias*
Conceptos elementales a tener en
cuenta en la medición del combustible
y formas de calcular el rendimiento
de las instalaciones
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La medición y el cálculo del consumo de combustible en las instalaciones generadoras de potencia, reviste gran importancia a la hora de evaluar el funcionamiento de estos sistemas en la industria. La energía para garantizar el trabajo proviene del proceso de combustión de un combustible con el oxígeno. A la energía que se desprende de esta reacción, se le conoce como poder calorífico del combustible.
Dicho poder calorífico, o calor específico de combustión, como también se le conoce, es la cantidad de calor que entrega un kilogramo o un metro cúbico de combustible al oxidarse completamente. En ingeniería, se utilizan dos valores de poder calorífico, el superior PCS (Gross Calorific Value, GCV, en Inglés) y el inferior PCI (Net Calorific Value, NCV, en Inglés).
Como los combustibles utilizados son por lo regular hidrocarburos en cuya composición siempre aparece el hidrógeno y algún contenido mínimo adicional de agua, durante la reacción se produce una cantidad determinada de vapor de agua, que puede condensarse, siempre que la temperatura de los gases productos de la reacción se encuentre en valores cercanos a la temperatura atmosférica. En el proceso de condensación, este vapor de agua entrega el calor latente de evaporación, en este caso, el combustible entrega la energía correspondiente al poder calorífico superior. Sin embargo, cuando la temperatura de los gases productos de la combustión es alta y no tiene lugar la condensación del vapor de agua, el calor entregado por el combustible se corresponde con el poder calorífico inferior.
Es por eso que en los motores y en otras instalaciones, en los que la temperatura de los gases de escape es alta, en los cálculos se utiliza el poder calorífico inferior del combustible. No obstante, como en la práctica pueden emplearse indistintamente una u otra forma de poder calorífico, es importante señalar en los reportes la temperatura que ha sido empleada para realizar los cálculos, sobre todo cuando los resultados pueden ser utilizados para establecer patrones de comparación entre las instalaciones.
Por lo general, los rangos de diferencia entre el poder calorífico superior y el inferior en los hidrocarburos varían de 2 a 10%, lo que depende, como se explicó anteriormente, del contenido de hidrógeno en la composición del combustible.
Cálculos
La medición del consumo de combustible es un aspecto que requiere de un tratamiento especializado para evitar errores en los cálculos del rendimiento de las centrales generadoras. Es importante destacar que la medición del volumen de combustible varía con su temperatura y presión de manipulación; por ello, en la industria se han determinado factores de corrección normados, para convertir el volumen medido en condiciones de presión y temperatura de trabajo, a condiciones de temperatura y presión estándar de 15 ºC (60 ºF) y 101 325 Pa (14,7 lb/pulg2). Como las altas presiones son las que influyen en mayor medida en la compresión o expansión del combustible, y los sistemas de combustión de las instalaciones de generación trabajan a presiones relativamente bajas, las variaciones en el volumen por concepto de la presión se pueden considerar despreciables. Por ello, la temperatura es el elemento a tener en cuenta en la medición del volumen de combustible, para considerar los efectos de su dilatación o contracción volumétrica. Los factores de corrección volumétrica por temperatura, aparecen tabulados en función de la gravedad API, o grados API (American Petroleum Institute, en Inglés), correspondiente al hidrocarburo que se esté utilizando (ASTM D 1250-04) (American Society for Testing and Materials, en Inglés).
Entonces, la densidad del combustible a 15 ºC (60 ºF) se obtiene fácilmente conociendo la gravedad API del hidrocarburo, o en el laboratorio con densímetros especiales para hidrocarburos.
La relación entre densidad relativa y API, está dada por la expresión siguiente:
API(15 ºC) = 141,5 / S1515 – 131,5
Donde:
S1515: Densidad relativa o gravedad específica.
Para calcular la densidad absoluta del hidrocarburo, en kg/m3 o en lb/gal, se utilizan las expresiones siguientes:
ρ15 ºC = 103 S1515, kg/m3
ρ15 ºC = 8 345,4 S1515, lb/gal
El balance térmico de una central generadora se puede expresar como:
QT x η = G x PC x η = W
Donde:
QT: Consumo total de calor del combustible
η: Rendimiento
G: Consumo de combustible
PC: Poder calorífico
W: Potencia generada
Si en la fórmula anterior, G se expresa en g/s y PC en kJ/g, entonces, la potencia generada vendrá dada en kW:
G x PC x η = W = (g/s) (kJ/g) = kW
Unido a los indicadores del consumo económico de calor de la central generadora, el rendimiento y el consumo específico de calor, también se utiliza el consumo específico de combustible, expresado en g/kJ o g/kWh.
El consumo específico de combustible se determina por la fórmula:
CE = G/W = 1/PC x η = g/kJ
Si G está expresado en kg/h y PC en kJ/kg, entonces G x PC x
η = 3 600 W, por lo que para expresar el consumo específico de combustible (CE), en g/kWh, se puede utilizar la fórmula siguiente:
CE = G/W = (3 600/PC x η) 1 000
En el análisis anterior queda demostrado que el rendimiento del sistema es inversamente proporcional al CE.
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Fig. 1. Comportamiento de los indicadores de consumo
de combustible y calor en función del rendimiento en una central
generadora de 100 000 kW, con un fuel oil residual de 40 174 kJ/kg.
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Tablas 1 y 2
Expresiones para el cálculo del rendimiento con diferentes sistemas de unidades

Consumo específico de calor
El consumo específico de calor (CEC) de un motor o una instalación generadora, se define como la cantidad de energía que se utiliza para producir una unidad de trabajo,
y puede ser expresado de la forma siguiente:
CEC = QT/W = CE x PC = (kg/kW) (kJ/kWh) = kJ/kWh
De este modo, el rendimiento térmico se puede obtener a partir de la expresión siguiente:
η = (3 600/CEC) 100 = (kJ/kWh) / (kJ/kWh)
El rendimiento térmico también puede ser calculado conociendo la potencia generada
y el consumo horario de combustible:
η = (3 600 W) / G x Qti) 100 = (kJ/kWh) kW / (kg/g) (kJ/kg)
El mismo resultado se obtiene si se utiliza el consumo específico de combustible CE
y la potencia calorífica del combustible PC:
η = (3 600 / CE x PC) 100 = (kJ/kWh) / (kg/kWh) (kJ/kg)
En la figura 1 se presenta un ejemplo práctico del comportamiento del consumo específico de combustible CE y del consumo específico de calor CEC, en función del rendimiento de una unidad generadora de 100 000 kW producidos con fuel-oil. Como se puede observar, tanto el consumo específico de calor, como el consumo específico de combustible, son inversamente proporcionales al rendimiento de la central.
En las tablas 1 y 2 se presenta un resumen de las principales expresiones para el cálculo del rendimiento a partir del consumo específico de combustible, el consumo específico de calor, la potencia y el consumo horario de combustible, para diferentes sistemas de unidades.
Consideraciones finales
Las consideraciones y fórmulas expuestas facilitan el trabajo de técnicos y especialistas vinculados a las instalaciones de generación de potencia, sobre el consumo específico de combustible y sus relaciones principales con otros parámetros de funcionamiento de las unidades, y pueden ser de utilidad para realizar trabajos evaluativos relacionados con el aprovechamiento de la energía del combustible en los diferentes sistemas de generación de potencia.
* Doctor en Ciencias y Profesor Titular.
Laboratorio de Combustión INEL-UNE, Cuba.
e-mail: abelardo@cfg.minbas.cu
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