Curso steam pro-master.pdf

Curso Steam Pro / Steam Master

ndice 1 Introduccin

2 STEAM PRO

3 STEAM MASTER

4 E-LINK

5 RESUMEN

Anexos

Distribucin

Fecha 17.5.2012

Pgina 1 (21)

CURSO STEAM PRO / STEAM MASTER

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1 INTRODUCCIN

STEAM PRO / STEAM MASTER es un software que permite disear (PRO) y

simular la operacin (MASTER) de plantas de generacin elctrica con turbina de

vapor. En este documento se trabaja con la versin 22 de este software.

La filosofa de este software es presentar de partida una planta viable a partir de unos

parmetros bsicos, y paso a paso se van aadiendo ms parmetros que van

definiendo la planta que queremos disear.

Con los parmetros iniciales, el software STEAM PRO ya disea un ciclo agua vapor

con todos sus elementos que es viable. No hay que comprobar la coherencia del

consumo de combustible con la generacin de vapor, o las condiciones del vapor y

condensado en el condensador con las condiciones del agua de refrigeracin. El

software calcula estos balances para todo el ciclo agua vapor siguiendo unos

parmetros preestablecidos (y que se pueden ajustar). El software solo necesita que se

fijen las condiciones de alto nivel (presin de vapor requerida, potencia del generador

de la turbina, etc.).

Una vez que se ha diseado la planta, se puede realizar la simulacin del

comportamiento de la planta en otras condiciones. Por ejemplo, como se comporta la

planta con las distintas temperaturas ambientes que hay a lo largo del ao, o como se

comporta si se saca ms o menos vapor de una extraccin de la turbina que se lleva a

un proceso. Esta herramienta es muy til para prever el comportamiento real de la planta en operacin durante un periodo de tiempo y calcular, por ejemplo, el consumo

de combustible y la generacin elctrica para ver la viabilidad.


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2 STEAM PRO

2.1 Primeros pasos

La pantalla inicial del STEAM PRO es la siguiente:

En esta pantalla se fijan los parmetros bsicos de la planta que queremos disear.

Esta pantalla se corresponde al botn Nueva Sesin. Una vez que se fijan los parmetros bsicos y se empieza a disear la planta, no se puede cambiar los

parmetros bsicos ya que perderamos los ajustes que hubiramos hecho en el diseo.

Como se puede ver, estos parmetros son muy generales:

1. Nuevo diseo. Se elige la que mejor se ajuste a nuestra planta a disear. Se dispone de una opcin Black box por si ninguna opcin se adapta a nuestra planta

2. Archivo. Permite cargar los ltimos diseos.

3. Modo. Con la opcin ST PRO & PEACE podemos tener estimaciones econmicas de la planta. Al finalizar el diseo tcnico hay un apartado para

poner los parmetros del PEACE para calcular el coste de la planta (pas en el

que se instala la planta, moneda, etc.)

4. Numero de unidades. Nmero de turbinas

5. Potencia aproximada por unidad. Potencia de cada generador de cada turbina.

6. Frecuencia generador. 50 Hz para Europa, 60 Hz para Amrica.


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7. Balance coste/eficiencia. Si se disea por eficiencia, el software elige los equipos para maximizar la eficiencia del ciclo. Por ejemplo, el condensador

trabajar a ms vaco que si se decide disear a bajo coste. En la tabla

siguiente se muestra las distintas configuraciones que hace el STEAM PRO en

funcin de si se elige disea para alta eficiencia o a bajo coste:

STEAM PRO. DEFAULT CONFIGURATIONS DEPENDING ON THE POWER RANGE

Eff Power Type of Feedwater Pcond Main RH Config. Circulation Type

MW cycle System mbar Steam Steam ST Boiler FWFP

600 2RH - C 9S 8D 7D 6D 5D 4C 3D 2D 1P 48 280-580

80-600 25-600

HPT-PIPT- 2IPT-4LPT

OT ST

Cost Power Type of Feedwater Pcond Main RH Config. Circulation Type

MW cycle System mbar Steam Steam ST Boiler FWFP


5

120-200 RH - C 5D 4D 3C 2D 1P 69 100-510

25-510 HPT-IPT-LPT

NC EM

200-300 RH - C 6D 5D 4C 3D 2D 1P 69 140-540

35-540 HPT-IPT-LPT

NC EM

300-400 RH - C 7D 6D 5D 4C 3D 2D 1P 69 175-540

40-540 HPT-IPT-LPT

FC ST

400-600 RH - C 8D 7D 6D 5D 4C 3D 2D 1P 69 240-540

60-540 HPT-IPT-2LPT

OT ST

>600 2RH - C 8D 7D 6D 5D 4C 3D 2D 1P 69 240-540

70-560 25-560

HPT-PIPT- 2IPT-2LPT

OT ST

8. Steam turbine configuration. Permite elegir entre una configuracin de turbina a contrapresin o a condensacin. Y entre condensacin, permite elegir de cero

a dos recalentamientos (que haya una sola turbina; o bien dos turbinas, una de

alta y una de baja; o bien que haya tres, una de alta, otra de media y otra de

baja).

9. Enviroment. Permite incorporar en los clculos un sistema de captura de CO2. Esto afectar al diseo de la caldera, a la produccin del vapor, as como en el

coste de la planta y en el consumo de auxiliares.

10. Methodology. Permite elegir entre que el STEAM PRO haga los balances siguiendo unos parmetros generales (primera opcin) o siguiendo unos

parmetros ms ajustados a los equipos de la planta que se est diseando

(tercera opcin).

Una vez que hemos marcado todos los parmetros, podemos empezar a disear la

planta pulsando el botn Criterios de planta en la parte superior izquierda.

2.2 Men

Una vez que hemos dado el paso anterior, en el lateral izquierdo aparece un men

vertical por el que nos podemos mover saltando de un botn a otro.


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Para poder trabajar con las unidades que ms nos interese, podemos ir al men

superior Opciones -> Seleccin de unidades.

En este momento, todas las variables tienen asignado un valor por defecto, y si damos

al botn verde Calcular, el STEAM PRO nos presentar un diseo de la planta viable y coherente.

A continuacin vamos a ver las opciones que podemos ir variando en cada botn del

men lateral.

2.3 Criterios de planta

Aparece la siguiente pantalla:

Vemos que hay varias pestaas (sitio, opciones de clculo, premisas prdida caera,

etc.). Las sombreadas en verde tienen relacin con el PEACE, es decir, en esas

pestaas se introducen datos relativos a coste econmico de la planta. Las otras

pestaas son de tipo tcnico. A no ser que nuestro diseo de la planta nos indique lo

contrario, muchas de las pestaas no hay que modificarlas. Por ejemplo, en premisas prdida caera estn los coeficientes habituales para calcular prdidas de carga. Si queremos disear con unas tuberas muy rugosas podemos aumentar este coeficiente,

pero lo normal es dejarlo con los valores originales.

Como suele ocurrir en todos los mens, la primera pestaa muestra los datos de

entrada ms importantes.

Aqu se puede indicar los datos ambientales de la planta, el tipo de combustible que

vamos a utilizar. El programa tiene una biblioteca con muchos combustibles, pero si el

de nuestra planta no est incluido, podemos introducirlo e incorporarlo en la

biblioteca.

En la parte derecha, se pueden introducir los datos relativos a la temperatura del agua

de reposicin del ciclo de vapor y el sistema de enfriamiento. Como es habitual, los

valores que aparecen por defecto son los ms tpicos. Por ejemplo, lo normal es que la

temperatura normal del agua de reposicin sea 15C, pero si tenemos datos reales de


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la planta, podemos ir introducindolos para que nuestro diseo se ajuste lo mximo a

la realidad. Algo que vara mucho de una planta a otra es la temperatura del agua de

enfriamiento del sitio porque puede venir del mar, de un ro o de un depsito de agua

que se llena desde un pozo, as como la diferencia de temperatura del agua de

enfriamiento con la que podemos verterla (esto es una condicin que viene recogida

en los permisos medioambientales).

El punto donde se agrega el agua de aporte tambin se puede escoger en esta pantalla.

