12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECÁNICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015

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1 12º ONGRESO IBEROAMERIANO DE INGENIERÍA MEÁNIA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015 ANÁLISIS EXERGO-AMBIENTAL DE UNA TURBINA DE GAS AERODERIVADA MEDIANTE INDIADORES EXERGÉTIOS Y AMBIENTALES Aguilar Adaya I.*, Lugo Leyte R.º, Torres González E. V.º, Aguilar Valdivia R.º, Lugo Méndez H. D.º *Área de Ingeniería en Recursos Energéticos, Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa, Av. San Rafael Atlixco No. 186, ol. Vicentina, 09340, Iztapalapa, D.F., México. * ignacio.aguilar.adaya@gmail.com, lugoleyteraul@gmail.com RESUMEN En este trabajo se hace un análisis exergo-ambiental de una turbina de gas aeroderivada de doble flecha LM2500+, mediante indicadores exergéticos y ambientales. La turbina aeroderivada genera una potencia de MW, operando con una relación de presiones de compresión de 23.3, una temperatura a la entrada de la turbina de alta presión de Los indicadores exergéticos se determinan mediante el análisis exergético, el cual permite conocer las irreversibilidades en cada uno de los equipos de la turbina de gas aeroderivada. Entre los principales indicadores exergéticos se encuentra la eficiencia exergética, el factor de destrucción exergética y el potencial de mejoramiento. Asimismo, los indicadores ambientales permiten conocer el impacto hacia el medio ambiente, entre los principales indicadores ambientales se encuentra el potencial de calentamiento global (I GWP), potencial de lluvia ácida (I ARP) y potencial de formación de smog (I SFP). Los principales resultados muestran que las mayores irreversibilidades se producen en la cámara de combustión, siendo del 19.48% de la exergía total de entrada, también se obtuvieron las eficiencias de compresión exergética del 94.5%, de la cámara de combustión del 87.1%, en las turbinas de alta y baja presión del 95% y 94%, respectivamente. Asimismo, la eficiencia exergética de la turbina aeroderivada es de 40.02%. La relación de exergía recuperada representa el 29.4% de la exergía total de entrada, el factor de destrucción exergético representa 27.33% de las irreversibilidades presentes en el sistema comparadas con la exergía total de entrada. El potencial de calentamiento global representa go 2eq / kwh, el potencial de formación de lluvia ácida gso 2eq/kWh y el potencial de formación de smog es de gno xeq/kwh, representando el impacto hacia el medio ambiente. PALABRAS LAVE: Ambientales. Exergo-ambiental, Turbina aeroderivada, Indicadores exergéticos, Indicadores

2 INTRODUIÓN Las turbinas de aviación son máquinas térmicas, que se utilizan en el área de la aeronáutica para generar propulsión, se utilizan por ser compactas, de bajo peso y confiabilidad en su operación; éstas son cualidades que se han aprovechado para utilizarlas como turbinas estacionarias en plataformas petroleras, para accionar a otras turbomáquinas, a este tipo de turbinas se les llama aeroderivadas. Son turbinas de baja y mediana potencia, también se utilizan en el área naval, en la generación de energía y en la cogeneración de energía en el sector industrial. Su capacidad de generación máxima es de 65 MW y ésta depende principalmente de la relación de presiones del compresor, del número de flechas y de la temperatura a la entrada de la turbina de alta presión, (TET TAP) [1-3]. La evolución en los diseños, tecnologías, materiales y la diversificación de aplicaciones de las turbinas de gas ha permitido que este tipo de máquinas térmicas, alcancen relaciones de presiones de compresión de 34 y temperaturas a la entrada de la turbina de alta presión de 1600, que permite alcanzar eficiencias térmicas hasta del 42% [4,5]. Sin embargo, las turbinas de gas aeroderivadas al estar sometida a largas jornadas de operación pierden gradualmente