5.1. Descripción del grupo electrógeno
5.2. Sistemas de funcionamiento
5.3. Experiencia operativa
5.4. Evaluación económica de los costes de producción eléctrica en la industria de Giriulla
5.5. Notas finales
El grupo electrógeno con gasificador que se describe en este capítulo fue fabricado por "Biomass Energy Consultants and Engineers" de los Países Bajos. Dentro del contexto de la "Conferencia Internacional sobre Gas Pobre", se instaló este grupo en la Universidad de Peradeniya, Sri Lanka, para emplearlo como unidad demostrativa durante el curso sobre la tecnología del gas pobre.
A finales de noviembre de 1981 fue trasladada a las Industrias Giriulla para la producción de electricidad basada en la cáscara de coco y para dotar de energía a parte de una industria de secado de coco.
Los datos de funcionamiento se limitan a un período en el que se ensayaron varios combustibles de biomasa, en la Universidad de Peradeniya, y a los primeros meses de funcionamiento en las Industrias de Giriulla.
Desde principios de enero de 1983, la instalación ha estado funcionando 20 horas diarias, 6 días a la semana, exceptuados los días de fiesta. El tiempo total de funcionamiento de la unidad (incluyendo períodos de ensayo en los Países Bajos y en la Universidad de Peradeniya, y el funcionamiento en las Industrias Giriulla) es aproximadamente de 1 200 horas.
5.1.1. Diseño general del sistema
5.1.2. Gasificador
5.1.3. Ciclón
5.1.4. Separador de choque
5.1.5. Filtro de tela de fibra de vidrio
5.1.6. Refrigerador
5.1.7. Motor y alternador
5.1.8. Ventilador de arranque y encendedor
5.1.9. Dispositivos de seguridad
5.1.10. Elementos auxiliares
En la Figura 5.1. se presenta un diagrama esquemático de flujos del Grupo Electrógeno.
La potencia disponible especificada es de 32 kW.
El gasificador es del tipo de tiro invertido, con cinco orificios de entrada de aire. El diámetro de la garganta es aproximadamente de 15 cm, y las dimensiones generales de la unidad están de acuerdo con las normas de diseño incluidas en el Capítulo 2.
La garganta es de cemento refractario. La cara interior del depósito de combustible está revestida con este material. La parrilla, accionada a mano, está situada aproximadamente 20 cm por debajo de la superficie de sección transversal mínima de la garganta.
El gasificador está equipado con una compuerta de carga de doble válvula accionada a mano.
El gas pobre intercambia calor con el aire que entra, antes de pasar por la sección de depuración de gas.
El gasificador está equipado con un indicador acústico del nivel de combustible que da una alarma en el momento en que hace falta repostar.
Se pueden medir las temperaturas de salida del gasificador y la caída de presión en la "garganta". Los valores medios obtenidos con los diferentes tipos de combustibles ensayados se presentan en el Cuadro 5.1.
Las partículas gruesas se separan de la corriente de gas en un separador de ciclón de gran eficacia. Las cenizas retenidas procedentes del gasificador, se recogen en un cenicero que puede abrirse por el fondo para su limpieza regular.
Las partículas de tamaño intermedio y la mayor parte de las finas se extraen del gasificador en un separador de choque de diseño especial. Este separador está aislado a fin de evitar la concentración de vapores y permitir el paso del gas caliente (por encima de 150°C) al filtro de tela de fibra de vidrio.
Para proteger el motor contra cualquier material sólido, el gas producido se pasa a través de un filtro de tela de fibra de vidrio que quita cualquier elemento sólido que haya pasado por las secciones anteriores de filtrado.
A fin de mantener la temperatura por encima del punto de condensación del gas y para evitar la condensación (aproximadamente 80°C), este filtro está también aislado con lana mineral y un forro de aluminio.
Tanto el separador de choque como el filtro de tela de fibra de vidrio, están equipados con manómetros de agua para poder realizar una vigilancia permanente de la caída de presión ocasionada por el ensuciamiento de los dispositivos de filtrado.
Originalmente, el filtro de tela de fibra de vidrio estaba equipado con una salida de seguridad de líquidos condensados. En Giriulla se encontró que tal dispositivo era innecesario. Como parte del agua se condensaba en el tubo de conexión entre el refrigerador (véase más adelante) y la tubuladura de entrada de aire en el motor, se quitó el recipiente de desagüe de la caja de filtros y se puso en el tubo de conexión, donde funcionó mejor.
