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: picon@quijote.ugto.mx) (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., Consider Trigeneration Techniques for Process Plants, Hydrocarbon processing: 91-100 (1997).[Links]

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Linnhoff, B., Townsend, D.W., Boland, D., Hewitt, D.F., Thomas, B.E.A., Guy, A.R. y Marsland, R.H., User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, Institution of Chemical Engineers. IchemE, Rugby-UK (1982).[Links]

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