Optimización operativa de una central térmica a gas mediante análisis exergético estructurado. Salome Gonzáles Chávez Ricardo Quiroz Bazán

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1 Optimización operativa de una central térmica a gas mediante análisis exergético estructurado Salome Gonzáles Chávez Ricardo Quiroz Bazán

2 OPTIMIZACIÓN OPERATIVA DE UNA CENTRAL TÉRMICA A GAS MEDIANTE ANÁLISIS EXERGÉTICO ESTRUCTURADO Primera edición Enero, 2012 Lima - Perú Salome Gonzáles Chávez & Ricardo Quiroz Bazán PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0443 Editor: Víctor López Guzmán facebook.com/guzlopster twitter.com/guzlopster Lima - Perú

3 PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, ebook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. El per sonal docente jugará un rol de tutor, facilitador y conductor de proyectos

4 de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica Víctor López Guzmán Editor

5 OPTIMIZACIÓN OPERATIVA DE UNA CENTRAL TÉRMICA A GAS MEDIANTE ANÁLISIS EXERGÉTICO ESTRUCTURADO Salome Gonzáles Chávez 1, Ricardo Quiroz Bazán 2 RESUMEN En el presente trabajo se realiza un análisis exergético estructurado de una Central Termoeléctrica a Gas, que puede conducir a su optimización tanto de su situación operativa actual en Ciclo Simple, como la proyección adecuada de su futura capacidad operativa en Ciclo Combinado. Actualmente dicha central consta de tres turbinas a gas de ciclo simple con capacidad de 540 MW, alimentadas con gas natural. Su ampliación hacia una planta de Ciclo Combinado se encuentra en proceso de construcción con lo que se logrará adicionar 280 MW. La importancia de este trabajo radica, por un lado, en el desarrollo de un programa informatizado de cálculo exergético donde se contabiliza de forma integrada la cantidad y calidad de la energía en cada uno de los procesos térmicos de la central, y por otro, marca una herramienta metodológica para la optimización del funcionamiento de cualquier central termoeléctrica. El balance energético convencional acarrea debilidades en la búsqueda del mejor aprovechamiento de la energía térmica primaria para transformarlo eficientemente en potencia eléctrica. La metodología consiste en realizar la cuantificación exergética (combinación lineal de la primera y segunda ley de la termodinámica) de forma integrada de todos los procesos termodinámicos, conformando así una matriz de transferencia de masa, energía y exergía que llevan a una mejor visualización de la degradación de la energía. Para el proceso de cálculo se construye un programa en Excel, con importación vinculada de propiedades termodinámicas, y la elaboración de diagramas de flujo. Los logros alcanzados son el modelamiento y simulación de la operación de la central termoeléctrica a distintas condiciones, variando parámetros operativos que afectan la potencia eléctrica y el rendimiento térmico. En el análisis de resultados se compara los balances energéticos comunes con los balances exergéticos, se identifican la ubicación y magnitud de los principales sumideros de exergía, se comparan las eficiencias exergéticas del modelo de diseño con las de operación y se discuten los factores que contribuyen a la ineficiencia del sistema. También se analizan los efectos en la mejora del rediseño, operación eficiente y confiable de la central térmica de ciclo simple proyectado a su arreglo como ciclo combinado; es decir, se toma como referencia los parámetros reales actuales de funcionamiento en ciclo simple, que pueden servir para el redimensionado óptimo futuro de la caldera de recuperación. 1 Dr. Ing. Investigador, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Ingeniería. 2 Ing. Investigador, Facultad de Ingeniería Mecánica-UNI, ENERSUR

