XXXII Encuentro Nacional y 1 er Congreso Internacional AMIDIQ 3 al 6 de Mayo de 2011, Riviera Maya, Quintana Roo

Transcripción

1 .. XXXII nuentro Naional y 1 er Congreso Internaional VALUACIÓN XRGOCONÓMICA DL SISTMA D NFRIAMINTO D UNA PLANTA TRMOLÉCTRICA CONVNCIONAL XRGOCONOMIC VALUATION FOR A COOLING SYSTM IN A THRMAL POWR PLANT Torres González.V. 1*, Salazar Pereyra M. 1, Lugo Leyte R. 2, Ruiz Ramírez O. A. 2, Torres Aldao A. 2 1 Tenológio de studios Superiores de atepe. División de Ingeniería Meatrónia e Industrial. Av. Tenológio. sq. Av. Hank González. Col. Valle de Anáhua, 55210, atepe, stado de Méxio, Méxio. *etorres@tese.edu.mx 2 Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa. Departamento de Ingeniería de Proesos e Hidráulia. Av. San Rafael Atlixo No. 186, Col. Vientina, 09340, Iztapalapa, Méxio, D.F. Resumen n este trabajo se realiza un análisis exergoeonómio al sistema de enfriamiento de una planta termoelétria onvenional. Por medio de la omparaión exergoeonómia de las ondiiones de diseño y un estado de prueba de rendimiento tipo ASM PTC 6 al 100 % de arga, se detetaron los equipos que están afetando el funionamiento del sistema de enfriamiento. Se determina la exergía, el osto exergétio y el osto exergoeonómio de las prinipales orrientes de masa, alor y trabajo de la planta de estudio. Además para efeto del análisis, se obtuvo el osto de operaión, tanto exergétio omo exergoeonómio, que es un parámetro que define el osto que un equipo del sistema requiere para su funionamiento. l sistema de enfriamiento presenta una disfunión en su operaión, prinipalmente en la torre de enfriamiento y en el ondensador on una perdida en su osto de operaión de kw (on $/hr) y kw ( $/hr) respetivamente, mientras en sus bombas de agua de irulaión se tiene una mejora en operaión que representa un ahorro en su osto de operaión de kw ( $/hr). Abstrat In this work an exergoeonomi analysis of the ooling system of a thermal power plant is presented. The objetive of this analysis is to detet anomalies in the ooling system, by means of the exergoeonomi omparison of the operation onditions (at 100% of load) with respet to the design onditions. As a first part an exergy analysis of the main streams in the ooling system is obtained, by using data of the thermal balane design and a Performane Test at 100% of load (ASM PTC 6). The seond part onsists of determining the exergeti osts of the same urrents, through the Theory of the xergeti Cost. In addition, by means of the exergeti ost of operation it is possible to identify the auses and to alulate the magnitude of the required expenses of releasing to the heat of the yle power of steam to the atmosphere. Calulation results showed that the ooling system has a malfuntion in its operation, mainly in the tower and the ondenser beause they have an inrease in their osts of operation of kw ( $/hr) and kw ( $/hr) respetively, while in its ooling water pumps presents a saving in their osts of operation of kw ( $/hr). INTRODUCCIÓN Uno de los sistemas requeridos para el funionamiento de una planta termoelétria onvenional, es el sistema de enfriamiento o sistema de agua de irulaión. ste sistema proporiona el agua para el enfriamiento y ondensaión del vapor del ilo de vapor prinipal. l sistema de enfriamiento se enuentra onformado por un ondensador, una torre de enfriamiento y de bombas de agua de irulaión. s importante detetar las pérdidas energétias y las inefiienias en este sistema, debido a que éstas provoan que el vapor no se logre expandir en Aademia Mexiana de Investigaión y Doenia en Ingeniería Químia

