Seleccin de Turbinas de Gas para Sistemas de TrigeneracinGas
Turbine Selection for Trigeneration SystemsM. Picn(1), E. Teopa(1)
y A. Gallegos(2) (1) Instituto de Investigaciones Cientficas,
Universidad de Guanajuato, Cerro de la Venada s/n, Pueblito de
Rocha, 36040 Guanajuato, Gto.-Mxico (e-mail: [email protected])
(2) Facultad de Ingeniera Mecnica, Elctrica y Electrnica,
Universidad de Guanajuato, Tampico 912, 36730 Salamanca,
Gto.-Mxico
Resumen En este trabajo se presenta una metodologa para el
anlisis y seleccin de turbinas de gas en sistemas de trigeneracin.
Se desarrolla un modelo termodinmico para reproducir el desempeo de
turbinas de gas comerciales en condiciones ISO y en las condiciones
locales donde se opera. El modelo incluye el anlisis de sistemas de
refrigeracin por compresin. Se desarrolla un caso de estudio donde
se realiza la integracin trmica del sistema de trigeneracin
utilizando los conceptos bsicos del anlisis pinch. Una vez
integrada la turbina se analiza la operacin bajo diferentes
escenarios de produccin de calor y potencia. Se demuestra que el
sistema integrado ms eficiente es aquel que proporciona la potencia
requerida por el proceso y que minimiza las prdidas al
ambiente.
Abstract This work presents a methodology for the analysis and
selection of gas turbines in trigeneration systems. A mathematical
model was developed for the prediction of the performance of gas
turbines under ISO conditions and under the local conditions of
turbine operation. The model included the analysis of refrigeration
systems by compression. A case study was carried out where a gas
turbine was thermally integrated using pinch analysis techniques.
The performance of the integrated turbine under different scenarios
of heat production and power was analyzed. It was demonstrated that
the most efficient integrated system was the one that both supplied
the process power requirement and minimized the heat losses to the
environment.Keywords: power generation, gas turbines, thermal
integration, pinch analysis, trigeneration
INTRODUCCIN La Cogeneracin es la tcnica ms importante de
produccin simultnea de potencia y calor. Si, adems, un proceso
requiere de niveles de enfriamiento por debajo de la temperatura
ambiente (refrigeracin) y este servicio se produce a partir de la
misma fuente de energa, entonces el sistema global se convierte en
Trigeneracin. Esta tcnica se introdujo a principios de los aos
ochenta y comnmente se utiliza en esquemas de calentamiento y
enfriamiento municipales (Emho, 2003). Sin embargo, cada vez es ms
usada en industrias qumicas y petroqumicas debido a la frecuente
necesidad de estos tres servicios en las plantas de proceso. A
pesar de que estos esquemas tienen varios aos de funcionamiento en
plantas industriales, son pocos los trabajos que hacen referencia a
su diseo (Havelsky, 1999 y Dharmadhikari, 1997) y son ms escasas an
las referencias al uso de estas tcnicas conjuntamente con la
integracin de procesos (Dijkema et al., 1998).El principio de la
Trigeneracin se muestra en la Figura 1, en donde se observa que la
refrigeracin puede obtenerse de dos maneras distintas: a travs de
un sistema de absorcin (Fig. 1a), el cual requiere de una fuente
externa de calor para producir las bajas temperaturas, o a travs de
un sistema de compresin de vapor (Fig. 1b), el cual requiere de
energa elctrica para el mismo fin.Existen en la literatura diversos
estudios que mencionan las ventajas y desventajas de cada sistema
(Dharmadhikari, 1997, Dijikema et al., 1998 y Havelsky, 1999). Sin
embargo, como se observa en la Figura 1, puede considerarse que
cuando se dispone de calor de bajo costo o de desperdicio, el
esquema de refrigeracin por absorcin puede resultar atractivo,
mientras que la refrigeracin por compresin mecnica es la opcin
ideal cuando se tienen excesos de energa elctrica.