6 INTRODUCCION Las características de origen de la generación eléctrica mediante centrales térmicas a gas de ciclo simple, es el bajo rendimiento y altos consumos de combustible, no obstante su utilización se hace necesaria sobre todo en la generación de potencia eléctrica interconectada. Por ello, el desarrollo tecnológico actual de las centrales turbogas apunta fundamentalmente a buscar arreglos tales que disminuyan las pérdidas en sus procesos termodinámicos. Uno de los más evolucionados arreglos es el aprovechamiento de las altas temperaturas de los gases de escape y las altas relaciones aire combustible, mediante calderas recuperadoras de calor conformando el ciclo combinado. Sin embargo, sea un ciclo simple o un ciclo combinado, quedan aún posibilidades de optimización de los procesos tanto en condición de diseño como en operación. En este sentido, el análisis exergético constituye una poderosa herramienta para la evaluación ex -ante del mejor arreglo, en centrales de ciclo simple y de ciclo cambiando. El uso optimizado y sostenido de la energía significa generarlo y utilizarlo con alto rendimiento, bajos costos, alta calidad y mínima incidencia ecológica. Así, en el ámbito del consumo, el objetivo es conseguir una energía accesible, disponible y aceptable. La accesibilidad está ligada los precios, la disponibilidad a la calidad de la energía en el corto plazo y seguridad del suministro en el largo plazo, mientras que la aceptabilidad está ligada a la preservación medioambiental y sensibilidad pública [Ref.1]. Una de las alternativas del Desarrollo Sostenible es el Uso Eficiente de los Recursos al menor costo posible, en este sentido el Análisis Exergético representa una oportunidad para el ahorro de energía, en cuanto utiliza a la exergía para calcular la calidad de la energía y así identificar en que componentes ocurre la destrucción de la exergía.[ref. 2] El desarrollo de mejores técnicas para el diseño y operación eficiente de sistemas termoenergéticos, es uno de los mayores objetivos en la ingeniería de la energía, pues la inexorable desaparición de los combustibles fósiles y el aumento de la demanda energética en el mundo, ha incrementado la importancia de conocer a profundidad cómo se degrada la energía en cada proceso, a fin de mejorar los diseños y reducir el impacto ambiental.[ref. 3] PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La preocupación creciente por el ahorro de energía, la eficiencia, la confiabilidad y la reducción de la contaminación ambiental, ha generado que las nuevas tendencias tecnológicas termoenergéticas, apunten hacia el desarrollo de mejores productos. Esto, sólo es posible si desde la concepción de dichos productos se toman decisiones orientadas a la disminución simultánea de pérdidas energéticas y daños sobre el medio ambiente. Sin embargo, para aquellos sistemas térmicos que ya se

7 encuentran en funcionamiento, la alternativa es utilizar metodologías analíticas de diagnostico integrado de la cantidad y calidad de degradación de la energía, para luego identificar y realizar modificaciones tales que permitan las mejoras técnicas, económicas y medioambientales. PROPUESTA DE SOLUCIÓN El análisis exergético es una metodología para el análisis y diseño de procesos industriales teniendo en cuenta el ahorro de energía. [Ref. 2] La segunda ley de la termodinámica combinada con la Economía representa una herramienta muy potente para el estudio sistemático y optimización de sistemas de energía. 3 [Ref. 3] FUNDAMENTOS En general el balance de energía tradicional no proporciona información acerca de las pérdidas internas, debido a que el balance de energía trata todas las formas de energía como equivalentes, sin diferenciar entre los diversos grados de calidad de la energía; por ejemplo en un balance de energía para un sistema adiabático como una válvula de admisión, un intercambiador de calor o una cámara de combustión, se considera que estos procesos están libres de pérdidas [Ref. 5]. Los métodos tradicionales de análisis de sistemas de conversión de energía, se basan en la Primera Ley de la Termodinámica y en la eficiencia térmica como la variable que evalúa el funcionamiento termodinámico de un sistema. La eficiencia térmica es un factor que proporciona información valiosa acerca del límite superior de obtención de energía. Sin embargo, existe información que no puede obtenerse por medio de un análisis basado en la Primera Ley de la Termodinámica exclusivamente [Ref. 5] Un análisis exergético proporciona una medida cuantitativa de la calidad de las diferentes formas de energía. El concepto de calidad de la energía térmica se basa en la temperatura a la cual ésta se encuentra disponible, cuanto mayor sea esta temperatura, mayor es la eficiencia para convertir la energía térmica a trabajo. El análisis exergético es de gran valor en el estudio de sistemas de transformación de energía, ya que permite determinar la localización, el tipo y la verdadera magnitud de las pérdidas. La destrucción de exergía, denominada irreversibilidades es la causa del limitado aprovechamiento de los combustibles en las centrales térmicas de generación eléctrica. El método de análisis exergético, es una técnica relativamente nueva basada en el concepto de exergía, definido en términos generales como el potencial de generar trabajo que poseen las diferentes formas de energía en relación con un ambiente determinado. A diferencia de los criterios tradicionales de evaluación, el concepto de exergía se basa simultáneamente en la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica. 3 Esta combinación forma las bases de la Termoeconomía.

