Optimizacion de sistemas de energiaBy andresmillan01 | Studymode.comOPTIMIZACION DE SISTEMAS DE ENERGIAMODELO DE OPTIMIZACION INCLUYENDO UN SISTEMA DE COGENERACION CON TURBINA DE GAS

La alta rentabilidad de la cogeneracin es una idea muy extendida. La cuantificacin de esta rentabilidad y el establecimiento de los parmetros que optimizan la operacin de un sistema de vapor que est dotado de una cogeneracin, son el objeto de un modelo matemtico cuya metodologa y bases se incluyen en este artculo.

1. INTRODUCCIONLa tendencia actual es cubrir las necesidades de energa elctrica y vapor de una planta qumica o petroqumica mediante sistemas de energa formados por ciclos de cogeneracin. La tecnologa de la cogeneracin termoelctrica se basa en el concepto de obtencin y aprovechamiento simultneos de energa elctrica y trmica a partir de un combustible. La electricidad producida puede ser consumida en el mismo mbito de operacin de la instalacin, o bien puede ser enviada a la red general de distribucin. La energa trmica se aprovecha mediante un sistema de recuperacin de calor para dar servicio a los consumidores trmicos. Cuando stos precisan una demanda superior a la aportada por los gases de escape de la mquina de accionamiento, entra en funcionamiento el sistema de postcombustin. De esta manera, se satisfacen las necesidades de los consumidores y, adems, se consigue una cierta autonoma trmica y elctrica (en caso de avera de la mquina de accionamiento, la demanda de elec-

tricidad se puedeobtener de la red general y la demanda de energa trmica mediante la fuente de calor adicional). Esta autonoma es un argumento decisivo para procesos industriales sensibles a paradas, ya que permite garantizar la continuidad del suministro. Los ciclos de cogeneracin forman parte del sistema de vapor de las plantas de proceso. Dicho sistema incluye la generacin y red de distribucin de vapor con la finalidad de obtener energa elctrica y/o mecnica y, a su vez, satisfacer las necesidades de vapor de la planta (como medio calefactor o para consumo directo del proceso). En el presente trabajo se analiza un sistema convencional de produccin y distribucin de vapor de una planta qumica obtenido de Miquel y Castells [5]. Posteriormente se estudian las consecuencias de la sustitucin de la caldera convencional por un ciclo de cogeneracin constituido por una turbina de gas y una caldera de recuperacin de calor (el esquema se presenta en la figura 1). El objetivo del trabajo es optimizar las condiciones de funcionamiento, as como evaluar la mejora en el coste de165

F. FERNANDEZ-NORTE, J. C. BRUNO y F. CASTELLSDpto. de Ingeniera Qumica, E.T.S. de Ingeniera Qumica de Tarragona

E. MARIMONAiscondel, S.A.INGENIERIA QUIMICA - MAYO 1996

Fig. 1. Esquema de la planta de servicios

operacin y la repercusin sobre las prestaciones de la planta, que supone la introduccin del sistema de cogeneracin. Con el modelo desarrollado es posible optimizarun sistema de energa (planta de cogeneracin ms red de vapor correspondiente) formado por los siguientes equipos: (a) Turbina de gas. (b) Caldera de recuperacin de calor con/sin postcombustin. (c) Sistema de vapor: - Colectores: Vapor a diferentes niveles de presin. Condensado. Agua desmineralizada. Agua de calderas. - Calderas auxiliares. - Calderas de recuperacin de calor de proceso. - Turbinas de vapor (contrapresin y/o condensacin).166