la capacidad de generación de potencia, debido a varios factores, tales como, fatiga térmica, ensuciamiento del compresor axial, ensuciamiento en los filtros de admisión de aire, pérdidas mecánicas no recuperables, etc. omo consecuencia se incrementan las irreversibilidades, el flujo de combustible requerido para generar una potencia dada y la emisión de los gases de escape, por ejemplo, bióxido de carbono, O 2, monóxido de carbono, O, inquemados, H, material particulado y óxidos de nitrógeno, NOx, entre otros. La herramienta principal de todo análisis termodinámico es la primera ley, que puede dar respuestas acerca de la eficiencia térmica del ciclo, pero no muestra las irreversibilidades de cada uno de los componentes. El análisis exergético permite conocer la calidad de la energía y las irreversibilidades en cada uno de los equipos [6-8]. Asimismo, permite identificar los tipos y magnitudes de las pérdidas, así como las eficiencias en el sistema, con la finalidad de establecer el potencial de mejoramiento, cuantificado a partir de la exergía destruida en cada proceso. El análisis exegético ha sido estudiado por diferentes autores. Por ejemplo, Stodola (1927) [10] y Kotas (1985) [7] desarrollaron metodologías exergéticas aplicadas a sistemas térmicos, con la finalidad de detectar en forma cuantitativa las pérdidas de exergía en procesos termodinámicos. Asimismo, Dincer (2007) [6] y Ahmadi & Dincer (2011) [9] han analizado turbinas de gas considerando parámetros exergéticos y económicos, además, han implementado indicadores exergéticos para evaluar las turbinas de gas, tal es el caso de la eficiencia exergética, la relación de exergía recuperada, el factor de destrucción exergética y el potencial de mejoramiento en los equipos. on estas herramientas, se pueden explorar nuevas alternativas para evaluar el desempeño de los equipos de la turbina de gas, así como las irreversibilidades y las emisiones de los gases de escape en cada uno de los equipos, para realizar un diagnóstico preciso de la turbina de gas. Por consiguiente, en este trabajo se presenta la metodología para el análisis energético y exergético para evaluar las irreversibilidades, las eficiencias exergéticas, indicadores exergéticos y ambientales, así como las emisiones de gases de escape de una turbina de gas aeroderivada LM2500, que genera una potencia de MW, operando con una relación de presiones del compresor de 23.3 y una temperatura a la entrada de la turbina de alta presión de 1,300. METODOLOGÍA Análisis Energético En la Figura 1 se muestra el diagrama esquemático de la turbina de gas aeroderivada de doble flecha, ésta constituida por dos unidades, la generadora de gases, compuesta por la turbina de alta presión que suministra la potencia requerida al compresor para obtener la alta relación de presiones; y la unidad de potencia o turbina libre, que genera la potencia útil. Se considera aire estándar a la entrada del compresor, además se consideran las caídas de presión a la entrada del compresor, en la cámara de combustión y a la salida de la turbina de baja presión. Es importante considerar en la metodología el cálculo de la TET TBP y la relación de presiones de la turbina de alta presión, π TAP, debido a que son datos que no se obtienen en los cuartos de control [11].

3 Figura 1.-Diagrama esquemático de una turbina de gas aeroderivada. El trabajo por unidad de masa para el proceso de compresión real está dado por c T Pa 1 x w 1 SI (1) En donde P2 P 1 La turbina de alta presión genera la potencia requerida por el compresor, entonces, la potencia de esta turbina debe ser igual a la potencia suministrada al compresor; se consideran las pérdidas ocasionadas en la transmisión de trabajo de la turbina al compresor y se evalúan con la eficiencia mecánica del 98%. w w (2) m TAP onociendo T 4 y P 4, se puede encontrar la relación de presiones de la turbina de baja presión, π TBP, y se obtiene la ecuación del trabajo por unidad de masa generado por la unidad de potencia libre en función de estos parámetros, 1 wtbp cp 4 1 g STBPT (3) x TBP La eficiencia térmica es la relación entre el trabajo motor y el calor suministrado. En la turbina de doble flecha el trabajo motor es el trabajo que genera la turbina de baja presión o turbina libre. 