La sección de refrigeración consiste en un termocambiador tubular. Los líquidos condensados se pueden extraer del refrigerador por medio de dos recipientes de desagüe equipados con tapas de seguridad, similares a la anteriormente descrita. Las temperaturas de salida del refrigerador verían entre 30° y 50°, dependiendo de las condiciones ambientales (temperatura, viento) y de la carga del motor.
El gas se introduce en el motor después de haberlo mezclado con aire en un carburador de gas.
La velocidad del motor se controla por medio de un regulador electrónico Barber-Colman, que controla simultáneamente una válvula de gas y otra de aire. La velocidad del motor se mantiene constante a 1 500 rpm.
El sistema va equipado con un motor de gas International Harvester (índice de compresión 9,5:1), con un volumen de cilindros de 9,9 dm³.
El alternador es sincrónico protegido contra cortocircuitos, de polos interiores y autoexcitado, con las siguientes especificaciones:
|
Potencia de salida: |
40 kVA |
|
Factor de potencia: |
cas phi 0,8 |
|
Voltaje: |
380/220 V |
|
Frecuencia: |
50 Hz |
El sistema puede seguir un cambio escalonado de carga de 20 kVA con constancia de +5 por ciento.
El alternador va equipado con un cuadro de distribución que contiene:
- 3 amperímetros
- 1 voltímetro
- 1 medidor de frecuencia
- un botón de control del ventilador
- un botón de encendido
- una llave de seguridad de arranque
- un enchufe de fuerza CEE (5 polos) y un enchufe de fuerza DIN 49462
Figura 5.1. Diagrama de flujo del gasógeno de gas pobre de las Industrias de Giriulla
Está dotado de un ventilador de 24 V que se emplea durante el arranque de la instalación.
Inicialmente el gas producido se quema. El quemador está dotado de un cierre hidráulico a fin de evitar el retorno de la llama.
Durante el funcionamiento de la instalación las baterías del ventilador se recargan de forma continua.
El reactor y la caja de filtros van dotados de discos de explosión.
No es posible el funcionamiento del ventilador de arranque con la válvula E (véase la Figura 5.1.) abierta, evitando de este modo que el aire sea succionado hacia el interior del sistema.
El motor se para automáticamente al perder presión de aceite.
La instalación está dotada de una escalera y una plataforma adecuadas para la carga de combustible, para una descarga fácil de combustible en el gasificador, a través de una compuerta de relleno de doble válvula. Toda la instalación va montada sobre un bastidor de soporte, pudiendo transportarse sin desmontarla.
5.2.1. Arranque
5.2.2. Cierre
5.2.3. Mantenimiento del sistema
Para poner en marcha la unidad, hay que realizar las siguientes operaciones:
1. Cierre de la válvula E y apertura de la válvula D (véase Figura 5.1.).2. Apertura de la lumbrera de encendido del reactor.
3. Arranque del ventilador conmutando el botón de control del ventilador.
4. Se enciende un trozo de papel que se introduce en el orificio de encendido del reactor. Este papel será succionado hacia el gasificador y encenderá el carbón vegetal existente en el reactor. Tarda alrededor de un minuto el comienzo de la combustión del carbón vegetal situado dentro del reactor y a partir de este momento se puede cerrar el orificio de encendido.
5. Se abre la entrada de aire en el gasificador.
El gas pobre se escapa ahora a través de la llama. Hay que quemar gas pobre durante unos diez minutos antes de poder arrancar el motor.