- Consumidores de vapor. - Condensadores de vapor. - Vlvulas reductoras. - Desgasificadores. - Posibilidad de exportar y/o importar vapor. En los datos de entrada del programa se especifica la topologa de la instalacin y las diferentes caractersticas y parmetros de los equipos que la forman. El programa se estructura en mdulos, cada uno de ellos genera automticamente los balances de materia y energa de cada equipo. En una primera fase se realiza la simulacin de la planta, que permite reproducir con fiabilidad las condiciones operatorias de partida para, seguidamente, iniciar la fase de optimizacin. Como resultado se obtienen las caractersticas completas de todas las corrientes del sistema de cogeneracin y de la red de vapor. El criterio de optimizacin utilizado es una funcin objetivo econ-

mica basada en la minimizacin de los costes de operacin del propio sistema. La utilidad principal del modelo consiste en su capacidad de anlisis de un sistema de energa existente, con el propsitode determinar la estructura y las condiciones ptimas de funcionamiento. Su flexibilidad estriba en que puede optimizarse cualquier tipo de sistema de generacin de energa de forma automtica.

2. ESTRATEGIA DE OPTIMIZACIONLas caractersticas ms destacables que presenta el problema de optimizacin son la no linealidad (en la funcin objetivo y en las ecuaciones de balances de energa) y la presencia de variables enteras y reales. El modelo sigue una estrategia de solucin secuencial en tres niveles de optimizacin en funcin de losINGENIERIA QUIMICA - MAYO 1996

parmetros que se deseen optimizar [6], eligindose en cada caso un algoritmo de optimizacin especfico: (a) Optimizacin de caudales y entalpas de los flujos del sistema aplicando una tcnica sucesiva de programacin lineal (SLP). (b) Optimizacin de variables enteras (opciones turbina de vapor/motor elctrico y caldera en funcionamiento/parada), mediante la aplicacin de un algoritmo tipo branch and bound. (c) Optimizacin de la presin de operacin de los colectores de vapor aplicando el algoritmo complex de box. Como se ha comentado previamente, el objetivo de este estudio es analizar el impacto producido en la planta al sustituir la caldera convencional por un ciclo de cogeneracin. Por lo tanto, se mantendr la topologa de la red de vapor intacta y slo ser necesario aplicar el primer nivel de optimizacin. 2.1. OPTIMIZACION DE CAUDALES Y ENTALPIAS Para abordar esta fase de laoptimizacin nos basamos en la metodologa propuesta en Clark y Helmick [2]. Para cada corriente de la red de vapor se consideran como variables el caudal y la entalpa, plantendose las ecuaciones correspondientes de los balances de materia y energa. Las nicas fuentes de no linealidad se localizan en la funcin objetivo y en los balances de energa. La linealizacin de estos trminos se realiza mediante un desarrollo en serie de Taylor de primer orden. De esta forma, se obtiene un modelo de optimizacin linealizado del sistema de produccin de energa que consiste en: (a) Funcin objetivo. Constituida por los costes de funcionamiento del sistema (costes del combustible, agua desmineralizada y agua de refrigeracin) y por los benefiINGENIERIA QUIMICA - MAYO 1996

Tabla I Datos de la turbina de gas utilizada

COMPRESOR:Temperatura del aire de entrada: Presin del aire de entrada: Caudal de aire: Temperatura del aire de salida: Presin del aire de salida: 15C 101 kPa 43,75 kg/s 487C 2.227 kPa

cios obtenidos de la electricidad exportada a la red. No se incluye la amortizacin de los equipos. (b) Ecuaciones de restriccin igualdad. Correspondientes a los balances linealizados de materia y energa de todas las corrientes de la red. (c) Ecuaciones de restriccin desigualdad. Lmites superior e inferior de las variables del sistema. El sistema de ecuaciones planteado se resuelve aplicando el mtodo de aproximaciones lineales sucesivas propuesto en Clark yHelmick [2] y Himmelblau [3]. Dicha tcnica es til en este modelo al ser el problema dbilmente lineal y porque en muchos casos puede obtenerse una buena estimacin inicial de la solucin. Los diferentes problemas de programacin lineal planteados se resuelven por el mtodo simplex dual [4].

