Nº 46792 IngenIería QuímIca

CCcIclos combInados

Y. López Hervis, L. Montes de Oca, Y. Díaz Reyes, A. Tápanez y F. J. DomínguezFacultad de Ingenierías Química y mecánica. universidad de matanzas (cuba)

Simulación de un ciclo Rankine Estudio del ciclo de vapor de una planta de ciclo combinado

El análisis de procesos asistido por ordenador constituye una herramienta para la cuantificación de costes, beneficios y riesgos en la generación de potencia. El objetivo fundamental del trabajo realizado y recogido en el presente artículo ha sido desarrollar el modelo de un ciclo de Rankine usando el simulador de procesos HYSYS, aunque no sea un software específico para la simulación de ciclos de potencia, y aplicarlo, como caso de estudio, a una planta de ciclo combinado.

A pesAr de lA emergenciA de nuevas fuentes de energía, como el gas natural y las renovables no hidráu-licas, gran parte de la producción de energía eléctrica se basa en los combustibles fósiles que podemos llamar convencionales y en concreto en el gas natural.

el término cogeneración apareció por primera vez en europa a finales de la década de los 80’s y en estados Unidos en los inicios del siglo XX. por defini-ción, la cogeneración es la generación y utilización de energía in situ de diferentes formas simultáneamente, mediante la utilización de la energía del combustible con óptima eficiencia, coste efectivo y ambientalmen-te responsable [5].

los sistemas de cogeneración son de muchos tipos y casi todos generan fundamentalmente electricidad, haciendo un mejor uso práctico del calor.

los sistemas de cogeneración más usados en las plantas de procesos químicos son los basados en las turbinas de vapor, las turbinas de gas o la configura-ción que combina las turbinas de gas y vapor. estas configuraciones son ampliamente aceptadas por las industrias debido a su histórica fiabilidad y su fácil disponibilidad comercial.

sImulacIón de un cIclo rankIne

IngenIería QuímIca 93Febrero 2009

Todas las configuraciones de los sistemas de coge-neración están basadas en la primera y segunda ley de la termodinámica.

1cIclo rankIne y su sImulacIón

1.1Sistemas de cogeneración basados en turbinas de vapor, ciclo Rankine [5, 6]en las centrales clásicas, la energía de la combustión se transfiere a un circuito cerrado agua-vapor, en el que la temperatura superior del ciclo corresponde a la tempe-ratura del vapor sobrecalentado a la entrada de la turbi-na (500 – 600ºc), y la temperatura inferior viene dada por la temperatura ambiente del agua de refrigeración empleada en el condensador. los rendimientos netos actuales son del 30 - 40%, con un limitado potencial de mejora, que se basa en el desarrollo de materiales especiales que soporten condiciones más extremas del vapor. estos sistemas trabajan sobre el principio del ci-clo rankine. en este ciclo, el combustible es primera-mente quemado en una caldera que genera vapor a alta presión con determinados parámetros.

el vapor así producido es expandido en una turbi-na de vapor para producir potencia mecánica, electrici-dad y vapor de baja presión. la turbina de vapor puede ser de contrapresión, con extracción de condensado y con extracción a contrapresión, dependiendo de los diferentes parámetros a los que se requiera el vapor en un proceso químico en particular. las máximas pér-didas de calor ocurren por el rechazo de calor en el condensador de vapor. Algunas mejoras en la eficiencia pueden ser obtenidas a través de una turbina de vapor con extracción de condensado en lugar de una de con-densación directa. el vapor así extraído puede ser apro-vechado en otras etapas del proceso o para calentar el agua de alimentación al generador de vapor.