6. Se aprieta el botón del ventilador en posición de apagado, se cierra la válvula D y se abre la válvula E.
7. Se pone la válvula de entrada de aire al motor en posición semiabierta.
8. Se cierra la entrada de aire al reactor por un período corto, a fin de crear una ligera sobrepresión en el sistema.
9. Se arranca el motor apretando el botón de arranque del panel de control.
10. Se deja funcionar el motor sin carga por un período de unos cinco minutos.
Cuadro 5.1. Datos de rendimiento del gasificador
a) Localización: Universidad de Peradeniya
|
Fecha |
Combustible |
Gasificador |
Filtro I |
Filtro II |
Motor-Alt |
Eficacia global |
No de horas de funcionamiento |
||||
|
Tipo |
cons. |
AP 1/ |
tsalida |
AP 1/ |
AP 1/ |
tsalida |
tentrada |
Potencia de salida |
|||
|
(++) |
kg/h |
cmVg |
°C |
cmVg |
cmVg |
°C |
°C |
kVA |
% |
||
|
02/11/82 |
I |
- |
8 |
435 |
- |
38 |
140 |
43 |
32 |
- |
2 |
|
02-12/11/92 |
II |
50 |
15 |
400 |
30 |
35 |
110 |
42 |
33 |
16 |
26 |
|
15-16/11/92 |
III |
50 |
20 |
380 |
- |
45 |
120 |
43 |
33 |
20 |
10 |
|
20/11/92 |
IV |
45 |
15 |
370 |
- |
35 |
110 |
46 |
32 |
17 |
5 |
b) Localización industrias de Giriulla
|
desde 10/12/92 al 30/04/93 |
IV |
35 |
20 |
390 |
30 |
40 |
110 |
45 |
25 |
16 |
1 000 |
(++) I : cáscara de coco
II : mezcla de carbón vegetal y de madera del árbol del caucho
III: briquetas de serrín de coco
IV : desperdicios de coco
1/sistema de nivel de agua
El sistema completo de arranque tarda unos veinte minutos.
1. Se desconecta el encendido del motor.2. Se cierra la válvula E.
3. Se deja abierta la entrada de aire del gasificador un breve periodo a fin de reducir el aumento de presión ocasionado por la pirólisis continuada del combustible. Hay que ser conscientes de que se está produciendo monóxido de carbono venenoso.
4. Después de algunos minutos, se cierra la entrada de aire del gasificador a fin de evitar una combustión continua del contenido de combustible del reactor.
Si se funciona con cáscara de coco, se ha comprobado que es necesario extraer las cenizas del fondo del reactor cada diez horas de funcionamiento.
El recipiente de cenizas del ciclón tuvo que vaciarse cada cuarenta horas aproximadamente.
A causa de la caída de presión a través del separador de choque, resultó evidente la necesidad de limpiar este dispositivo de filtrado cada 100 horas aproximadamente. La limpieza del filtro resultó bastante difícil debido a su estructura que sólo permite el acceso por la parte superior del sistema. Se encontró la solución de extraer el polvo por medio de un aspirador.
Debido a la caída de presión a través del filtro de fibra de vidrio, se llegó a la conclusión de que es necesario limpiar este dispositivo aproximadamente cada 100 horas de funcionamiento. La limpieza resultó un procedimiento bastante pesado porque había que quitar la parte superior del filtro. La extracción de la pesada tapa superior obliga a la participación de tres personas, como mínimo, o a acudir como solución a la instalación de una polea.
El mantenimiento anterior solo puede realizarse lógicamente cuando el sistema no está en funcionamiento.
El agua de condensación hay que extraerla de los recipientes de desagüe de productos condensados, cada cinco horas aproximadamente. Esta es una tarea secundaria y gracias a la estructura especial de las tapas de los recipientes de deseque, puede llevarse a cabo cuando el sistema está funcionando.
Los tiempos dedicados a intervalos de mantenimiento dependen no sólo del tiempo de funcionamiento del sistema sino también de la carga del motor, que tiene análoga importancia. Como la carga media del motor durante el funcionamiento en las Industrias de Giriulla fue más bien reducida (véase más adelante), es muy posible que los intervalos entre mantenimientos sean más breves cuando el sistema funcione a plena carga.
5.3.1. Registro de funcionamiento y observaciones sobre rendimiento
5.3.2. Trastornos de funcionamiento
5.3.3. Modificaciones convenientes
La planta de gasificación de biomasa estuvo funcionando en la Universidad de Peradeniya de forma intermitente durante unas cuarenta horas, en noviembre de 1992, con distintos combustibles.
En el Cuadro 5.1. se presentan datos operativos.
Se observó una cierta tendencia a la formación de escoria cuando se funcionaba con desperdicios de coco, madera del árbol del caucho y briquetas de serrín de coco. Es muy posible que esto se debiera a que se introdujo una cantidad relativamente grande de arena en el gasificador junto con el combustible. Una rotación uniforme de la parrilla evitó una caída excesiva de presión en el reactor y el depósito de combustible y se pudo mantener el flujo en el depósito en los niveles deseados.
A finales de noviembre de 1982 se trasladó la instalación a las Industrias Giriulla donde está funcionando desde entonces alimentada con cáscara de coco.
En el Cuadro 5.1. se resumen también los datos operativos correspondientes a este período. El sistema está produciendo energía para seis motores de secado con una carga hasta de 30 kVA.
El sistema puede seguir un cambio escalonado de carga de 20 kVA.
El líquido condensado recogido se presenta como un liquido claro, lo que indica que en el gas pobre sólo hay trazas de componentes de alquitrán.
La eficiencia global del sistema estuvo entre el 15 y el 20 por ciento, como relación entre la energía eléctrica de salida y la energía de biomasa aportada.
