Estudio exergoeconómico de una central térmica comparando el sistema de enfriamiento del aire de admisión evaporativo actual con un sistema de enfriamiento por absorción aprovechando los gases de combustión
Este trabajo presenta la identificación y simulación del ciclo simple a gas con las tecnologías de enfriamiento del aire descritas a lo largo del documento en la herramienta de simulación Thermoflex, un software completo que permite simular la central térmica en su totalidad, ya que proporciona al u...
- Autores:
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García Mogollón, Silvia Juliana
Mendoza Navarro, Graciela
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2019
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/7083
- Palabra clave:
- Energy engineering
Evaporative cooling
Exergue-economic performance
Exergy destroyed
Innovaciones tecnológicas
Centrales termoeléctricas
Exergía
Ingeniería en energía
Enfriamiento evaporativo
Desempeño exergo-económico
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- openAccess
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Economic exergue study of a thermal power plant comparing the current evaporative intake air cooling system with an absorption cooling system taking advantage of the combustion gases |
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Este trabajo presenta la identificación y simulación del ciclo simple a gas con las tecnologías de enfriamiento del aire descritas a lo largo del documento en la herramienta de simulación Thermoflex, un software completo que permite simular la central térmica en su totalidad, ya que proporciona al usuario autonomía para construir cualquier estructura mediante conexión de distintos bloques o componentes de forma flexible y sin limitaciones, facilita diversos componentes necesarios para modelar cualquier sistema o incluso adecuar un pequeño subsistema, además permite una sinergia entre el diseño energético, el tamaño físico del equipo, el rendimiento y los costos de la instalación. Posteriormente se analiza el desempeño exergo económico de la central, dividiendo este análisis en cálculos, modelos y balances exergéticos para finalmente realizar balances termo económicos en la herramienta de cálculo Engineering Equation Solver EES. Se simulan cuatro configuraciones de la planta, a condiciones ideales, de emplazamiento, con la adición de dos tecnologías de enfriamiento del aire de admisión como el enfriamiento evaporativo y por absorción con el fin de obtener datos para realizar el análisis exergético, determinando los flujos de exergía en cada uno de los componentes para clasificarlos en exergía suministrada y producida. El análisis termo económico se realiza con el fin de costear la exergía destruida por cada proceso y comparar esta cantidad entre las diferentes configuraciones. Los resultados obtenidos se compararon, mediante un análisis de sensibilidad que altera el porcentaje de carga de 100% a 50% para observar el efecto del desempeño del ciclo a cargas parciales, de esta forma se determina la ineficiencia y los costos de producción elevados de los ciclos a gas cuando operan a cargas parciales. Una de las corrientes con mayor costo exergético unitario es el que se genera en el compresor, debido a la gran cantidad de exergía necesaria para producir el aire comprimido, esto es válido para las cuatro configuraciones, incrementando su valor a medida que disminuye la carga operacional. Con este trabajo se reitera la importancia de las tecnologías de enfriamiento del aire de admisión como una optimización necesaria para los ciclos a gas, con el fin de disminuir la exergía destruida en el compresor causadas por altas temperatura en el aire de admisión, que afectan de forma significativa el desempeño y la utilidad económica del sistema |