8 La importancia de realizar un análisis exergético en centrales termoeléctricas a gas, radica en que facilita la optimización en el diseño de procesos y en la gestión de recursos energéticos. A diferencia del balance "cuantitativo" de entrada y salidas de masas o energía, el análisis exergético considera el aspecto "cualitativo" de la energía y brinda un aprovechamiento más "racional" de una disponibilidad fija, mostrando hasta que limite es posible reducir las pérdidas, y donde es posible efectuar tal reducción. Descripción del sistema y del proceso Para la unidad en estudio, se toma como estructura de referencia de generación termoeléctrica de ciclo simple, tal como el mostrado en la siguiente figura: METODOLOGIA La metodología utilizada para el análisis exergético, se basa en lo siguiente [Ref. 9]: Realizar una descripción del sistema y el proceso. Dividir el sistema en volúmenes de control. Definir el ambiente del sistema. Estado muerto. Realizar las idealizaciones del modelo matemático. Realizar un Balance de energía, materia y exergía. Calcular los flujos de exergía y la destrucción de exergía en cada componente. Definir y calcular las eficiencias exergéticas y destrucción de exergía de cada componente. Elaborar un Diagrama de Grassman del flujo exergético. Identificar la ubicación y magnitud de los principales sumideros de exergía. Figura 1: Esquema de la planta turbogas 1. El aire entra al compresor a presión ambiente. 2. El compresor eleva la presión y disminuye el volumen del aire. 3. El aire pasa dentro de la cámara de combustión donde el combustible se inyecta en él y se quema. La presión permanece relativamente constante a medida que se añade energía calorífica, pero el volumen y la temperatura aumentan. 4. Los gases calientes dejan la cámara de combustión y pasan a través de la turbina donde se le extrae energía y la presión cae a casi el ambiente. Ambiente de referencia del sistema: La exergía es una propiedad inherente al sistema una vez que el ambiente ha sido especificado. El ambiente de referencia para el cálculo de la exergía de un sistema termodinámico estará constituido a la manera de Kestin por la unión de tres grandes reservorios: un reservorio de energía, un reservorio de volumen y un reservorio de masa. En nuestro caso, como

9 no se considera la contribución de la exergía química, por no estar ante sistemas reactivos, tenemos que el estado intensivo para este ambiente de referencia viene dado por: La temperatura ambiente, T o, para el reservorio de energía. La presión atmosférica, p o, para el reservorio de volumen. Los valores de éstas magnitudes y por tanto el ambiente del referencia al sistema, será definido tomando como referencia los valores estándar de temperatura y presión; es decir, p 0 = 101,325 kpa y T 0 = 298 K. Modelo Físico A continuación se presentan las ecuaciones que constituyen el modelo físico de los componentes de la planta turbogas de ciclo simple en estudio. En la cámara de combustión: 1 (1) 1Δ Modelo Termodinámico Para resolver el modelo físico y para calcular las variables de estado, se utiliza un modelo simplificado para determinar las propiedades termodinámicas de los flujos. A continuación se describe el cálculo de las exergías de los distintos flujos de la planta. Las características del Ambiente de referencia y la Sustancia de referencia son: Presión atmosférica P 0 = bar Temperatura ambiente:t 0 = 20 ºC Sustancia de referencia: Aire (Humedad relativa 60%) En la tabla 1 se muestran las fracciones molares de cada componente en el ambiente de referencia. En este ambiente la energía y exergía de cada substancia de referencia tiene valor cero. Tabla 1. Fracciones molares del ambiente de referencia. X aire X gas O N CO H 2 O En el compresor: 1 1 (2), (3) En la turbina: 1 1 (4), (5) Composición química de los flujos (base molar) Combustible: Gas Natural Seco, compuesto mayormente por metano (CH 4 ). Se considera una combustión completa, por tanto la reacción de combustión es: 2 2 (6)