CAMARA

DE COMBUSTION,

CC:~ 1.200C 3.450 Nm3/h 0,017 2.033 kPa

Temperatura de salida: Caudal de gas natural: F: Presin de salida:

TURBINA:Temperatura de salida: Presin de salida: Potencia elctrica generada: 494C 102 kPa 12.878 kW

Tabla II Datos reales de operacin de la turbina de gas Temperatura ambiente (C) 15 20 30 Potencia generada (kW) 12.878 12.206 10.793 Temp. salida turbina (C) 494 500 513

3. SIMULACION DE LA TURBINA DE GASLa inclusin del mdulo de turbina de gas en el programa de optimizacin requie-

Tabla III Resultados de la simulacin de la turbina de gas Temperatura ambiente (C) Caudal de aire (kg/s) F (kg combustible/kg aire) Presin CC (kPa) Temp. salida compresor (C) Temp. salida CC (C) Temp. salida turbina (C) Rend. isoentrpico compresor (%) Rend. isoentrpico turbina (%) Rend. mecnico (%) Potencia elctrica (kW) Trabajo de compresin (kW) 12.867 21.610 2.000 487 1.148 494 83,00 88,80 1.940 495 1.153 503 82,70 88,75 98,00 12.200 21.069 11.514 20.385 10.789 19.817 167 15 43,75 20 42,28 0,017 1.870 501 1.156 511 82,50 88,70 1.820 509 1.161 519 82,00 88,60 25 40,71 30 39,08

Tabla IV Datos para la optimizacin de lared de vaporCOLECTORESDE VAPOR:

Presin (kPa):` Temperatura min/max (K):

Alta 5.500 543(*)/698

Media 2.060 487(*)/598

Baja 590 433(*)/493

metros de operacin de la turbina de gas que se utilizarn, posteriormente, en la optimizacin. Las hiptesis y el modelo matemtico utilizados en este mdulo se encuentran en Bruno [1]. A una temperatura ambiental de 15C, los datos disponibles de la turbina de gas en operacin son los recogidos en la Tabla I: Para otras temperaturas, diferentes a la de operacin nominal (15C), se dispone de los datos presentados en la Tabla II. Estos datos se utilizan para obtener los parmetros de operacin de la turbina de gas (trabajos de compresin, presiones, rendimientos, etc.) en funcin de la temperatura ambiental y posteriormente se emplean en la optimizacin de la red de vapor. Dichos parmetros se presentan en la Tabla III.

COLECTOR

DE CONDENSADO:

Presin (kPa): 250

Temperatura mn (K): 323

COLECTOR

DE AGUA DE CALDERAS:

Presin (kPa): 200

Temperatura mn (K): 393

LINEA

DE AGUA DESMINERALIZADA:

Presin (kPa): 250

Temperatura mn/mx (K): 293/303

TURBINAS

DE VAPOR:

Tipo (**): Potencia requerida (kW): Rendimiento isoentrpico (%): Presin condensado (kPa): Ttulo min vapor salida:

TV1 CP 700 60 1,0

TV2 CD 1.655 68 14 0,87

TV3 CDE 13.800 82 14 0,87

TV4 CD 6.112 77 14 0,87

TV5 CD 15.480 84 14 0,87

TV6 CP 606 58 1,0

4. RESULTADOS DE LA APLICACIONComo se ha comentado anteriormente, el propsito del trabajo es analizar los efectos de la inclusin de un ciclo de cogeneracin en el sistema de generacin y red de vapor, tal como se muestra en la figura 1. El procedimiento seguido ha consistido en optimizar la planta utilizando una caldera convencional para generar el vapor necesario en la red y, posteriormente, realizar la optimizacin incluyendo un ciclo de cogeneracin (constituido por una turbina de gas y una caldera de recuperacin de calor). En este ltimo caso, la caldera convencional funciona como caldera auxiliar. Los datos de entrada de la red de vapor se muestran en la Tabla IV. En la Tabla V se presentan los datos de entrada correspondientes a la caldera convencional y al ciclo de cogeneracin. Los parmetros de operacin de la turbina de gas dependen acusadamente de la temperatura ambiental, como puede comprobarse en la Tabla III, por lo que es preciso determinar una temperatura para realizar la optimizacin. Se ha escogido para este estudio, a modo de ejemplo, 15C. Temperaturas diferentes no comportan ningn cambio en la metodologa propuesta, simplemente se observan variaciones en la funcin objetivo.INGENIERIA QUIMICA - MAYO 1996