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A. Lazzaretto and G. Tsatsaronis, “SPECO: A systematic and general methodology for calculating efficiencies and costs in thermal systems,” Energy, vol. 31, no. 8–9, pp. 1257–1289, 2006. A. Marzouk and A. Hanafi, “Thermo- Economic Analysis of Inlet Air Cooling in Gas Turbine Plants,” Sch. J. Eng. Res., vol. 1, no. 2, pp. 76–84, 2012. A. Paula, P. Santos, C. R. Andrade, and E. L. Zaparoli, “Comparison of Different Gas Turbine Inlet Air Cooling Methods,” World Acad. Sci. Eng. Technol., vol. 6, no. 1, pp. 40–45, 2012. A. Valero et al., “CGAM problem: Definition and conventional solution,” Energy, vol. 19, no. 3, pp. 279–286, 1994. B. GONZÁLEZ, DEL REGUERAL, “Análisis exergético y evaluación termoeconómica de un ciclo combinado de generación eléctrica,” pp. 30–35, 2003. C. C. Domingo, “Análisis termoeconómico de una planta de cogeneración con biomasa.” C. Coca C., “Análisis De Costos Exergéticos en una Planta Termoeléctrica,” p. 131, 2010. C. S. A. Agudelo Santamaría, J. Agudelo Santamaría, “Efecto de la altitud en el análisis termoeconómico de un sistema de cogeneración.,” vol. 74, pp. 113–124, 2007. CREG, “CREG - Comisión de Regulación de Energía y Gas,” 2012. [Online]. Available: http://www.creg.gov.co/html/i_portals/index.php. D. J. N. Gámez, “Análisis de las tecnologías para disminuir la temperatura del aire en la succión del compresor y su influencia sobre los indicadores energéticos en una planta de cogeneradora con turbina a gas (TG) y generador de vapor de recuperador de calor (HRSG’s),” p. 2011, 2011. D. Paulus and N. G. Zarraonandia, “Specific exergy costs and revenues in a two-pressure combined cycle plant,” Int. J. Thermodyn., vol. 9, no. 2, pp. 65–72, 2006. D. V. S. Miguel Capella Castro, “Alternativas para incrementar la Eficiencia y Capacidad de las Turbinas de Gas.” 2000. E. Pyzik, S. Jarz, ˛ Ebowski, and A. Miller, “Impact of inlet air cooling on gas turbine performance,” Open Access J. J. Power Technol., vol. 92, no. 4, pp. 249–257, 2012. essentials for the C. professional Chemical Engineering, “CEPCI 2019,” 2019. [Online]. Available: https://www.chemengonline.com/2019-cepci-updates-february-prelim-and-january-final/. F. A. Roldan, F. E. Sierra, and C. A. Guerrero, “Modelado del ciclo Brayton de una turbina a gas en Colombia mediante ecuaciones de estado y relaciones isentrópicas,” vol. 6, pp. 85–95, 2011. F. F. Pino, “Capítulo 3 : Sistema De Adsorción,” vol. 0. Sevilla, España, 2012. G. Tsatsaronis and J. Pisa, “Energy Systems - Application To the Cgam Problem,” Energy, vol. 19, no. 3, pp. 287–321, 1994. I. Mensual, C. Relevantes, D. E. L. Mercado, D. E. E. Mayorista, and M. E. M. En, “INFORME MENSUAL DEL MERCADO ELECTRICO Octubre 2011,” 2011. J. Ma, M. Villalón, and E. Q. Aragón, Termoeconomía y optimización energética. Madrid, España, 2009. J. R. P. Prioló, “Indicadores termoeconómicos del sistema de refrigeración de los reactores de una planta de producción de PVC.,” IOSR Journal of Economics and Finance, vol. 3, no. 1. p. 56, 2016. N. Omar, M. Sahril, T. H. Khai, M. Kamarul, Y. Yusof, and J. Fournier, “ScienceDirect ScienceDirect ScienceDirect Feasibility Study of Turbine Inlet Air Cooling using Mechanical Chillers in Malaysia Climate Assessing the feasibility of using the heat demand-outdoor Shahrul temperature function for a Asmara district heat deman,” Energy Procedia, vol. 138, pp. 558–563, 2017. P. F. Juan, “Capitulo 3. Tecnologías de enfriamiento del aire de entrada a la turbina.,” Estudio de viabilidad termoeonómica de la implantación de un sistema de enfriamiento del aire de la entrada de la turbina de gas para una planta de ciclo combinado., vol. 6, no. 2. 2005, Madrird, España, p. 103, 1393. R. C. Rosaler, “Manual del ingeniero de planta.” 2000. R. Rajoria and A. khan, “Analysis of Effects of Evaporative Inlet Cooling on Gas Turbines,” Int. J. Eng. Trends Technol., vol. 37, no. 2, pp. 57–61, 2016. S. de O. Junior, Exergy: Production, Cost and Renewability (Green Energy and Tecnology). S. F. De Colombia, “Superintendencia financiera de Colombia,” Recuperado el 20 de 09 de 2012, de http://www. superfinanciera. gov. co. 2019, Bogotá, Colombia, 2010. S. L. Absorsistem, “Oferta técnica y económica - Absorsistem.,” Barcelona, España, 2019. T. J. Kotas, The exergy method of thermal plant analysis, vol. 20. 1985. Turbine Inlet Cooling Association, “Technology Overview of Turbine Inlet Cooling,” 2010. [Online]. Available: http://www.turbineinletcooling.org/tic_benefits.html. Unidad de Planeación Minero-Energética, “UPME,” 2019. [Online]. Available: http://www1.upme.gov.co/Paginas/default.aspx. XM, “Despacho.” [Online]. Available: https://www.xm.com.co/Paginas/Generacion/despacho.aspx. Y. Kwon, H. Kwak, and S. Oh, “Exergoeconomic analysis of gas turbine cogeneration,” Mech. Eng., vol. 1, no. 1, pp. 31–40, 2001. |
