Análisis Exergético del CC de Varadero correspondiente a la empresa Energassa

En el presente trabajo se realiza un análisis exergético de los principales componentes de la instalación de CC de la Planta de ENERGASSA en Varadero , en el sentido de lograr un mejor análisis de la elección de los equipos que deben ser utilizados ,a partir de los datos obtenidos del simulador "Termoflow" y "Windboil" utilizado durante la fase ingeniería conceptual del proyecto

Introducción

Los altos costos de la energía y el calentamiento global en los tiempos recientes ha traído la necesidad de desarrollar sistemas de energía con elevados niveles de eficiencia en el sentido de reducir los niveles de emisión La disponibilidad de la energía juega un importante role en el desarrollo de nuestro país Los sistemas de recuperación de calor en calderas recuperativas se ha desarrollado en la nación con las primeras experiencias en las calderas de Varadero ,aunque el tema de la cogeneración se había explorado en la industria azucarera ,pero el uso de los gases de salida a partir de las turbinas de gas es inédito en el país hasta que en el ano2000 se comienzan a desarrollar los pasos para establecer un CC en las instalaciones de la Planta de Gas de Varadero.

El siguiente trabajo se desarrolla con el objetivo de desarrollar las premisas de elección entre las calderas recuperativas convencionales y las novedosas "Once trough "o de un solo paso que nos proporcionan un grupo de ventajas a los que se adiciona las ventajas desde el punto de vista de la segunda ley ,que se comprobaran en el desarrollo de este trabajo Considerar por primera ley los efectos del pinch point ( Diferencia de temperatura entre la temperatura de saturación y la salida del evaporador del lado del economizador de los gases ),no tiene en cuenta la irreversibilidad o la degradación de la energía en el sistema ,El análisis por segunda ley proporciona una técnica efectiva para medir la calidad de la del proceso y optimizar los rendimientos de los sistemas térmicos ,teniendo en cuenta la exergía .A diferencia de de la energía la exergía es destruida por irreversibilidades (generación de entropía ) tales como fricción ,perdidas de calor o irreversibilidad química

Consideraciones

Considerar el sistema en estado estacionario

No se considera caída de presión en el lado de vapor

La caída de presión en el lado de los gases no afecta su temperatura

Despreciar el punto de aprovechamiento

Ecuaciones utilizadas a partir del resolvedor de ecuaciones TK solver

Ei=Mg*(Cp*(Tg1k-To)-To*(Cp*LN(Tg1k/To)-Rg*LN(Pext/Po)))

ENet=Mg*(h1g-h2g-To*(S1g-S2g-Rg*LN(Pext/Po)))

ENetkw=ENet*0.999

ENetw=Mw*(h2w-h1w-To*(S2w-S1w))

ENetwkw=ENetw*0.999

Ehrsg=ENet+Mw*(h1w-h4w -To*(S1w-S4W))

ENetturb= (-15000)+Mw*(h4w-h2w-To*(S4W-S2w))

Eostg=ENetostg+Mwostg*(h1w-h4w -To*(S1w-S4W))

ENetostg=Mg*(h1g-h2gostg-To*(S1g-S2gostg))

Edhrsg=Ehrsg*0.45*24*365

Edostg=Eostg*0.45*24*365

Edturb=ENetturb*0.45*24*365

a=Ei-ENetkw

Tg3=tsat+PP

Mw1=Mg*((Cp*Tg1k-Cp3*Tg3)*(1-hl)) /(h4w-h1ew)

tg2=(Cp*Tg1k/Cp3)-Mw1*(h4w-hsh)/Mg*Cp3*(1-hl)

tgs=(Cp3*Tg3/Cpgs)-Mw1*(h1ew-h1w)/Mg*Cpgs*(1-hl)

Mw2=(Mg*Cp*tg2-Mg*Cp*Tg3)/Ifg

Ns=Sgen/Mg*Cp

Sgen=(Sgas +Ssteam+Shl)

Sgas =Mg*(S2g-S1g)

Ssteam=Mw*(S4W-S1w)

Shl=(Mg*(Cpgs*tgs-Cp*Tg1k)*hl)/(tgs-Tg1k)/2

El balance exergético sugiere la oportunidad de elevar la eficiencia termodinámica debido a que cerca del 60 % de la exergía introducida en el proceso es destruida por irreversibilidades en el mismo o es destruida por el circuito agua vapor ,la comparación de las calderas convencionales con la OTSG se vera mas adelante como un ejemplo de mejora termodinámica del proceso analizado

Haremos la comparación de las dos calderas que se consideran en el diseño

HRSG Caldera de recuperación convencional ,para la cual se realizo previamente el calculo

teniendo una destrucción exergético de un 12.8%

La otra caldera es OTSG cuya configuración presenta ventajas como:

No hay necesidad de divertir

Menor caída de presión

posibilidad de trabajar en seco

Gran flexibilidad en la operación al no tener domo ,propicia para cambios drásticos de carga

sin grandes afectaciones

Calderas mas caras

Requerimientos del agua mas exigentes

En la OTSG se obtiene una destrucción exergético de 5.6%

Esta diferencia determina un costo de casi 6 millones al ano por la energía que se destruye ,lo que nos hace considerar esta oferta como algo totalmente aceptable

Durante los cálculos realizados , además las diferencias de resultados cuando

se considera para los gases de escape de la turbina como aire o son efectuados a partir de

considerar los parámetros de los gases ,como se aprecia

: a =Eigases-Eaire =4562.397Kw

Como se aprecia las consideraciones de asumir los parámetros del gas a su vez van a generar una mayor destrucción de exergía lo que nos debe conducir a tratar de reducir errores tan comunes como esto para determinar gastos considerables por segunda ley

Afectaciones del Pinch Point en la producción de Vapor

Otro tema vamos a considerar es con relación al PP y el efecto del mismo sobre el perfil de temperatura y en la producción de vapor

Como se comento anteriormente el PP es un factor que se toma muy en cuenta en el diseño de las calderas de recuperación ,a partir de este elemento se vera afectado el perfil de temperaturas de la misma y a su vez la producción de vapor de la caldera ,este efecto se describe en la curva obtenida de la interrelación de estos parámetros mientras mas alto es el PP mas elevada es Tg3 (temperatura de salida del evaporador )lo que significa una reducción de la transferencia de calor en los circuitos de Sobrecalentador y Evaporador ,lo que implica una reducción de la producción de vapor, baja producción de vapor conlleva a una reducción de la transferencia e calor en el economizador ,lo que implica gases de salida mas elevados con la consiguiente reducción del rendimiento de la caldera de recuperación .La selección de un PP mas bajo durante el diseño de las calderas recuperativas debe ser una premisa perfectamente definida en el sentido de alcanzar valores de eficiencia y lograr disminuir las irreversibilidades asociadas con este proceso

La ecuación que determina el comportamiento es la siguiente

Mw2=(Mg*Cp*tg2-Mg*Cp*Tg3)/Ifg ( graf #1)

Una segunda realcion puede ser establecida al relacionar la producción de vapor y la temperatura de los gases de entrada a la caldera, la misma se obtiene a partir de la ecuación previamente establecida :

Mw1=Mg*((Cp*Tg1k-Cp3*Tg3)*(1-hl)) /(h4w-h1ew)

El resultado corresponde con lo esperado y es lógico obtener una mayor generación de vapor

producto de la introducción de mayor cantidad de energía en la instalación de calderas (graf #2)

Pero las consideraciones por segunda ley nos dan una repuesta de este resultado, a partir de comparar los resultados del Numero de Generación de entropía con relación a la temperatura de entrada obtenemos el resultado que obtenemos abajo donde se aprecia que al elevar la temperatura de entrada a la caldera el proceso es menos eficiente debido a que se destruye mayor cantidad de exergía esta conclusión se realiza manteniendo el PP constante.

El resultado además demuestra que la entropía del gas depende de la composición del gas y esta afecta los resultados tanto de primera como segunda ley

Este efecto se hace mas pronunciado en dependencia del contenido de oxigeno en los gases de escape y la composición de los gases e escape ,demostrando la influencia del calor especifico en la generación de entropía y sobre el numero de generación de entropía

Conclusiones

A partir de los resultados obtenidos se puede arribar a las siguientes conclusiones

• La destrucción de exergía o el análisis por segunda ley lleva a obtener resultados mas acertados con relación al examen de los diferentes procesos industriales

• Los valores mas significativos de destrucción de exergía en el CC se dan en la generacion de energía ,caldera recuperadora y turbina de vapor

• La optimización del proceso es imprescindible para la obtención de buenos resultados y evitar gastos y perdidas por concepto de irreversibilidad

• El PP (Pinch Point) debe ser considerado en el momento del diseño de las calderas de recuperación y su valor debe tender a ser el mínimo en el sentido de obtener las menores perdidas de irreversibilidad en las calderas

• La temperatura de los gases de escape aunque se observa en una primera consideración como un elemento para elevar la producción de vapor se observa como una fuente de destrucción de de exergía debido al aumento de la diferencia de temperatura de los fluidos en cuestión

• Las consideraciones relacionadas con el Cp constante puede traer errores apreciables en los calculos de eficiencia de los CC

Bibliografía

• 1. A. P.Baskakov.Termotecnia .Editorial MIR.Moscu.1982

• 2. C.J.Butcherand B.V .Reddy.Second Law analysis of a waste heat recovery based power generation system .2007

• 3. M.J Moran &H.N.Shapiro .Fundamentals of Engineering Thermodynamics .2006

• 4. V.Ganapathy. Industrial boilers and Heat Recovery Steam Generators .2003

Autor:

Ing. Roberto Castillo Rodríguez

Tutor: Dr. Ángel Tapanez Ramírez

UMCC ,Matnzas

Maestría Termo energética