2 la turbina de vapor a una presión adeuada, provoando que la planta requiera de más ombustible para lograr la potenia demandada por el setor elétrio. La exergoeonomía, término propuesto por G. Tsatsaronis [1993], ombina el análisis exergétio on oneptos fundamentales de la ingeniería eonómia, y uno de sus objetivos es diagnostiar los diseños y la operaión de sistemas energétios. Por lo tanto, en el presente trabajo se realiza un análisis exergoeonómio on el fin de diagnostiar el funionamiento de un sistema de enfriamiento húmedo de una planta termoelétria onvenional, lo ual se deteta por la omparaión de los parámetros exergoeonómios de sus ondiiones de operaión atuales, respeto a los de diseño. Sin embargo, el análisis exergoeonómio en estos sistemas ha sido apliado a través del ilo de vapor prinipal pero en sus propios omponentes no tiene un preedente. MTODOLOGÍA Desripión y termodinámia del sistema de enfriamiento n la Figura 1 se muestra el sistema de enfriamiento de una planta termoelétria onvenional, en donde el fluido de trabajo es agua negra tratada. n este sistema, la mezla de vapor-líquido que sale de la turbina de vapor fluye sobre la parte exterior de los tubos del ondensador, ondensándose y transfiriendo alor al agua de enfriamiento a través de los tubos, es deir, ediendo el alor latente de la mezla a alor sensible del agua de enfriamiento. Posteriormente, el agua de enfriamiento se envía a la parte superior de la torre y entones fluye de arriba haia abajo a través de sus empaques, donde se fraiona el agua en pequeñas gotas para aumentar la superfiie de ontato entre el agua y el aire, logrando una mejor transferenia de alor, los requerimientos de aire son ubiertos por los ventiladores de la torre. l agua después de pasar por la torre se oleta a una pileta, y de ahí se bombea al ondensador para errar el iruito de enfriamiento. Figura 1. Diagrama esquemátio del sistema de enfriamiento. La torre de enfriamiento fue diseñada, de auerdo a las neesidades de la planta termoelétria, para enfriar de C a C por medio del tiro induido de sus 6 ventiladores on que uenta y on una apaidad de flujo de m 3 de agua por segundo. La potenia total empleada por los ventiladores en diseño es kw. Alrededor del 75% del enfriamiento de la torre de enfriamiento es provoado por evaporaión y el restante por onduión. Debido a esto se va inrementando la antidad de sólidos en el agua del iruito, por lo que es neesario purgarla ontinuamente. xisten también pérdidas de agua por arrastre de gotas de agua por el aire de Aademia Mexiana de Investigaión y Doenia en Ingeniería Químia

3 enfriamiento que abandona la torre, representando el 60% de las pérdidas de agua de irulaión. Por lo anterior, se debe reponer ontinuamente agua en el sistema de enfriamiento [LAPM, 2010]. l sistema de enfriamiento uenta on 2 bombas de agua de irulaión entrífugas y vertiales de flujo mixto (radial-axial) on un 50% de apaidad ada una y un flujo de m 3 /h de agua negra tratada en irulaión, a una presión de desarga de bar. La potenia total de diseño on que operan las bombas es kw. La funión de las bombas de agua de irulaión es suionar el agua de la pileta de la torre de enfriamiento (áramo de suión) para enviarla a las ajas del ondensador prinipal a través de las líneas de onduión (desarga de las bombas), para desargarla en las ajas del ondensador a la presión requerida de bar y vener las pérdidas por friión a través del sistema, así omo la altura estátia de la torre de enfriamiento, distribuyendo el agua en todo el equipo auxiliar omo son: enfriadores de aeite de lubriaión de la turbina; enfriadores de aeite y humaeras de los ventiladores de tiro forzado, enfriadores de aeite de lubriaión de las bombas de agua de alimentaión, enfriamiento a las humaeras de los ventiladores reiruladores de gases, enfriamiento del rak de muestreos químios, enfriadores de aeite de la unidad de sellos, et. Se uenta on un ondensador de superfiie de 2 ajas on 2 pasos de agua de enfriamiento en ada una, las uales están onetadas on las bombas de agua de irulaión. La veloidad del agua de enfriamiento en el ondensador es de 2.14 m/seg, su temperatura se inrementa en un DT = C on una presión a la salida del ondensador de bar on una aída de presión de bar. Condiiones de diseño Las ondiiones de diseño al 100 % de arga se desriben en la Tabla 1. Para las ondiiones ambientales se tiene una presión atmosféria bar, una temperatura de bulbo seo de C, una temperatura de bulbo húmedo de C y una humedad relativa de % [LAPM, 2010]. Tabla 1. stados termodinámios, potenias y ostos al 100% de arga en diseño. No. se1 se2 se3 se4 se5 se6 se7 se a 53b 55 Q T ( C) p (bar) h (kj/kg) s (kj/kgk) m (kg/s) k* (--) * ($/kj) ($/h) Aademia Mexiana de Investigaión y Doenia en Ingeniería Químia