1 STBPT4 1 x TBP TH (4) 1 x T1 y 1 1 SI ombustión En la cámara de combustión de la turbina de gas, se considera que las caídas de presión, ΔP aproximadamente del 3%. El combustible se inyecta dentro de la cámara de combustión a alta presión a través de la boquilla de vaporización; En un proceso de combustión real el exceso de aire es húmedo, mediante la ec. 5 es posible conocer las emisiones presentes, así como la temperatura de los gases a la salida de la cámara de combustión, representa mediante la siguiente expresión k i i1 x H N X 0.21 O N X H O i n m AH, AS 2 2 H2O 2 7 A 5 6 O2 B xh2onah, 26 H2O 0.79NAH, xas N N x D 2 O O H NO AH, as n m 7 x (5)

4 Los valores de 5, 6, 7 se obtienen a partir de las correlaciones de Rizk y Mongia (1993) para el cálculo de NOx, O y H. Asimismo, A, B y D se obtienen de los balances. Se determina el número de moles de exceso de aire húmedo, N AH, N AH, h T h T h A h T A h T A h T A h T A h T A h T A h T A h T f 1 O2 3 2 H2O 3 3 N O 3 6 H4 3 7 NO 3 8 NO 3 Finalmente, el exceso de aire se obtiene a partir de NAH, 3 NAH, 2 N AH, y N AH,est, mediante la siguiente expresión. (6) N N AH, AH,estq 1 100% (7) Análisis Exergético En la Tabla 1 se resumen las ecuaciones para evaluar las irreversibilidades, eficiencias exergéticas, los trabajos y el calor suministrado en los equipos. Tabla 1. Trabajo, calor suministrado, irreversibilidades y eficiencia exergética de los equipos. Equipos Energía Irreversibilidad c T pa 1 x ompresor w 1 ámara de x qsum cp gt1 1 1 combustión y Turbina de alta presión Turbina de baja presión w SI 1 SI i w 1 2 i cc 2 3 w itap 3 4 w TAP m w c T 1 TBP P g STBP 4 x TBP 1 i TBP 4 5 w f TAP TBP Eficiencia Exergética cc TAP TBP 2 1 w 3 2 wtap f 3 4 wtbp El análisis exergético se puede usar como herramienta para evaluar los niveles de sustentabilidad de un sistema energético. Los indicadores exergéticos y los indicadores ambientales para evaluar el impacto ambiental de una TGAD son: Eficiencia exergética, factor de destrucción exergética, relación de exergía recuperada, así como indicadores ambientales se tiene, I GWP, I SFP, I ARP. El objetivo principal de una TGAD es generar el trabajo útil que se requiere, pero durante la operación de la TGAD parte de la exergía se destruye en cada componente, por esta razón se requiere el uso de indicadores para evaluar el desempeño de la TGAD. La eficiencia exergética se define como la relación de la exergía útil total de salida sobre la exergía total de entrada. Por otro lado, la relación de exergía recuperable indica el potencial exergético que es posible ser recuperado en el sistema de los gases de escape de la turbina. El factor de destrucción exergético es un parámetro que indica el decremento del efecto positivo del sistema, es una relación de las irreversibilidades presentes en el sistema y la exergía total de entrada (Tabla 2). Tabla 2.- Indicadores exergéticos 4 5 Eficiencia exergética Relación de exergía recuperable Factor de destrucción exergético E X,útil 0.9 E X,sal E X,irrev ex,t r E ex,rec f E d,ex E X,ent El índice de calentamiento global para todo el proceso es la suma de las emisiones ponderadas GWP para cada producto, se expresa en términos de kgo2eq por cada kwh de la siguiente forma X,ent X,ent