Puede ocurrir que queramos agregar el agua en un precalentador que todava no

aparece en nuestro diseo y, por tanto, no aparece en el desplegable. Entonces

deberamos dejar esto pendiente, definir los precalentadores en su pantalla

correspondiente y volver a este punto para marcar el punto de aporte que deseemos.

Por ltimo, podemos elegir el tipo de sistema de enfriamiento. En la parte inferior

derecha aparece el diagrama de cada una de las opciones del sistema de enfriamiento

que vayamos marcando, as que sobran las explicaciones. Tambin se puede indicar si

hay calefaccin de distrito. Parte del calor se enva al exterior de la planta para usarlo

como calefaccin y el agua retorna ms fra.

2.4 Sistema de enfriamiento

En funcin del sistema de enfriamiento que se haya elegido en la pantalla de

Criterios de planta, la pantalla del sistema de enfriamiento ser diferente. Pero, bsicamente, la filosofa de todas es la misma, pedir datos adicionales para definir en

detalle el sistema de enfriamiento.

La pantalla, si hemos elegido un sistema Water cooling with mechanical draft cooling tower, es la siguiente:

El primer paso es determinar como se va a disear el condensador. Podemos dejarlo

en Automatic y olvidarnos. El software lo ajustar para que sea lo ms eficiente o lo ms barato en funcin de lo que hayamos marcado previamente. Podemos determinar

la presin de vaco a la que debe trabajar el condensador eligiendo user defined pressure only y dejar el resto de variables en automtico para que el software lo


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ajuste. Se suele optar por esta opcin cuando ya disponemos de informacin sobre la

turbina a emplear o simular ya que suelen indicar la presin de vaco para la que la

turbina est diseada.

Por ltimo, podemos elegir All parameter user defined. Esta opcin se usa, por ejemplo, cuando tenemos todos los datos de una planta (ya existente o con el diseo

ya realizado) y queremos comparar el rendimiento terico de la planta con el real.

En esta pantalla podemos indicar las caractersticas del aire. Son los valores con los

que queremos disear la torre. Normalmente se dispone de un registro de la

temperatura y humedad del aire hora a hora (o diario). Se elige la temperatura de

bulbo hmedo ms desfavorable que cubra el mayor porcentaje de los registros

anuales. Es decir, puede haber una ubicacin que la temperatura de bulbo hmedo sea

baja 11 meses del ao, pero el mes restante sea muy alta. Si se elige como temperatura

de bulbo hmedo la peor del ao, nuestro diseo ser muy caro porque la torre de

refrigeracin ser muy grande. Pero si elegimos la temperatura de bulbo hmedo ms

alta de los 11 meses buenos, tendremos una torre que funcionar perfectamente 11 meses al ao, y no enfriar al 100% el mes restante. Pero puede ser una opcin vlida

si tenemos un ahorro considerable ya que el sistema de enfriamiento ser ms

econmico.

Aqu se muestra una de las ventajas de este software. Ya que se pueden mantener el

resto de las variables del diseo fijas y jugar con las del sistema de enfriamiento, calcular el diseo con una torre ms grande o ms pequea, y, gracias al PEACE,

saber lo que cuesta una opcin u otra. Respecto al PEACE, puede que el coste no sea

muy fiable, pero lo que suele ser bastante fiable el la relacin entre el coste de una

opcin y otra.

En el resto de pestaas podemos ir aadiendo variables de diseo del condensador y la

torre, si disponemos de ellas. Para clculos preliminares, podemos dejar el diseo de

estos equipos en automtico.

2.5 Steam cycle

En esta pantalla podemos definir con ms detalle la configuracin de la turbina y

niveles de presin de vapor. En principio, muestra la configuracin que el programa

calcula automticamente para disear de la manera ms eficiente o ms econmica.

Para el diseo de una planta nueva no asociada a ninguna otra planta o proceso, puede

ser aceptable usar los valores que el software calcula automticamente. Pero si, por

ejemplo, vamos a disear una cogeneracin, las condiciones de vapor para alimentar

las turbinas de vapor vendrn establecidas por las condiciones del vapor que se utiliza

en la planta existente.