CONSUMIDORES

DE VAPOR:

Caudal de vapor (kg/h): Recuperacin condensado (kg/h): Temperatura condensado (K):

Consumidor 1 77.000 24.255 393

Consumidor 2 26.300 12.466 393

CALDERA

DE RECUPERACION DE CALOR DE PROCESO:

Presin vapor saturadoproducido (kPa): 5.690

Calor intercambiado (kW): 17.433

DESGASIFICADOR:Presin absoluta mn/mx (kPa): 200/300 Relacin de venteo: 0,0013

(*) Temperatura de saturacin. (**) CP: Contrapresin. CD: Condensacin. CDE: Condensacin con extracciones.

re la especificacin de una serie de parmetros y caractersticas de operacin (rendimientos, prdidas de carga, relacin msica combustible/aire F, etc.), que se pueden obtener mediante correlaciones en la informacin facilitada por los fabricantes de los equipos o mediante el ajuste de los resultados de la simulacin a los datos de operacin de una turbina de gas en funcionamiento. En algunos estudios se ha elegido la primera opcin (Mahanty y Paloso [7] y Seyedan [8]). En el presente trabajo se ha optado por el ajuste a una turbina de gas en operacin de 12 MW de la plan168

ta de Aiscondel S.A. (Tarragona). La eleccin se ha realizado teniendo en cuenta que turbinas de prestaciones similares a sta son las que normalmente se requieren para satisfacer la demanda de energa elctrica en empresas petroqumicas de tamao medio. Para determinar las caractersticas de operacin de la turbina de gas se utiliza el programa en su fase inicial de simulacin en la que se obtiene una primera solucin de la planta, correspondiente a las prestaciones de sta sin optimizar. De esta solucin se ajustan los par-

Al tratarse de una optimizacin basada en un criterio econmico, se obtiene como resultado la operacinde la planta que satisface todas las demandas de calor y electricidad al mnimo coste. En la Tabla VI se presentan los precios de los servicios que se consumen o que se exportan (caso de la electricidad) y los consumos totales de los mismos en la planta una vez optimizada e incluyendo el sistema de cogeneracin. El precio del gas natural y de la electricidad se ha establecido de acuerdo con la legislacin vigente [9-12). El coste de operacin de la planta de servicios se reduce en ms de un 36% con la inclusin del sistema de cogeneracin, como consecuencia de la ventaja que supone generar electricidad en la propia planta (coste con el sistema convencional 720.344 pta/h, coste con el sistema de cogeneracin 457.530 pta/h). En la Tabla VII se muestran las caractersticas de todas las corrientes de la instalacin (sistema de cogeneracin y red de vapor). La demanda elctrica se cubre totalmente con un generador acoplado a la turbina de gas. El contenido energtico de los gases de salida de dicha turbina resultan insuficientes para generar el vapor necesario para atender a la demanda de vapor de las plantas de proceso. A consecuencia de ello, tal como se observa en la Tabla VI, es necesario el uso de la postcombustin cuando la planta se encuentra a pleno rendimiento. En esta instalacin, el consumo de energa trmica es cuantitativamente superior al consumo elctrico. Al no haberse modificado la demanda trmica de las plantas de proceso (representadas por losconsumidores de vapor n 1 y 2), la produccin de vapor no se altera, ni en lo que respecta a caudales ni a contenido energtico, con la inclusin del sistema de cogeneracin. La optimizacin de la planta proINGENIERIA QUIMICA - MAYO 1996

Tabla V Datos del ciclo de cogeneracin y de la caldera convencional

TURBINA

DE GAS:

voca la parada de la caldera convencional, al ser ms eficiente la produccin de vapor en la caldera de recuperacin del sistema de cogeneracin.101 60 2.227 97 200.000 3.500