5 m 1 rca y GWP IIGW 3.6x10 W a i i 6 i kg 2 O eq kwh (8) Por otro lado, es importante conocer la cantidad de kg SO2eq generado por cada kwh producido por la turbina de gas aeroderivada LM2500+, el índice de formación de lluvia ácida se expresa de la siguiente forma m 1 rca y ARP IIAR 3.6x10 W a i i 6 i kg 2 SO eq kwh (9) Finalmente, el potencial de formación de smog mide la capacidad de un compuesto químico orgánico volátil de contribuir a la formación de smog, se expresa de la siguiente forma m a 1 rca yi SFP i kg 6 i NOxeq IISF 3.6x10 W (10) kwh RESULTADOS Y DISUSIÓN La Figura 2 muestra la cantidad de exceso de aire requerido de aire seco y de aire húmedo, en un ambiente cuya una humedad relativa es de 60%, para diferentes valores de la temperatura a la salida de la cámara de combustión también muestra que, se requiere mayor exceso de aire cuando se emplea aire seco. Operando con aire húmedo a una temperatura de 1300 (Punto A) se requiere un exceso de aire del % y para aire seco se requiere %. Por otro lado, se encuentra un incremento de las emisiones del 0.294%, 14.09%, 0.33%, 0.265% y para O 2, H 20, O, H, NO y NO 2, respectivamente, al utilizar el aire húmedo. La Figura 3 muestra las irreversibilidades en cada uno de equipos que integran la turbina de gas aeroderivada. Las mayores irreversibilidades se tienen en la cámara de combustión, estas son del 19.48% de la exergía total de entrada; en el compresor representan el 2.88%, en la turbina de alta presión 2.70% y en la turbina de baja presión 2.12%, Para las mismas condiciones de operación se obtiene la eficiencia de compresión exergética del 94.5%, de la cámara de combustión del 87.1%, en las turbinas de alta y baja presión del 95% y 94%, respectivamente. Asimismo, la eficiencia exergética total de la turbina aeroderivada es de 40.06%. Figura 2.- antidad de exceso de aire en función de la temperatura a la salida de la cámara de combustión. Figura 3.- Irreversibilidades en los equipos que integran la turbina de gas aeroderivada La Figura 4a muestra el potencial de mejoramiento para cada uno de los equipos que integran la TGAD a una TET TAP de 1300 y una π =23.3, Asimismo, el potencial de mejoramiento total a estas condiciones es de kw, al incrementar la relación de presiones de 23.3 a 38 para encontrar la eficiencia exergética máxima

6 el potencial de mejoramiento total disminuye en 18.38% debido a que disminuye el flujo de combustible suministrado, así como las irreversibilidades presentes en la cámara de combustión. Por otro lado, la Figura 4b muestra que la relación de exergía recuperada es y el factor de destrucción exergética de a las condicione de TET TAP de 1300 y una π =23.3. Al incrementar la relación de presiones de 23.3 a 38 para encontrar la máxima eficiencia exergética, la relación de exergía recuperada disminuye 8.97% y el factor de destrucción exergética se incrementa hasta , como consecuencia de la disminución de la exergía total de entrada. a) b) Figura 4.- Indicadores exergéticos La Figura 5 muestra el potencial de calentamiento global (GWP) en función del trabajo motor, operando la turbina con una relación de presiones de 23.3 y una TETTAP de 1300 (punto A), el potencial de calentamiento global es de go2eq / kwh y el trabajo motor de kj/kg; al incrementar la relación de presiones a 38 (punto ) para obtener la máxima eficiencia exergética, el potencial de calentamiento global disminuye 6.60%, y el trabajo motor disminuye 9.54%. Figura 5.- I GWP en función del trabajo motor La Figura 6 muestra el potencial de formación de lluvia ácida (ARP) en función del trabajo motor al variar la relación de presiones del compresor y la temperatura de entrada a la turbina de alta presión. Al operar la turbina de gas aeroderivada a las condiciones del punto (A), el potencial de formación de lluvia ácida es de gso2eq / kwh y el trabajo motor de kj/kg; al incrementar la relación de presiones a 38 (punto ) para obtener la máxima eficiencia exergética, el potencial de formación de lluvia ácida disminuye a gso 2eq / kwh. Al disminuir la temperatura de 1300 a 1200 para la misma relación de presiones, el potencial de formación de lluvia ácida se incrementan hasta gso 2eq / kwh.