Respecto a las distintas opciones que va dando el programa, en tipo de turbina de

vapor el tema de las velocidades se deja el valor que aparece por defecto a no ser que

tengamos una turbina en el mercado ya seleccionada. El 99.999% de las plantas son

subcriticas.

En Especificacin se elige el criterio para dimensionar el ciclo. Por ejemplo, una termosolar se disea para dar 50MW brutos porque es el lmite definido en la

reglamentacin, a una cogeneracin puede que le sea ms interesante acercarse lo


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mximo posible a 25MW netos tambin por razones de reglamento, o que quiera

garantizar un caudal de produccin de vapor suficiente para alimentar la turbina y el

proceso productivo de la planta.

En Other, se puede ajustar de nuevo la frecuencia del generador (algunas variables aparecen en distintas pantallas) y elegir como se va a accionar la bomba de agua

alimentacin. Lo ms habitual es hacerlo con un motor elctrico pero existe la opcin

de hacerlo con una mini-turbina acoplada a la bomba.

2.6 ST-FWH

En esta pantalla podemos definir con ms detalle la configuracin del ciclo agua

vapor. En principio, muestra la configuracin que el programa calcula

automticamente para disear de la manera ms eficiente y ms econmica (ver punto

2.1)


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Esto puede ser til es una fase inicial o preliminar del diseo. Pero a medida que se

avanza en el proyecto se pueden tener ofertas de las turbinas y puede que haya que

cambiar la presin de los puertos de las extracciones por razones de viabilidad tcnica

o econmica, o incluso que se eliminen algunas extracciones.

Si se elige un diseo buscando la mayor eficiencia de la planta, tendremos mayor

nmero de precalentadores. A mayor nmero, mayor coste. Puede ser que queramos

tener alta eficiencia para el diseo del condensador, torre de refrigeracin, pero luego

se queramos eliminar algn precalentador para disminuir el coste de la planta.

Por eso, podemos pasar de Automatic a Automatic - # of FWH user defined o User defined la configuracin del tren de calentamiento del agua de alimentacin a caldera.

2.7 ST Entradas

La pantalla que se muestra es la siguiente:

Aqu se pueden ajustar los parmetros de diseo de la turbina. El parmetro del que

podemos tener ms informacin a la hora de disear es el relativo al Grupo turbina de vapor (1) Control de entrada Puerto #0. Normalmente es un control nozzle que permite un ajuste fino de la presin de entrada de vapor en la turbina, pero hay veces

que las plantas funcionan en sliding pressure. El poner uno u otro a la hora de disear

no tiene ninguna repercusin. Pero a la hora de simular la operacin con el STEAM

MASTER si.

En el resto de pestaas tenemos ms parmetros de los que no tendremos ninguna

informacin aunque dispongamos de documentacin del turbinero, as que mejor

dejarlo con los valores por defecto.

2.8 FWH Inputs

En esta pantalla se puede ajustar variables siempre que en la pantalla anterior ST-

FWH est marcada la opcin de user define.


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La pantalla que se muestra es la siguiente:

Con las distintas opciones podemos jugar con el precalentamiento del agua de

alimentacin definiendo distintas caractersticas a los precalentadores (diferencia

temperatura terminal y diferencia temperatura acercamiento enfriador de drenajes),

marcando una temperatura objetivo a la salida de cada precalentador o bien

admitiendo ms o menos prdidas de calor en las tuberas de las extracciones.

2.9 Process/DH

En esta pantalla se disean todas las salidas y entradas tanto de vapor como de agua.

Estas entradas/salidas pueden ser porque el ciclo forme parte de una cogeneracin, as

como haya un Distric heating asociado al ciclo.

Como se puede ver en la pantalla superior, cada extraccin de vapor se puede definir

de manera que haya unas condiciones determinadas en la entrega de vapor al proceso,

as como definir que porcentaje hay de retorno de condensados as como su


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temperatura. El software ajustar el balance de aguas aumentando el make-up del ciclo

agua vapor.