a)
b)
Fig. 1: Sistema de trigeneracin. a) con absorcin, b) con
compresin mecnica
En este trabajo se presenta una metodologa para dimensionar e
integrar sistemas de trigeneracin que consideran una turbina de gas
para generar energa elctrica y un sistema de refrigeracin por
compresin mecnica para la generacin de enfriamiento. Se muestra la
aplicacin de un modelo termodinmico desarrollando en una hoja de
clculo que permite predecir el desempeo del sistema de trigeneracin
bajo diferentes esquemas de produccin de calor y potencia. Este
anlisis conlleva a la correcta seleccin y evaluacin de la turbina
de gas y al adecuado uso del calor de los gases de escape para
minimizar las prdidas al ambiente. INTEGRACIN TRMICA DEL SISTEMA El
primer paso para realizar la integracin trmica de los gases de
escape de una turbina es definir la manera en que se utilizar esta
energa, ya sea mediante el uso directo del calor de los gases sobre
las corrientes de proceso, el calentamiento de un fluido trmico o
la generacin de vapor a una o varias presiones. Esta eleccin, en
algunos casos, se determina por el proceso (vapor para evaporadores
o reactores) o se restringe por el arreglo de la planta (los gases
de escape son difcilmente transportables); sin embargo, para los
casos en donde se pueden considerar varias opciones de
calentamiento, resulta necesario evaluar diferentes modelos de
turbinas de gas para cada esquema de integracin. En este caso, el
diseo del sistema de trigeneracin deber ser capaz de satisfacer las
necesidades de calentamiento, tanto en cantidad como en niveles de
temperatura requeridos.La Figura 2 muestra la integracin del perfil
de enfriamiento de los gases calientes de escape con la Gran Curva
Compuesta (Linnhoff et al., 1982). En este caso los gases calientes
se utilizan directamente para calentar las corrientes de proceso.
Este tipo de aplicacin est limitada por la temperatura de roco cido
de los gases, es decir, la temperatura a la cual se puede presentar
la condensacin de los componentes que originan problemas de
corrosin en las superficies de transferencia de calor. Una vez
fijada esta temperatura, se estima la cantidad mxima de calor
recuperable de los gases, debiendo ser sta mayor a los
requerimientos del proceso, de no ser as, debe seleccionarse otro
modelo de turbina o debe utilizarse un quemador suplementario para
elevar la temperatura de los gases de escape hasta un valor que
permita satisfacer estos requerimientos. Por ejemplo, de T1 a T2 en
la Fig. 2.
Fig. 2: Perfil de temperatura de los gases de escape con
quemador suplementario
Un concepto que puede ser importante para analizar diferentes
alternativas de turbinas de gas es la definicin del punto de
control, es decir, el punto que define la pendiente mxima (o bien
el flujo mnimo de gases) que requiere la turbina para realizar el
calentamiento sin presentarse un cruce de temperaturas con la Gran
Curva Compuesta (Polley y Sarabchi, 2000). Este punto puede ser el
Pinch o el punto de roco cido como se observa en la Figura 2. Los
perfiles de enfriamiento para dos diferentes turbinas se muestran
en la Figura 3, en donde se aprecia que las turbinas que generan
menor flujo de gases de escape (turbina 1) presentan perfiles que
reducen las prdidas de calor al ambiente.
Fig. 3: Perfiles de temperatura de los gases de escape para dos
diferentes turbinas de gas
Para el caso de generacin de vapor mediante intercambio
indirecto de calor con los gases calientes, la Figura 4 muestra el
perfil de temperaturas que se presenta cuando ste se produce a dos
diferentes niveles de presin, los cuales en ocasiones estn
determinados por el proceso o bien deben definirse cuidadosamente
para minimizar los requerimientos de rea de transferencia de calor
en las calderas y evitar cruces de temperaturas con el perfil de
los gases.
Fig. 4: Perfiles de temperatura de los gases de escape y
vapor
MODELO TERMODINMICO DEL SISTEMAEl modelo termodinmico que se
presenta en este trabajo est integrado en tres secciones: la
evaluacin de la turbina de gas, el sistema refrigeracin por
compresin y el sistema global de eficiencias termodinmicas del
conjunto mquina trmica bomba de calor. La eficiencia termodinmica
global de un sistema de trigeneracin puede definirse de acuerdo a
la segunda ley de la termodinmica de la forma: (1)Donde el trabajo
que deber suministrarse al compresor de refrigeracin WR est dado
por (Mehra, 1982): (2)La evaluacin de la potencia producida por una
turbina de gas se realiza mediante el uso de la siguiente
ecuacin:(3)y la temperatura de los gases de escape de la turbina
(T4) est dada por: (4) (5)Las eficiencias termodinmicas real e
ideal de la turbina de gas, considerndola como una mquina trmica,
estn dadas por:(6) (7) (8)Por otro lado, para el sistema de
refrigeracin (bomba de calor) el COP se expresa como: (9)(10)
(11)En la siguiente seccin se muestra la aplicacin del modelo para
seleccionar la turbina de gas ms adecuada para la generacin de
calor y potencia en una planta de compresin de gas.APLICACINLa
informacin del proceso, esto es, corrientes, flujos y temperaturas
se muestran en la Tabla 1. Como estimado inicial se utiliza un
valor de Tmin de 10C para calcular los requerimientos de servicios
externos, sin embargo, este estimado debe optimizarse durante el
diseo de la red de intercambio de calor del proceso en base a un
anlisis de costos de operacin (costos y consumos de servicios
auxiliares) contra los costos fijos de los equipos de transferencia
de calor, lo cual ha sido ampliamente estudiado por otros autores
(Linnhoff et al., 1982) y no se analiza en este trabajo.Los
requerimientos de energa elctrica de la planta son estimados en
9,800 kW y la temperatura mnima a la que pueden enfriarse los gases
de escape es de 150C, para evitar la condensacin de los componentes
que causan problemas de corrosin en los equipos de transferencia de
calor. Dados los niveles de enfriamiento que requiere el proceso,
se utiliza agua fra a 5C proveniente de un sistema de refrigeracin
con amoniaco. Finalmente, se considera que los servicios de
calentamiento se suministrarn directamente a travs de los gases de
escape.La metodologa a emplear consiste en aplicar, primeramente el
anlisis pinch a las corrientes de proceso con el fin de determinar
los requerimientos energticos de calentamiento y enfriamiento.