7 La Figura 7 muestra el potencial de formación de smog (SFP) en función del trabajo motor, operando la turbina con una relación de presiones de 23.3 y una TET TAP de 1300 (punto A), el potencial de formación de smog es de gnoxeq / kwh y el trabajo motor de kj/kg; al incrementar la relación de presiones a 38 (punto ) para obtener la máxima eficiencia exergética, el potencial de formación de smog disminuye 8.022%, y el trabajo motor disminuye 9.54%. Al disminuir la temperatura de 1300 a 1200 para la misma relación de presiones (π=23.3) el potencial de formación de smog se incrementan hasta gno xeq / kwh. Figura 6.-I ARP en función del trabajo motor ONLUSIONES Figura 7.-I SFP en función del trabajo motor on el análisis realizadó a la turbina de gas aeroderivada se encuentran las irreversibilidades presentes en cada uno de los equipos, la cámara de combustión es el equipo con mayores pérdidas, las cuales representan el % de la exergía total de entrada. Además, los indicadores ambientales de calentamiento global, formación de

8 smog y formación de lluvia ácida aumentan: cuando la temperatura a la entrada de la turbina disminuye y por la disminución de la relación de presiones. A las condiciones de diseño, se tiene una relación de presiones en el compresor de 23.3, una temperatura a la entrada de la turbina de alta presión de 1300 y se entrega una potencia de 33,104 kw, bajo esta configuración, el potencial de mejoramiento total en los equipos es de k; además, la relación de exergía recuperada indica que; el 29.4% de la exergía total de salida de los gases de escape hacía el medio ambiente se puede recuperar de la exergía total de entrada. Asimismo, el factor de destrucción exergético representa el 27.33% de las irreversibilidades presentes en el sistema, comparadas con la exergía total de entrada. Finalmente, la evaluación del impacto ambiental se realizó con los indicadores ambientales, a las condiciones de operación de la turbina de gas, el potencial de calentamiento global representa go 2eq / kwh, la principal emisión que influye es el O 2 generado en el proceso de combustión. El potencial de formación de lluvia ácida representa gso 2eq / kwh y el principal contaminante que influye es el NO generado, el potencial de formación de smog es de gno xeq/kwh, los NOx son principalmente los contaminantes que contribuyen a la formación del smog. REFERENIAS 1.- Onder, T., & Hakan, A. Exergetic and exergo-economic analyses of an aero-derivative gas turbine engine. Energy(74), , Hakan, A. Exergetic sustainability analysis of LM6000 gas turbine power plant with steam cycle. Energy (57), , Saravanamuttoo, H., Rogers,., & ohen, H. Gas Turbine Theory. Wesley Longman, Rizk, N., & Mongia, H. Semianalytical orrelations for NOx, O, and UH Emissions. J. Eng. Gas Turbines Power, , Lugo Leyte, R., Zamora Mata, J., Toledo Velázquez, M., Salazar Pereyra, M., & Torres Aldaco, A. Methodology to determine the appropriate amount of excess air for the operation of a gas turbine in a wet environment. Energy, 35, , Kotas, T. The exergy method of thermal plant analysis. Butterworths, Dincer, I. Exergy (energy, environmental and sustainable development). Elsevier, Khaliq, A. Exergy analysis of gas turbine trigeneration system for combined production of power heat and refrigeration. 32, , Ahmadi, P., & Dincer, I. Thermodynamic and exergoenvironmental analyses, and multi-objective optimization of a gas turbine power plant. Applied Thermal Engineering, Stodola, A. Steam and gas turbines : with a supplement on the prospects of the thermal prime mover. McGraw-Hill, Lugo-Leyte, R.; Salazar-Pereyra, M.; Méndez, H.D.L.; Aguilar-Adaya, I.; Ambriz-García, J.J.; Vargas, J.G.V. Parametric Analysis of a Two-Shaft Aeroderivate Gas Turbine of MW. Entropy, 17, NOMENLATURA cp calor específico a presión constante; [kj/kgk], h entalpía molar; [kj/kmol], i irreversibilidad por unidad de masa; [kj/kg], rca relación combustible-aire; [-], m flujo másico; [kg/s], x fracción molar; [-], y fracción másica; [-], P presión; [bar o Pa], q calor por unidad de masa; [kj/kg], s entropía por unidad de masa; [kj/kg K], T temperatura; [ o K], w trabajo por unidad de masa; [kj/kg], I indicador ambiental; [gemisión / kwh] X relación entre la constante particular del gas y calor específico a presión constante; [-], Y relación entre la temperatura a la entrada de la turbina de alta presión y a la entrada del compresor; [-]. Letras griegas exergía por unidad de masa; [kj/kg], eficiencia; [-], relación de presiones; [-], ψ humedad relativa; [%], λ exceso de aire; [%], Subíndices a aire, compresión, cc cámara de combustión, g gases de escape, AH aire humedo as aire seco SI compresión isoentrópico, SUM suministrado, TAP turbina de alta presión; [-], TBP turbina de baja presión; [-], GWP potencial de calentamiento global, ARP potencial de formación de lluvia ácida, SFP potencial de formación de smog, TH térmica.