Hay distintas pestaas para definir las salidas de vapor, las entradas de vapor, las

entradas y salidas de agua, el district heating, etc., pero la filosofa de todas ellas es

idntica.

2.10 Bombas

Aqu las bombas pueden ser accionadas por motores elctricos o por vapor. En esta

pantalla se pueden ajustar los valores de ambas opciones: tipo de bombas, nmero,

redundancia, etc


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2.11 Caldera Trmica y Caldera Dimensin

En esta pantalla se disea la caldera. Si se quiere hace un diseo definido por el

usuario, se recomienda ajustar todos los parmetros anteriores y hacer un clculo del

ciclo con el diseo de la caldera en automtico y posteriormente ajustar los parmetros

de diseo que se consideren apropiados.

Si estamos haciendo el diseo partiendo de una hiptesis de tener una turbina que de

tanta potencia o que el sistema sea capaz de suministrar cierto caudal de vapor, lo

mejor es dejar que el software disee la caldera de manera automtica. Podemos

introducir los parmetros bsicos: configuracin y circulacin.

Si tenemos que hacer un diseo a partir de una oferta de una caldera, ya podremos

introducir los parmetros de diseo correspondientes de la caldera y comprobar si

podemos conseguir la potencia requerida en la turbina o la produccin de vapor

deseada.

2.12 Calcular

En cualquier momento, podemos pulsar el botn de calcular y obtener un diseo de

ciclo agua-vapor coherente. El STEAM PRO genera salidas de texto, donde vemos los

datos de la planta y de los equipos que la componen. Tambin genera salidas grficas

donde vemos representados estos datos de manera ms visual e intuitiva.

Adems, pulsando con el ratn en cada equipo, se abre una ventana con la

informacin relativa a ese equipo.

2.13 Corridas mltiples

Pulsando sobre el botn de Corridas Mltiples se abre una ventana como la siguiente:


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Esta herramienta es de gran utilidad ya que permite jugar de manera automtica con el diseo para obtener un resultado. Por ejemplo, queremos ver el efecto que tiene

variar la potencia de la turbina que tiene que tener nuestro diseo. Seleccionamos la

variable Desired gross power y pulsamos al botn Edit Inputs:

Le damos distintos valores de potencia para que STEAM PRO disee la planta y

pulsamos a Compute para ver los resultados. Es importante recordar que esta herramienta sigue siendo de diseo, no de simulacin de operacin. Es decir, estamos

pidiendo al programa que disee 5 casos nuevos en los que el 100% de la potencia de

la turbina sea 320MW, 300MW, 280MW, 260Mw y 375MW. No confundirlo con ver

lo que pasa si nuestro diseo original de 350 MW lo ponemos a funcionar para que de

esas otras potencias.

Gracias a esta herramienta, podemos hacer ajustes para optimizar la relacin

generacin elctrica y consumo de combustible. O bien, optimizar la relacin coste

inversin y potencia elctrica turbina.


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Una vea que tengamos nuestro diseo definido y ajustado en la medida en la que

dispongamos de informacin, se puede empezar a simular el comportamiento de la

planta en los distintos puntos de operacin y bajo diferentes condiciones. Pulsando en

el ltimo botn Fuera de punto de diseo del men vertical, se abre el programa STEAM MASTER con nuestro diseo realizado en el STEAM PRO.

3 STEAM MASTER

El STEAM MASTER se abre mostrando la pantalla principal:

Aunque a priori parezca muy diferente del STEAM PRO, bsicamente muestra las

mismas pantallas. Para diferenciar mejor cuando se est trabajando con uno u otro, el

STEAM MASTER tiene el mismo men lateral del STEAM PRO en posicin

horizontal superior. Segn vamos pulsando botones y pestaas, descubrimos las

mismas pantallas que estaban en el STEAM PRO.

La informacin que se muestra en estas pantallas es la que corresponde a la planta que

hemos diseado en sus condiciones de diseo. Podemos cambiar cualquier parmetro

y ver como operara la planta bajo esas condiciones.