4 -l alor rehazado al ambiente por la torre de enfriamiento se obtiene, Q (1) e hado al ambiente por el sistema de enfriamiento es hse 2 hse 6 s s se2 se6 (2) - bas de agua de irulaión (A y B) W (3) d P potenia suministrada a bombas (on efiienia meánia de 85 %) es (4) - tiladores de la torre de enfriamiento P 2 Pot kw Vent - bas de irulaión de esferas (sistema de limpieza del ondensador) P 3 Pot kw a - a dosifiaión de químios (H 2 SO 4 y Cloro) P 3 Pot kw b BC BDQ e las bombas de irulaión de esferas y dosifiaión de químios es (6) - ondensador (7) d ión para el diseño es T 14 = C y el alor desehado al ondensador es Q 2010]. L ma de enfriamiento se muestra en la Figura 2 y en la Tabla 2 se muestran los b exergoeonómios en el sistema de enfriamiento [Zaleta y ol., 2006] on los q os y los ostos exergoeonómios que se resumen en la Tabla 1. L C CO ( F P) F os y exergoeonómios son respetivamente: (8) (9) Con estas expresiones se obtienen los parámetros exergoeonómios que se resumen en la Tabla 3 para el sistema de enfriamiento en diseño al 100% de arga Aademia Mexiana de Investigaión y Doenia en Ingeniería Químia

5 Figura 2. strutura produtiva del sistema de enfriamiento. Tabla 2. Balanes de ostos de los equipos, bifuraiones y orrientes de entrada. quipos Costos exergétios Costos exergoeonómios Agua de repuesto 3 Condensador (Cond) 53 a se 2 e2 se3 Torre de enfriamiento (T) se6 55 y se5 Agua de alimentaión 6 Residuo del ilo de vapor 76.88$/ h Potenia suministrada a ventiladores de T 39.31$/ h Bombas de agua de irulaión (BAC) 6 se7 Potenia suministrada a BAC 01.39$/ h Bifuraión a enfriamiento de auxiliares y al ondensador (#S4). Bifuraión de potenias a las bombas de limpieza del ondensador y a las bombas de dosifiaión de químios en T (#S5). Potenia total suministrada al sistema de enfriamiento kw 53 8 se1 0 e1 e8 a 3a 3b se8 53b 53b.5983$/ h Aademia Mexiana de Investigaión y Doenia en Ingeniería Químia

6 Tabla 3. Parámetros exergoeonómios en diseño al 100% de arga. CO F ($/GJ) CO ($/h) C L arga se desriben en la Tabla 4 [ os. La Tabla 5 muestra los p R L enfriamiento. Las pérdidas de e W, más que por los efluentes, stema ( kw). l equipo parte, las bombas de agua de o una irreversibilidad alta on I riamiento on %, a al al 100% de arga. No. T ( C) p (bar) h (kj/kg) s (kj/kgk) (kg/s) k (--) * ($/kj) ($/h) se se se se se se se se a b Q Aademia Mexiana de Investigaión y Doenia en Ingeniería Químia