Posteriormente, se lleva a cabo el diseo del sistema de
trigeneracin: inicialmente se dimensiona el sistema de
refrigeracin, lo que permite calcular las necesidades de energa
elctrica y obtener as el requerimiento total de electricidad del
proceso. Con esta informacin se seleccionan de la literatura
(Farmer, 2001) diferentes turbinas de gas con una potencia nominal
igual o superior a la requerida y se evala su desempeo a las
condiciones del sitio donde se instalar el sistema de trigeneracin.
Si la capacidad de produccin de energa elctrica en el sitio es
menor a la requerida, se debe seleccionar una turbina de mayor
capacidad nominal. Las condiciones de sitio consideradas para la
evaluacin son: temperatura ambiente de 23C y una altitud de 1721
metros sobre el nivel del mar.RESULTADOS Las Curvas Compuestas y la
Gran Curva Compuesta del proceso se muestran en las Figuras 5 y 6.
Los requerimientos trmicos de la planta son: i) calentamiento
externo: 17,283 KW; y ii) enfriamiento externo: 10,543 KW.La
evaluacin del sistema de refrigeracin reporta que el compresor de
amoniaco requiere de un consumo de potencia de 2,355 kW, por lo
tanto, la potencia elctrica que deber entregar la turbina se estima
en 12,155 kW. Los datos de las turbinas seleccionadas se muestran
en la Tabla 2. Se realizaron dos evaluaciones para cada turbina: al
100% de carga y a la carga parcial necesaria para satisfacer por
completo los requerimientos de energa elctrica. Lo anterior puede
calcularse si en la ecuacin (3) se determina la nueva temperatura
de entrada de los gases a la seccin de expansin, fijando la
cantidad de energa elctrica requerida a la salida de la turbina.
Los detalles de la evaluacin del sistema de refrigeracin se
presentan en la Figura 7 y la evaluacin de la turbina 3 se muestra
en la Figura 8.
Fig. 5: Curvas compuestas para planta de compresin de gas
Fig. 6: Gran curva compuesta para planta de compresin de gas
Tabla 1: Datos de operacin. Planta de compresin de
gasCorrientemCp kW/CTentrada CTsalida CDH kW
1Caliente751601510875
2Caliente32060306400
3Caliente200751013000
4Fra3525140-4025
5Fra3982579-21492
6Fra16580150-11550
Tabla 2: Caractersticas de operacin de las turbinas de gas
analizadasTurbinaPotencia ISO (kW)Relacin de CompresinFlujo de aire
(kg/s)Tsalida de gases (C)Flujo de calor (MJ/kW-h)
117 00012.092.3937511.18
214 70014.752.2154511.18
313 95821.546.8048710.00
Los resultados de las evaluaciones de las tres turbinas de gas
se muestran en la Tabla 3, en donde se observa que para las
condiciones de sitio stas reducen su rendimiento entre 5 y 6%. Lo
anterior es importante porque establece aproximadamente un lmite
inferior de potencia nominal que permite la seleccin adecuada de
las turbinas. Se observa tambin el porcentaje de carga parcial al
que deben operar para suministrar exactamente la potencia requerida
por el proceso. Los tres sistemas pueden proporcionar la cantidad
de calor requerido por el proceso; solamente la operacin de la
turbina 3 presenta un ligero dficit de calor cuando se opera al 92%
de carga parcial. Esto permite reconocer que una vez que se fijan
los requerimientos de calor y potencia, la integracin de una
turbina presenta un exceso o un dficit en el suministro de cada uno
de estos servicios. En el caso de las turbinas 1 y 2, la potencia
que generan es menor a la requerida, mientras que la turbina 3
produce menos calor que el requerido. Si se operara a mayor
porcentaje de carga, se pueden satisfacer los tres requerimientos
energticos, pero ahora con un exceso de energa elctrica.Por lo que
respecta a la eficiencia del uso de combustible en el sistema
global, se observa que las mayores eficiencias se obtienen
trabajando las turbinas a carga parcial. Esto es vlido solamente
para el caso en que el sistema sea diseado para satisfacer
nicamente los requerimientos del proceso sin considerar la
produccin en exceso de energa trmica o elctrica para venta a
terceros, como puede ser el caso de algunos sistemas de
trigeneracin de mayor capacidad que consideran factible este tipo
de esquemas.