Por ejemplo, en el diseo de arriba hay una salida de vapor a proceso. Haciendo doble

click en el rectngulo sombreado de amarillo nos aparecen las condiciones del vapor a

proceso:


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Y podemos simular el comportamiento del ciclo cuando se enva ms o menos vapor a

proceso. Cambiando un valor y pulsando a Calcular obtenemos una pantalla con todas

las salidas, tanto en formato texto, grfico, PEACE y corridas mltiples:

De nuevo, podemos ver la utilidad de las corridas mltiples ya que permiten hacer un

anlisis detallado de la operacin de la planta de manera cmoda y automtica.

Pulsando en Corridas mltiples obtenemos esta pantalla:

Hemos buscado en el rbol de la izquierda el caudal de vapor a proceso y a

continuacin pulsamos el botn de Edit Inputs para simular el comportamiento de la planta que hemos diseado en funcin de la mayor o menor demanda de vapor de

proceso:


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Pulsando a Compute y yendo a la pantalla de la turbina podemos ver como afecta el

caudal de vapor a proceso en la generacin elctrica:

Se pueden seleccionar varias entradas y analizar la respuesta de la planta ante

mltiples variables, pero utilizar la herramienta de Corridas Mltiples es un poco farragoso.

Afortunadamente hay una ltima herramienta que es el E-LINK que permite

incorporar la utilidad de Corridas Mltiples a una hoja Excel.


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4 E-LINK

Thermoflow E-link permite hacer los estudios de simular varios diseos o simular

varios puntos de operacin desde el Excel.

Una vez instalado el complemento de Excel, se puede abrir el desplegable como se ve

en la pantalla:

Y podemos cargar tanto un archivo STEAM PRO para estudiar diferentes diseos,

como un archivo STEAM MASTER para analizar el comportamiento de un diseo en

distintos modos de operacin.

En el ejemplo vamos a usar el archivo STEAM MASTER de la cogeneracin de

TorrasPapel.

Pulsando en el men desplegable Thermoflow-ELINK (97-2003) ->Add Cases introducimos el numero de casos que queremos analizar:

Y pulsando sobre el men Thermoflow-ELINK (97-2003) ->Add /Remove input variables podemos aadir las variables:

Y de la misma manera, en el men Thermoflow-ELINK (97-2003) ->Add /Remove output variables seleccionamos las salidas que queremos analizar:


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Pulsando OK tendremos una hoja Excel como la siguiente, en la que ya hemos

introducido los datos que nos interesa en las variables de entrada:

Una vez hecho esto, vamos al men Thermoflow-ELINK (97-2003) ->Compute Cases

Y obtendremos los datos de las variables de salida en la propia hoja de Excel.

Podremos hacer tantos casos como queramos y modificando las variables de entrada a

nuestro antojo. Si se introduce un dato en una variable muy exagerado, por ejemplo,


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extraer vapor de la turbina muy por encima de su valor de diseo, el programa se

ejecuta y entrega unos datos de salida, pero en la fila 6 de la hoja Excel Computation Message no aparece un OK, sino que aparece Messages para indicar que hay algo fuera de lo normal.

Si tenemos un registro de condiciones ambientales a lo largo de un periodo de tiempo,

podemos calcular de manera muy aproximada a la realidad y muy cmoda la previsin

de generacin para ese periodo de tiempo. Por ejemplo, para el proyecto de Torras se

hizo lo siguiente:


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5 RESUMEN

En el siguiente grfico podemos ver un resumen del proceso de diseo y simulacin:

Diseo de la planta

STEAM MASTER

PEACE Inputs

Evaluar y revisar el diseo de la

planta mediante simulacin para

comprobar que se cumple el

suministro de potencia o vapor a

proceso en el rango de condiciones

ambientales y en el rango de

condiciones de operacin del

proceso.

Requiere ejecutar muchos casos.

Performance condiciones operacin

STEAM

PRO

Performance planta en el punto de diseo

Diseo final planta

Revisar

E

PEACE Inputs m

COSTE

COSTE OPERACIN

Detalle coste y planos

Tipo de planta Condiciones ambientales

Condiciones del vapor Caudales o potencias deseadas Suministro de vapor a proceso

Hiptesis

Revisar E

I

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