La eficiencia del sistema depende naturalmente de las características del combustible, de las características de la carga y de las condiciones ambientales. La máxima eficiencia se obtuvo al funcionar con briquetas de serrín de fibra de coco. La tendencia de este combustible a la formación de escorias hay que comprobarla más con un funcionamiento más prolongado a fin de decidir si es necesaria una rotación automática y continua de la parrilla.
En las Fábricas de Giriulla el sistema funcionó de modo continuo durante unas 1 000 horas.
Según se observa en el Cuadro 5.1. es evidente que, como promedio, la instalación estuvo funcionando al 50 por ciento de su plena capacidad. Partiendo de datos más detallados, puede llegarse a la conclusión de que son frecuentes períodos de funcionamiento con cargas aproximadas del 33 por ciento de su capacidad total.
El 19 de enero de 1983 el motor se paró y desde entonces no fue posible hacer funcionar el motor de arranque. Se sustituyó el motor y a continuación arrancó fácilmente la máquina.
No está claro si este problema se debió a una rueda dentada defectuosa de la máquina (que puede haber sido defectuosa desde el principio) o si el problema tiene que ver con el uso de gas pobre, que suele exigir un uso más prolongado del motor de arranque de la máquina.
El gasificador funcionó normalmente durante enero y febrero de 1983. Sin embargo, en varias ocasiones la temperatura de salida del gasificador subió por encima de los 475°C, fenómeno que no estuvo acompañado de mayores caídas de presión en el gasificador ni en la sección del filtro. La rotación de la parrilla de cenizas no se tradujo en una reducción de la temperatura de salida. En estas ocasiones se paró el motor durante una a dos horas.
Más tarde (como se ve después) fue posible atribuir el defecto a una fuga de aire hacia el gasificador.
El 4 de febrero, se observó que la frecuencia de la recarga con cáscaras había aumentado desde los 15 minutos normales a 5 ó 10 minutos. Teniendo en cuenta que el clima había sido excepcionalmente cálido y seco desde finales de enero, se mojaron las cáscaras antes de cargar el gasificador. A partir de entonces, la frecuencia de la recarga volvió a ser los 15 min originales.
El 11 de febrero, el motor comenzó a tener fallos de encendido (velocidad equivalente a 47-50 Hz). Cuando se sustituyeron las bujías de encendido por otras nuevas, desaparecieron los fallos de encendido del motor.
El 21 de febrero, la temperatura de la salida del gasificador se elevó a 500°C. Se observó que estaba saliendo alquitrán por la puerta de seguridad del gasificador. Como se sospechó que se estaba succionando aire a través de esta compuerta de seguridad, ocasionando con ello la subida de la temperatura, se cerró firmemente la puerta. Esto redujo la temperatura de salida del gasificador al valor normal de 430°C.
Se programó sustituir la puerta de seguridad accionada con resorte, por un disco de seguridad metálico, al igual que en el filtro de precipitación de polvo.
El 25 de febrero, se observó que el interior de la puerta de inspección (en la zona del hogar del gasificador) se había deteriorado. En consecuencia, se sospechó que había una fuga de aire por esta puerta. Se realizó una reparación con placas de acero suave porque existía el peligro de que se agrietase el revestimiento refractario y se cayese. Se limpió el cierre de seguridad de la puerta de la escotilla de inspección. La inspección realizada una semana después, demostró que las placas de acero suave estaban resistiendo.
El 1 de marzo, se observó que el revestimiento refractario se estaba desprendiendo a trozos en los extremos superior e inferior. Esto podía haber sido ocasionado por los frecuentes ciclos de enfriamiento y calentamiento. No se adoptaron medidas y la situación pareció estabilizarse.
La inspección del cenicero el 23 de marzo demostró la existencia de escoria semisólida, como si la ceniza se hubiera quemado en el cenicero. En consecuencia, debía haber estado entrando aire en el espacio de cenizas del gasificador, ya fuera por la salida de las cenizas o por el cierre de la parrilla. Se sospechó que se trataba del cierre de la parrilla porque no se pudo ajustar. El mecánico de las industrias Giriulla acopló un manguito adicional, después de lo cual no hubo nuevos problemas.
En febrero la temperatura media de entrada en el motor se elevó a 50°C, en comparación con los 42°C de enero. Esto se debió probablemente a la elevada temperatura ambiental en febrero (el 11 de febrero hubo 37°C a la sombra y 39°C dentro del cobertizo del gasificador).