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Posteriormente se analiza el desempeño exergo económico de la central, dividiendo este análisis en cálculos, modelos y balances exergéticos para finalmente realizar balances termo económicos en la herramienta de cálculo Engineering Equation Solver EES. Se simulan cuatro configuraciones de la planta, a condiciones ideales, de emplazamiento, con la adición de dos tecnologías de enfriamiento del aire de admisión como el enfriamiento evaporativo y por absorción con el fin de obtener datos para realizar el análisis exergético, determinando los flujos de exergía en cada uno de los componentes para clasificarlos en exergía suministrada y producida. El análisis termo económico se realiza con el fin de costear la exergía destruida por cada proceso y comparar esta cantidad entre las diferentes configuraciones. Los resultados obtenidos se compararon, mediante un análisis de sensibilidad que altera el porcentaje de carga de 100% a 50% para observar el efecto del desempeño del ciclo a cargas parciales, de esta forma se determina la ineficiencia y los costos de producción elevados de los ciclos a gas cuando operan a cargas parciales. Una de las corrientes con mayor costo exergético unitario es el que se genera en el compresor, debido a la gran cantidad de exergía necesaria para producir el aire comprimido, esto es válido para las cuatro configuraciones, incrementando su valor a medida que disminuye la carga operacional. Con este trabajo se reitera la importancia de las tecnologías de enfriamiento del aire de admisión como una optimización necesaria para los ciclos a gas, con el fin de disminuir la exergía destruida en el compresor causadas por altas temperatura en el aire de admisión, que afectan de forma significativa el desempeño y la utilidad económica del sistema1 14 1.1 Descripción del mercado eléctrico colombiano 14 1.2 Turbina Ciclo a Gas – Ciclo Brayton 15 1.3 Refrigeración 16 1.4 Importancia de las Tecnologías de Enfriamiento del aire de Admisión 16 1.5 Tecnologías de Enfriamiento del aire de Admisión 17 1.5.1 Sistemas Evaporativos 17 1.5.1.1 Enfriamiento evaporativo 17 1.5.1.2 Sistema de Niebla (fogging System) 18 1.5.1.3 Compresión Húmeda (Wet Compression) 18 1.5.2 Sistemas de Producción de Frio 19 1.5.2.1 Refrigeración por Compresión Mecánica 20 1.5.2.2 Refrigeración por Absorción 20 1.5.2.3 Refrigeración por Adsorción 22 1.5.3 Sistemas de Vaporización de Gas Licuado 22 1.5.4 Sistemas Híbridos 23 1.6 Ventajas TIAC 23 1.7 Componentes internos de una maquina de absorción 23 1.8 Ciclo de Absorción 23 1.9 Termoeconomía 26 2. 27 2.1 Objetivo General 27 2.2 Objetivos Específicos 27 3. 28 4. 29 5.1 Descripción general de la central térmica 29 5.2 Descripción de los Componentes 30 5.2.1 Turbina de gas 30 5.2.2 Enfriador evaporativo. 30 5.2.3 Chiller de absorción 31 5.3 Sistema actual: turbina con enfriador evaporativo 31 5.4 Sistema a condiciones ISO 33 5.5 Sistema a condiciones de emplazamiento 34 5.6 Sistema propuesto 35 6. 37 6.1 Análisis energético 37 6.1.1 Balance de energía 37 6.1.1.1 Ciclo de potencia 38 6.1.1.2 Ciclo de refrigeración 39 6.1.1.3 Análisis global de la planta 39 6.2 Gas natural y cámara de combustión 40 6.3 Análisis exergético 40 6.3.1 Evaluación de exergias físicas 41 6.3.2 Evaluación de exergias químicas 41 6.3.3 Balance exergético 41 6.3.3.1 Flujo exergético 42 6.3.3.2 Exergía suministrada 42 6.3.3.3 Exergía producida 42 6.3.3.4 Eficiencia exergética 43 6.3.3.5 Contenido exergético del calor 43 6.3.3.6 Irreversibilidades 44 7 45 7.1 Diferencia de costos relativa 48 7.2 Factor exergoeconómico 48 8 50 8.1 Resultados del balance exergético 50 8.1.1 Análisis de irreversibilidades 59 8.2 Resultados del balance termoeconómico 60 9 62 9.1 Efecto de la temperatura ambiental en el desempeño del ciclo 63 9.2 Análisis para cargas parciales 65 9.3 Análisis de costos exergéticos para cargas parciales 66 10 67 11 69 12 72 A.1 Catálogo máquina de absorción 72 A.2 Cotización chiller de absorción. 