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Optimización operativa de una central térmica a gas mediante análisis exergético estructurado
Salome Gonzáles Chávez
Ricardo Quiroz Bazán
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
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas 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
OPTIMIZACIÓN OPERATIVA DE UNA CENTRAL TÉRMICA A GAS MEDIANTE ANÁLISIS EXERGÉTICO ESTRUCTURADO
Salome Gonzáles Chávez1, Ricardo Quiroz Bazán2
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. [email protected], [email protected] 2 Ing. Investigador, Facultad de Ingeniería Mecánica-UNI, ENERSUR [email protected], [email protected]
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
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
3Esta combinación forma las bases de la Termoeconomía.
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.
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.
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.
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:
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
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, To, para el
reservorio de energía.
• La presión atmosférica, po, 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, p0= 101,325 kPa y T0= 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) 1 Δ
En el compresor: 1 1 (2)
, (3)
En la turbina: 1 1 (4)
, (5)
(6)
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 P0 = 1.013 bar
• Temperatura ambiente:T0= 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.
Xaire Xgas
O2 0.2059 0.1434
N2 0.7748 0.7528
CO2 0.0003 0.0286
H2O 0.0190 0.0752
Composición química de los flujos (base molar)
Combustible: Gas Natural Seco, compuesto
mayormente por metano (CH4).
Se considera una combustión completa, por
tanto la reacción de combustión es:
2 2
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: 4 28.649 16.043 4 3%
Energía y exergía de los flujos
Fuel (T = 20 ºC, P = 1.013)
Energía específica del combustible
hfuel = PCS = 50 000 kJ/kg
Exergía específica del combustible
bfuel = PCS + b CH4 = 51850 kJ/kg
Flujos de aire (i= 0, 2)
Cp,air = 1.004 kJ/kg K
Rair = 0.287 kJ/kg K
hi=Cp,air(Ti-T0)
, (9)
Flujos de gas (i = 3, 4, 5)
Cp,gas = 1.17 kJ/kg K
Rgas = 0.290 kJ/kg K
hi=Cp,gas(Ti-T0)
,∑ ln (10)
CALCULOS A continuación se presentan los cálculos de
energía y exergía para la unidad en estudio.
Tabla 2. Datos de Diseño.
P2 / P1 = 16 Relación Compresión
masa = 510 kg/s
T1 295 K
T3 1473.15 K
ηcompresor 0.89 %
ηcc 0.98 %
ηturbina 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
La irreversibilidad generada por el proceso
está relacionada con el concepto de
entropía generada, definido por la Ley de
Gouy-Stodola:
I = T0 Sg
Siendo T0 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)
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
Figura 2. Diagrama Exergía - Entropía
Tabla 4. Balance exergético estructurado en
Excel
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
útil, e
con e
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En
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simple
n de
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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.
• 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, 2008.
2. Kotas, T.J. The Exergy Method of
Thermal Plant Analysis. EUA: Krieger
Publishing Company, 1995.
3. Bejan, Adrian, Tsatsaronis, George y
Moran, Michael. Thermal Design and
Optimization. EUA: John Wiley and
Sons, 1996.
4. 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, 1990.
Nomenclatura
cP Calor específico del aire a presión
constante
h Entalpia específica
∆h Cambio de entalpía (∆hc en el
compresor, ∆hb en la cámara
combustión, ∆ht en la turbina)
m& Flujo de masa P Presión Absoluta (P1 en la entrada
del compresor, P2 a la salida del
compresor, P3 a la entrada de la
turbina a gas, P4 a la salida turbina
a gas)
R Constante Universal de gases T Temperatura absoluta (T1 en la
entrada del compresor, T2 a la
salida del compresor, T3 a la
entrada de la turbina, T4 a la salida
de la turbina)
∆T Cambio de temperatura (∆Tc en el
compresor, ∆Tb en la cámara
combustión, ∆Tt en la turbina)
W& Potencia neta
cW& Potencia utilizada por el compresor
tW& Potencia producida por la turbina a
gas
η Eficiencia Térmica Total
ηc Eficiencia del Compresor
ηt Eficiencia de la Turbina a gas
ηm Eficiencia mecánica de la
combinación compresor - turbina.
ρ Densidad
B Exergía
b Exergía específica