En mayo de 1983 el motor comenzó de nuevo a hacer falsas explosiones. No tuvo efecto el cambio de las bujías de encendido. Después de desmontar el motor, se encontró que los pistones estaban cubiertos por una capa de 1 mm de carbono. Se observó también que la tubuladura de admisión del motor estaba cubierta con una capa semisólida de 2 mm de grueso, de alquitrán o de barro de polvo y agua. Las válvulas del motor parecían estar limpias. Los fallos de encendido del motor se atribuyeron a un encendido prematuro ocasionado por la acumulación de carbono en los cilindros.
No está claro si la producción de alquitrán es resultado de las cargas más bien bajas con que el motor funciona de vez en cuando o procede de una instalación incorrecta del filtro de tela de fibra de vidrio.
Los primeros meses de funcionamiento pusieron de manifiesto los siguientes defectos de diseño y proyecto:
1. La accesibilidad del separador de choque es mala y se necesita un aspirador para extraer el polvo.2. El mantenimiento del filtro de precipitación de polvos es difícil. La extracción de la tapa superior requiere la extracción de un reborde y la tapa es demasiado pesada, por lo que se requieren tres personas o un dispositivo mecánico para levantarla.
3. El sacudidor de la parrilla no funciona convenientemente. Un sistema de palanca que pudiera accionarse mientras se está en pie sería una importante mejora.
4. Los líquidos condensados procedentes de los tubos de refrigeración, se recogen en la tubería junto a la entrada del motor. Fue necesario adosar a este tubo un tanque adicional de desagüe.
5. El revestimiento refractario se desprende, probablemente como resultado del ciclo frecuente de calentamiento y enfriamiento. Esto podría evitarse apoyando la base del revestimiento con un reborde metálico.
6. El aire caliente de la refrigeración del radiador procedente del motor, se dirige en parte hacia el refrigerador del gasificador. Esto disminuye la eficacia del refrigerador de gas.
7. La tolba del combustible es demasiado pequeña para las cáscaras de coco. Es un inconveniente tener que rellenar el depósito de combustible cada 15 minutos.
8. La potencia máxima desarrollada por el motor es demasiado reducida. Aunque el sistema está diseñado para producir 40 kVA, sólo es posible obtener únicamente 35 kVA. Esto se debe probablemente al sistema poco ortodoxo de control de velocidad del motor, que controla simultáneamente la entrada de gas y aire al motor, en vez de utilizar el sistema normal en que solo se controla una válvula para la mezcla de gas y aire.
También, partiendo de unos principios generales, puede ser que la mezcla aire/gas en el carburador sencillo gas/aire del motor no sea completa, y como resultado de ello, algunos cilindros pueden recibir una mezcla demasiado rica y otros demasiado pobre.
Los costes generales de producción de energía del sistema se pueden evaluar en base a los siguiente supuestos:
|
Coste del sistema |
32 000 US$ (90 000 Hfl) |
|
Vida útil del sistema |
6 años |
|
Tasa de interés |
10% |
|
Costes de mantenimiento |
10 por ciento anual de la inversión inicial1 |
|
Costes adicionales de mano de obra |
hombre-año |
|
Costes de la cáscara de coco |
6,00 US$/t |
|
Funcionamiento |
4 000 h/año |
Estos supuestos llevan a la siguiente descomposición de costes anuales:
|
Cargas anuales de capital 2 |
7 350 US$ |
|
Mantenimiento |
3 200 |
|
Mano de obra adicional |
700 |
|
Lubricantes |
1 600 |
|
Combustible (140 toneladas de cáscara de coco) |
840 |
|
Coste anual |
13 690 US$ |
|
Energía producida (4 000 h x 20 kW) |
80 000 kWh |
|
Coste unitario |
0,171 US$/kWh |
1 Supuesto.2 Las cargas anuales de capital se calculan utilizando la relación:
en la que:
C = costes de capital
i = tasa de interés anual
t = vida útil del sistema
Estos costes se comparan favorablemente con un sistema de generación diesel cuyos costes, en circunstancias semejantes, serian alrededor de 0,26 US$/kWh.
Del detenido análisis anterior puede observarse que se encontraron una serie de dificultades operativas. Estos problemas son fáciles de resolver y han sido solucionados en las instalaciones de segunda generación.
Un problema importante podría derivarse de la formación lenta de carbono en los cilindros del motor, como consecuencia de pequeñas existencias de alquitrán o polvo en el gas. Queda aún por comprobar si esto se debe a unas cargas demasiado bajas del motor o a un filtro defectuoso de tela de fibra de vidrio.
La economía del sistema de gasificación de Sri Lanka se compara favorablemente con los sistemas de generación eléctrica diesel de la misma dimensión.