Presin entrada (kPa) Humedad relativa (%) Presin cmara combustin (kPa) Rendimiento cmara combustin (%) Caudal mximo de aire (kg/h) Caudal mximo combustible (kg/h) Relacin msica mn/mx Poder calorfico combustible (kJ/kg) Presin salida (kPa) Temperatura de gases a atmsfera (K)

5. DISCUSION DE LOS RESULTADOSSe ha elaborado un programa de clculo que permite optimizar las condiciones de operacin de cualquier sistema de produccin de energa, tpico de una planta de proceso qumico o petroqumico. La metodologa utilizada permite evaluar el impacto producido por la incorporacin de un sistema de cogeneracin a una planta de servicios de una industria. En primer lugar, se determinan los costes de operacin mnimos de la planta con generacin de vapor mediante una caldera convencional e importacin de la energa elctrica necesaria a travs de la red elctrica general. Seguidamente, se introduce un ciclo de cogeneracin formado por una turbina degas y una caldera de recuperacin de calor, calculndose el beneficio econmico obtenido y analizndose cmo se han visto modificadas las prestaciones de la planta. La inclusin del ciclo de cogeneracin supone, desde el punto de vista econmico, un ahorro en el coste de operacin debido al beneficio obtenido con la generacin in situ de la electricidad ne-

0,015/0,017 50.200 102 403/463

CALDERA

DE RECUPERACION:

Temperatura mn/mx vapor alta (K) Presin (kPa) Rendimiento trmico (%) Relacin de purga (%) Poder calorfico combustible (kJ/kg) Presin mn/mx flash (kPa)

543/713 5.500 90 2 50.200 490/690

CALDERA

CONVENCIONAL:

Presin (kPa) Temperatura mn/mx vapor alta (K) Rendimiento trmico (%) Relacin de purga (%) Poder calorfico combustible (kJ/kg) Presin min/max flash (kPa)

5.500 543/713 80 2 40.200 490/690

Tabla VI Consumo y coste de los servicios Precio servicios Gas natural a turbina de gas Gas natural a caldera recuperacin Agua desmineralizada Agua refrigeracin (*) Electricidad 29 pta/kg 29 pta/kg 400 pta/m3 35 pta/m3 11 pts/kWh Consumo 2.680 kg/h 12.850 kg/h 70.563 kg/h 3.364 m3/h 12.867 kW 169

Tabla VII Resultados de la optimizacin de la planta (red de vapor y sistema de cogeneracin) Lnea num. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 44 45 46 47 48 49 50 51 52 Caudal (kg/h) 235.610 214.979 48.108 27.477 0 21.484 205.979 9.000 10.578 16.19448.108 34.498 14.239 0 80.094 0 1.137 5.270 16.194 14.239 0 0 170.891 10.578 34.498 80.094 9.000 10.578 34.498 80.094 0 267.895 313 70.563 27.477 240.418 0 4.808 3.671 157.669 160.350 160.350 173.200 0 0 0 0 0 Presin (kPa) 5.500 5.500 5.500 5.690 ---2.060 2.060 14 2.060 2.060 2.060 2.060 2.060 ---2.060 ---690 590 590 590 ------250 14 14 14 14 14 14 14 ---200 200 250 200 200 ---5.500 690 101 1.866 103 102 ---------------Caudal (m3/h) 222 279 879 1.984 Temperatura (K) 676 659 659 545 ---560 544 326 560 560 631 560 560 ---560 ---437 467 467 469 ------340 326 326 326 326 326 326 326 ---393 393 303 393 393 ---543 437 288 1.401 771 403 ---------------Entalpa (kJ/kg) 3.196 3.153 3.153 2.789 ---2.991 2.952 2.285 2.991 2.991 3.153 2.991 2.991 ---2.991 ---2.759 2.832 2.833 2.837 ------281 2.427 2.352 2.294 220 220 220 220 ---505 2.705 126 505 505 ---1.183 695 15 1.297 540 137 ----------------