7 Tabla 5. Parámetros exergoeonómios en operaión atual al 100% de arga. quipos F P I (%) k F * (--) CO F ($/GJ) CO ($/h) Condensador Torre de enfriamiento BAC #S #S Las orrientes on los ostos exergétios más altos son: el alor desehado por el ondensador, kW, el agua de irulaión aliente, kW, y el alor enviado al ambiente kW. l primero es debido a las irreversibilidades aumuladas en el ilo de vapor, el segundo a irreversibilidades del ondensador, y el terero por las irreversibilidades aumuladas del sistema de enfriamiento. Los ostos exergétios unitarios de las orrientes a la salida de las bombas de agua de irulaión son las mayores, k * * * se1 kse7 kse , esta situaión es normal ya que a la orriente se le ha extraído el residuo, lo que provoa que la orriente disminuya su ontenido de exergía y aumente su osto exergétio. Las orrientes on los ostos exergoeonómios más altos son: el alor desehado por el ondensador (p Q = $/hr), el agua de irulaión aliente (p se2 = $/hr) y el residuo (p 55 = $/hr), omo suedía on los ostos exergétios. Los ostos exergoeonomios unitarios mayores se loalizan en las orrientes a la salida de las bombas de agua de irulaión ( se1 = se7 = se8 = $/GJ). se Figura 6. Diagrama de exergías del sistema de enfriamiento Aademia Mexiana de Investigaión y Doenia en Ingeniería Químia

8 Los ostos de operaión exergoeonómio más altos se enuentran en el ondensador (CO = $/hr) y en las bombas de agua de irulaión (CO = $/hr). Para evaluar el omportamiento de los equipos se omparan los ostos de operaión en sus ondiiones de operaión atual on las de diseño, así omo los ambios en los ostos de operaión exergoeonómio. La omparaión se desribe en la Tabla 6. l signo negativo, en esta Tabla, signifia que los ostos de operaión aumentan (disfunión), el signo positivo en la disminuión de los ostos (mejor funionamiento) y el ero en que no hay ambio. Los equipos que aumentaron su osto de operaión on respeto a diseño son la torre de enfriamiento (on DCO = kw) y el ondensador (on DCO = kw), por lo tanto son los equipos que provoan la disfunión del sistema de enfriamiento. ste heho se interpreta omo una perdida en el osto exergoeonómio: en la torre de enfriamiento on DCO = $/hr y en el ondensador on DCO = $/hr. l equipo que disminuye su osto de operaión on relaión a diseño fueron las bombas de agua de irulaión (DCO = kw) que tienen entones una mejora en operaión. l osto de operaión exergoeonómio de este ahorro DCO = $/hr. QUIPO Tabla 6: Comparaión del osto de operaión en el sistema de enfriamiento. Diseño Operaión Comparaión Diseño Operaión Comparaión CO ( kw ) CO ( kw ) CO ( kw ) CO ( $/hr ) CO ( $/hr ) CO ( $/hr ) Cond T BAC #S #S TOTAL CONCLUSIONS l sistema de enfriamiento presenta perdidas por disfuniones, traduiéndose en una perdida en su osto de operaión por DCO = kw y DCO = $/hr. Las pérdidas se loalizan en la torre de enfriamiento, on una perdida en su osto de operaión de DCO = kw y DCO = $/hr, y en el ondensador, on un perdida en su osto de operaión de DCO = kw y DCO = $/hr. Las únias gananias por una mejor operaión en el sistema se deben a las bombas de agua de irulaión, indiando una disminuión en su valor de osto de operaión de DCO = kw on DCO = $/hr. RFRNCIAS 1. Laboratorio de Pruebas de quipos y Materiales LAPM (2010). Balane Térmio del sistema de enfriamiento al 100 % de arga de la unidad 3 en la Central Termoelétria del Valle de Méxio. CF. 2. Tsatsaronis, G. (1993). Thermoeonomi Analysis and Optimization of nergy Systems. Prog. nergy Combust. Si. (19) Zaleta, A., Correas, L., Kubiak, J. and Sierra, F. Z. (2006). Conept on thermoeonomi evaluation of steam turbines. Applied Thermal ngineering. (27) Índie Aademia Mexiana de Investigaión y Doenia en Ingeniería Químia