10 Flujos de aire (i = 1, 2). Aire ambiente de referencia Flujos de gases (i = 3, 4). Sus fracciones molares vienen dadas por las expresiones: (7) (8) Siendo f la porción de aire estequiométrico en la combustión: Energía y exergía de los flujos Fuel (T = 20 ºC, P = 1.013) % 4 Energía específica del combustible h fuel = PCS = kj/kg Exergía específica del combustible b fuel = PCS + b CH4 = kj/kg Flujos de aire (i= 0, 2) C p,air = kj/kg K R air = kj/kg K h i =C p,air (T i -T 0 ), (9) Flujos de gas (i = 3, 4, 5) C p,gas = 1.17 kj/kg K R gas = kj/kg K h i =C p,gas (T i -T 0 ), ln (10) CALCULOS A continuación se presentan los cálculos de energía y exergía para la unidad en estudio. Tabla 2. Datos de Diseño. P 2 / P 1 = 16 Relación Compresión masa = 510 kg/s T K K T 3 η compresor 0.89 % η cc 0.98 % η turbina 0.9 % Trabajo de compresión en el compresor (11) Calor absorbido en la cámara de combustión (12) Trabajo de expansión en la turbina = (13) Calor rechazado por los gases de escape (14) El rendimiento termodinámico del ciclo es (15) La exergía del flujo de aire es: Punto de referencia = estado muerto = 0 El contenido exergético del calor absorbido por el aire puede calcularse si el proceso de absorción de calor es cuasiestático y a presión constante. 1 El calor cedido en el proceso 4-1 es y su contenido exergético: 1

11 La irreversibilidad generada por el proceso está relacionada con el concepto de entropía generada, definido por la Ley de Gouy-Stodola: I = T 0 S g Siendo T 0 la temperatura del ambiente de referencia. Ya que el proceso es adiabático, la exergía perdida en la turbina se calcula como: (16) Del mismo modo el proceso en el compresor es adiabático y la exergía perdida en el compresor se calcula: (17) Figura 2. Diagrama Exergía - Entropía Tabla 4. Balance exergético estructurado en Excel ANÁLISIS DE RESULTADOS A continuación se presentan los resultados en el estudio de la unidad de generación termoeléctrica de ciclo simple, elaborado bajo un proceso de cálculo energético y exergético estructurado en programa Excel. Tabla 3. Balance energético El balance exergético, expresado en su rendimiento, permite evaluar el aprovechamiento exergético del sistema, para de esta manera proponer con una mayor visión distintas modificaciones en la central térmica, como por ejemplo la recuperación de flujos de exergía que están siendo desaprovechados simultáneamente con la cantidad de exergía que está siendo utilizada. Para conocer la eficiencia exergética de un sistema es necesario calcular previamente los flujos de exergía

12 útil, exergía recuperable y exergía perdida; con ello se define la ubicación y magnitud de los sumideros de exergía del sistema. En base a estos valores, se toman decisiones más certeras y proponen mejoras integrales en el diseño del sistema, tales que permiten un mejor aprovechamiento de los recursos, y por ende, un mejor rendimiento de la planta. Tablaa 5. Eficiencia Exergética Representación Eficiencia Componente Gráfica Exergética (η) las pérdidas hasta la energía final de salida. Una representación muy útil de los flujos de exergía y pérdidas es el diagrama de Grassman, el cual puedee ser considerado una adaptación del diagrama de Sankey utilizado para transferencia de energía en un sistema. [Ref. 2]. A continuaciónn se presenta el diagrama de Grassman, con los resultados obtenidos para la central termoeléctrica de siclo simple en estudio Compresor Turbina Cámara de Combustión Tablaa 6. Irreversibilidades de la exergía Cámara Combustión kj/kg Compresor Turbina kj/kg kj/kg 19% 11% Irreversibilidades 70% Cámara Combustión Compresor Turbina Figura 3. Irreversibilidadess en la planta turbogas En sistemas complejos, comoo es una central termoeléctrica de ciclo simple y de ciclo combinado, se requiere visualizar el flujo energético desdee su entrada, pasando por Figura 4. Diagrama de Grassman de balance exergético de la planta en estudio