cesaria para la planta de proceso. En la instalacin propuesta se ha observado una mejora econmica sustancial, sin que se hayan visto modificadas las caractersticas de la red de vapor. La turbina de gas de 12 MW genera un caudal de gases de salida cuyo contenido energtico, con la planta a pleno rendimiento, es insuficiente para prescindir de la utilizacin en continuo del sistema de postcombustin en la caldera de recuperacin. El rendimiento trmico de la caldera de recuperacin es superior al que proporciona la caldera convencional, con lo cual en el resultado de la optimizacinse obtiene que esta ltima debe pararse. De lo contrario, para generar la misma cantidad de vapor se consumira una

N OMENCLATURABW : Colector de agua de caldera. CC: Cmara de combustin de la turbina de gas. CF1: Caudal de combustible a turbina de gas (kg/h). CF2: Caudal de combustible de postcombustin a caldera (kg/h). CONSi: Consumidor nmero i. COND: Colector de condensados. D: Desgasificador. F: Relacin msica combustible/aire en la turbina de gas. HP: Colector de vapor de alta presin. HRB: Caldera de recuperacin de calor. LP: Colector de vapor de baja presin. MP: Colector de vapor de media presin. TV: Turbina de vapor nmero i. VRi: Vlvula reductora de presin nmero i. WHB: Caldera de recuperacinINGENIERIA QUIMICA - MAYO 1996

Lnea agua de refrg. num. 40 41 42 43 170

Calor eliminado (kW) 5.163 6.475 20.402 46.077

cantidad superior de combustible. El dimensionamiento de un sistema de generacin simultnea de vapor y electricidad est generalmente supeditado a la demanda de energa elctrica. Con la metodologa propuesta se dispone de un instrumento til para determinar el impacto que supone la inclusin de este sistema en una red de vapor existente.

6. BIBLIOGRAFIA[1] Bruno, J.C. Integracin de Sistemas de Refrigeracin por Absorcin en una Planta de Cogeneracin; Trabajo pendiente de publicacin, Universidad Rovira i Virgili (1996). [2] Clark, J.K. y Helmick, N.E. How to Optimize the Design of Steam Systems; ChemicalEngineering, 87, pg. 116-128 (1980). [3] Himmelblau, D.M. Applied Non-linear Programming, McGraw-Hill, New York (1972). [4] Kuester, J.L. y Mize, J.H. Optimization Techniques with Fortran, McGraw-Hill, New York (1973). [5] Miquel, J. y Castells, F. Optimizacin de la Operacin de Sistemas de Generacin de Vapor y Potencia; I Congreso de Mtodos Numricos en Ingeniera, SEMNI (1990). [6] Miquel, J. Aplicaci dAlgoritmes dOptimitzaci a Xarxes de Vapor de Plantes de Procs, Tesis Doctoral, Tarragona (1991). [7] Mohanty, B. y Paloso, G. Enhancing Gas Turbine Performance by Intake Air Cooling Using an Absorption Chiller; Heat Recovery Systems & CHP, 15, pg. 4150 (1995). [8] Seyedan, B. Computer Simulation of a Combined Cycle Power Plant; Heat Recovery Systems & CHP, 15, pg. 619-630 (1995). [9] Orden del Ministerio de Industria y Energa del 13 de mayo de 1994, por la cual se modifica la estructura de tarifas y precios del gas natural para usos industriales. BOE n 127 del 28 de mayo (1994). [10] Orden de Tarifas vigentes para 1995 publicada en el BOE n 12 del 14 de enero (1995). [11] Real Decreto 2366/1994 sobre produccin de energa elctrica publicado en el BOE n 313 del 31 de diciembre (1994). [12] Resolucin del 28 de junio de 1995, de la Direccin General de Energa, por la que se establecen los nuevos precios mximos de venta de gas natural para usos industriales. BOE n 155 del 30 de junio (1995).

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