Fig. 7: Sistema de refrigeracin
Fig. 8: Sistema de la turbina de gas
Tabla 3: Resultados de la evaluacin de tres diferentes turbinas
de gas.Turbina% CargaWTe (kW)T3 (C)F (kW)Qh (kW)Qamb (kW)Qexc
(kW)Wedisp (kW)Wexc (kW)hTR (%)mg (kg/s)T4 (C)
A10015977893526482327812622599513622382255.593.5376.2
B76121558054364718176127228939800066.993.3327.0
C10014017121844705231446871586111662186265.353.2545.6
D871215511434039620702695234199800071.353.1504.5
E1001327812303783517701622741810923112377.247.6488.2
F9212155118435461164626266-8219800082.347.5464.8
La Figura 9 muestra el perfil de temperaturas de las tres
turbinas de gas y la gran curva compuesta del proceso. Aqu se
observa que la turbina 3 presenta las menores prdidas de calor al
ambiente y, por lo tanto, existe una mayor eficiencia global de
combustible en el sistema. Sin embargo, debe operarse a un valor de
carga parcial ms alto que permita cumplir con los requerimientos de
calor al proceso, o bien, adicionar un quemador suplementario a la
salida de la turbina para mayor flexibilidad y operabilidad del
sistema.
Fig. 9: Perfiles de temperatura de gases de diferentes turbinas
en relacin a la gran curva compuesta del proceso.
CONCLUSIONESLa evaluacin trmica de turbinas de gas utilizadas en
sistemas de trigeneracin debe realizarse a las condiciones del
sitio en que se instalar el sistema, ya que el considerar solamente
la capacidad a condiciones ISO de funcionamiento conduce a
estimados irreales de potencia elctrica generada. La reduccin de
potencia para las tres turbinas analizadas en este caso es entre un
5 y 6%. Los resultados indican que la evaluacin de estos sistemas
puede realizarse de manera verstil y eficiente con el modelo que se
presenta.En aquellos casos en que no es conveniente la produccin de
electricidad y calor en exceso a los requerimientos de la planta
(venta de excedentes), las variaciones estacionarias en las
demandas de energa pueden ser manejadas de una manera eficiente
mediante la implementacin de acciones como la operacin de la
turbina a carga parcial.NOMENCLATURACp Calor especfico a presin
constante, J/kg-K.COP Coeficiente de operacinF Consumo de
combustible, W.H Entalpa, J/kg.H3 Entalpa del refrigerante a la
entrada del compresor, J/kg.H4 Entalpa del refrigerante a la salida
del compresor, J/kg.k Cp/Cvmg Flujo msico de los gases de escape,
kg/s.mR Flujo msico del refrigerante, kg/s.Qamb Prdida de calor al
ambiente, kW.QC Calor en el condensador, kW.QE Calor en el
evaporador, kW.Qexc Calor en exceso de la turbina, kW.QF Calor de
la fuente de energa, kW.Qh Calor disponible en los gases calientes,
kW.Qs Calor entregado por la turbina, kW.rc Relacin de compresinrT
Relacin de presin entrada/salida en la turbina.T Temperatura, C.TC
Temperatura del refrigerante en el condensador, C.TE Temperatura
del refrigerante en el evaporador, C.TF Temperatura de la fuente,
C.TS Temperatura del sumidero en la mquina de calor, C.T1
Temperatura del aire de entrada al compresor, C.T2 Temperatura del
aire de salida del compresor, C.T3 Temperatura de los gases de
entrada a la turbina, C.T4 Temperatura de los gases de salida de la
turbina, C.T4s Temperatura de los gases de salida de la turbina
adiabtica, C.Wad Trabajo adiabtico en el compresor, kW.We
Requerimiento de potencia en el proceso, kW.We disp Potencia
disponible para el proceso, kW.We exc Exceso de potencia producida,
kW.WR Consumo de potencia en la refrigeracin.WTe Produccin de
potencia en la turbina.DH Cambio de entalpa, kW.had Eficiencia
adiabtica del compresor en la refrigeracin.hc Eficiencia del
compresor.hMTidealEficiencia de Carnot .hMTreal Eficiencia por
primera ley en la mquina de calor.hT Eficiencia de la turbina.hTR
Eficiencia global de la trigeneracin.REFERENCIASDharmadhikari S.,
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