73 A.3 Diagrama Grassmann del sistema propuesto por este estudio 75PregradoThis work presents the identification and simulation of the simple gas cycle with the air cooling technologies described throughout the document in the Thermoflex simulation tool, a complete software that allows the entire thermal power plant to be simulated, since it provides the user autonomy to build any structure by connecting different blocks or components flexibly and without limitations, it provides various components necessary to model any system or even adapt a small subsystem, it also allows a synergy between the energy design, the physical size of the equipment, the performance and installation costs. Subsequently the exergoeconomic performance of the plant is analyzed, dividing this analysis into calculations, models and exergy balances to finally perform thermoeconomic balances in the Engineering Equation Solver EES calculation tool. Four plant configurations are simulated, under ideal site conditions, with the addition of two intake air cooling technologies such as evaporative and absorption cooling in order to obtain data to perform the exergetic analysis, determining the flows of exergy in each of the components to classify them into supplied and produced exergy. The thermoeconomic analysis is carried out with the aim of costing the exergy destroyed by each process and comparing this amount between the different configurations. The results obtained were compared, using a sensitivity analysis that alters the load percentage from 100% to 50% to observe the effect of cycle performance at partial loads, thus determining the inefficiency and high production costs of the gas cycles when operating at partial loads. One of the currents with the highest unit exergy cost is the one generated in the compressor, due to the large amount of exergy required to produce the compressed air, this is valid for the four configurations, increasing its value as the operational load decreases . This work reiterates the importance of intake air cooling technologies as a necessary optimization for gas cycles, in order to decrease the exergy destroyed in the compressor caused by high temperatures in the intake air, which affect the significantly the performance and economic utility of the systemModalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaEstudio exergoeconómico de una central térmica comparando el sistema de enfriamiento del aire de admisión evaporativo actual con un sistema de enfriamiento por absorción aprovechando los gases de combustiónEconomic exergue study of a thermal power plant comparing the current evaporative intake air cooling system with an absorption cooling system taking advantage of the combustion gasesIngeniero en EnergíaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABPregrado Ingeniería en Energíainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPEnergy engineeringEvaporative coolingExergue-economic performanceExergy destroyedInnovaciones tecnológicasCentrales termoeléctricasExergíaIngeniería en energíaEnfriamiento evaporativoDesempeño exergo-económicoExergía destruidaA. Lazzaretto and G. Tsatsaronis, “SPECO: A systematic and general methodology for calculating efficiencies and costs in thermal systems,” Energy, vol. 31, no. 8–9, pp. 1257–1289, 2006.A. Marzouk and A. Hanafi, “Thermo- Economic Analysis of Inlet Air Cooling in Gas Turbine Plants,” Sch. J. Eng. Res., vol. 1, no. 2, pp. 76–84, 2012.A. Paula, P. Santos, C. R. Andrade, and E. L. Zaparoli, “Comparison of Different Gas Turbine Inlet Air Cooling Methods,” World Acad. Sci. Eng. Technol., vol. 6, no. 1, pp. 40–45, 2012.A. Valero et al., “CGAM problem: Definition and conventional solution,” Energy, vol. 19, no. 3, pp. 279–286, 1994.B. GONZÁLEZ, DEL REGUERAL, “Análisis exergético y evaluación termoeconómica de un ciclo combinado de generación eléctrica,” pp. 30–35, 2003.C. C. Domingo, “Análisis termoeconómico de una planta de cogeneración con biomasa.”C. Coca C., “Análisis De Costos Exergéticos en una Planta Termoeléctrica,” p. 131, 2010.C. S. A. Agudelo Santamaría, J. 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