13 CONCLUSIONES 1. El análisis exergético constituye una herramienta fundamental en el diseño y operación de una central turbogas, ya que permite obtener la información necesaria para el diagnostico y la propuesta de mejora termodinámica del sistema. Esta mejora a su vez se traduce en una reducción de costos y de emisiones al ambiente. 2. La metodología planteada para el análisis exergético, hace uso de balances termodinámicos e introduce a la exergía como nueva función de estado del sistema. El aporte académico del presente trabajo, que constituye la elaboración de un programa amigable sobre Ms Excel, resulta completo e ilustrativo, pues además de definir los flujos exergéticos en cada fase del proceso, permite conocer el rendimiento exergético inmediato, variando cualquier parámetro de entrada. 3. La representación gráfica del análisis exergético, como son los diagramas de Grassman, resulta una excelente herramienta para visualizar procesos térmicos a los que se quiere mejorar, ya que muestran las entradas y salidas de exergía, la exergía destruida en cada subproceso y la eficiencia exergética del proceso. 4. En el presente trabajo se llevó a cabo el análisis exergético de la Central Termoeléctrica, con datos de diseño y de operación actual. A partir de dicho análisis, se identificó la ubicación y magnitud de los principales sumideros de exergía y el rendimiento exergético, resultados que facilitan el diagnóstico operativo de la planta, y que a la vez pueden servir para los ajustes adecuados de la futura instalación de la caldera recuperadora y el set turbovapor. 5. De la comparación del análisis energético y exergético de la Central Termoeléctrica a Gas, se observa la importancia de la destrucción de exergía en los procesos de combustión y transmisión de calor, irreversibilidades que tienen lugar en el interior de la Cámara de Combustión, mientras que las pérdidas de exergía en los gases de escape son mucho menos significativas en cuanto a su valor. En contraste, un análisis energético clásico muestra que no existen pérdidas de energía en la combustión y transmisión de calor, y que casi la totalidad de las pérdidas se localiza en los gases de escape. RECOMENDACIONES Debido a que es el análisis exergético el que proporciona la información correcta de cómo a lo largo del proceso va teniendo lugar la pérdida del producto deseado, se recomienda la elaboración de un programa en línea de análisis exergético con tendencias en el tiempo de la evolución de las irreversibilidades, considerando las pérdidas no recuperables por degradación de la turbina a gas. Así, se recomienda realizar los siguientes temas abiertos: Diagnóstico Termoeconómico de la central en ciclo simple y ciclo combinado. Consideraciones del análisis exergético en las tarifas de energía eléctrica.

14 Planeamiento de la expansión de la generación de electricidad utilizando análisis exergético. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Gregorio Gil Energías del Siglo XXI: de las energías fósiles a las alternativas, España, Kotas, T.J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. EUA: Krieger Publishing Company, Bejan, Adrian, Tsatsaronis, George y Moran, Michael. Thermal Design and Optimization. EUA: John Wiley and Sons, Ebadi, M.J. and Gorji-Bandpy, M. (2005) Exergetic analysis of gas turbine plants, Int. J. Exergy, Vol. 2, No. 1, pp.31±3. 5. Gómez J.L., Ribelles, M. Monleón, A. Ribes, Análisis Exergético, Editorial Reverte, Barcelona, entrada de la turbina, T 4 a la salida de la turbina) T Cambio de temperatura ( T c en el compresor, T b en la cámara combustión, T t en la turbina) W & Potencia neta W & W & η η c η t c t Potencia utilizada por el compresor Potencia producida por la turbina a gas Eficiencia Térmica Total Eficiencia del Compresor Eficiencia de la Turbina a gas η m Eficiencia mecánica de la combinación compresor - turbina. ρ Densidad B Exergía b Exergía específica Nomenclatura c P h Calor específico del aire a presión constante Entalpia específica h Cambio de entalpía ( h c en el compresor, h b en la cámara combustión, h t en la turbina) m& Flujo de masa P Presión Absoluta (P 1 en la entrada del compresor, P 2 a la salida del compresor, P 3 a la entrada de la turbina a gas, P 4 a la salida turbina a gas) R Constante Universal de gases T Temperatura absoluta (T 1 en la entrada del compresor, T 2 a la salida del compresor, T 3 a la

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