1.2Diseño y evaluación de procesos asistido por ordenador [2]Una manera de mejorar la eficiencia de la generación es la evaluación y optimización del sistema mediante herramientas de análisis de procesos. estas herramien-tas son utilizadas para evaluar factores como el ren-dimiento de la planta, las emisiones al ambiente y la adaptabilidad del sistema al control automático. el aná-lisis de procesos asistido por ordenador proporciona una herramienta ideal para la cuantificación de costes, beneficios y riesgos en la generación de potencia.

los simuladores de procesos actualmente, con el avance de la tecnología y la informática, son - significa-tivamente - más potentes y “amigables” y están disponi-bles a nivel de ordenadores personales. este desarrollo ha resultado en una más amplia aplicación de estas herramientas para dar respuestas y evaluar el funciona-miento en circunstancias que no habrían sido posibles analizar veinte años atrás.

el simulador de procesos químicos HYsYs (Aspen Technology plus inc.) proporciona al ingeniero de procesos la modelación integrada en estado estaciona-rio (e.e.) y dinámico a través del uso de la interfase

gráfica. Además, está preparado especialmente para la industria del petróleo, puede ser usado para simular al-gunos sistemas de generación de potencia con bastante exactitud. HYsYs ofrece una optimización multivaria-ble para el diseño de procesos, modelación dinámica integrada para desarrollo de estrategias de control e interfase con sistemas de control digital. el objetivo fundamental del trabajo ha sido desarrollar un modelo riguroso de un ciclo de vapor en estado estacionario, usando HYsYs [2,4].

2materIales y métodospara la simulación con HYsYs, el proceso se puede re-presentar como una colección de módulos en los que las ecuaciones (y otra información) que representan cada subsistema o equipo se reúnen y codifican de modo que el módulo pueda usarse aislado del resto del diagrama de flujo y, por tanto, pueda pasarse de un diagrama de flujo a otro o usarse más de una vez en un mismo diagrama.

2.1Módulos y ecuaciones para la simulación con HYSYSUn ciclo de vapor está compuesto por varios módulos, los cuales son [1, 3]:

- eXpAnder (turbina de vapor)- HeAT eXcHAnger (condensador)- pUmp (bombas de agua de alimentación y de con-

densado)- sepArATOr (desaireador)- HeATer/cOOler (generadores de vapor de re-

cuperación de calor)- VAlVe (válvulas)- miXer (cabezal de vapor)- Tee (divisores y extracciones)

• Módulo EXPANDER (Módulos 1 y 3)la operación eXpAnder se utiliza para disminuir

la presión de una corriente gaseosa, convirtiendo la energía interna del gas en energía cinética y, finalmen-te, en trabajo. el eXpAnder calculará las propiedades de cada corriente y la eficiencia de la expansión [3].

el cálculo de las eficiencias en un eXpAnder se realiza de la siguiente manera:

El simulador dE procEsos químicos HYsYs puEdE sEr usado para simular algunos sistEmas dE gEnEración dE potEncia con bastantE Exactitud

CiCLOS COMbinADOS

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donde:

• Módulo HEAT EXCHANGER (Módulo 5)el módulo HeAT eXcHAnger representa los cál-

culos de balance de materia y energía de ambos lados del condensador. este módulo es muy flexible y puede ser resuelto por temperaturas, presiones, flujos de ca-lor (incluyendo el calor perdido y las fugas), los flujos de materiales del equipo o el producto UA.

Al escoger el modelo HeAT eXcHAnger para el análisis, se puede seleccionar para el diseño el modelo end point, un modelo ideal en contracorriente, Weig-hted, un método de evaluación en estado estacionario (ee) y un método de evaluación en estado dinámico (ed) para la simulación [3].

los cálculos están basados en los balances de ener-gía de los fluidos caliente y frío:

donde:

F – Flujo másico, kg/s.H – entalpía, kJ/kg.Qleak – calor de escape, kW.Qloss – calor perdido, kW.

los subíndices cold y hot designan a los fluidos fríos y calientes, así como in y out se refieren a las condicio-nes en la entrada y en la salida, respectivamente.

el calor involucrado en el proceso se define a partir de la ecuación de diseño de estos equipos en función del coeficiente global (U) y la diferencia media logarít-mica de temperaturas (lmTd):

donde:

Q: calor transferido, kW.Ud: coeficiente global de transferencia de calor,

kW/m2ºc.

A: Área de transferencia de calor, m2.lmTd: diferencia media logarítmica de tempera-

turas, ºc.

• Modelo de diseño "weighted"este modelo de diseño es excelente para modelar

problemas con curvas de flujo de calor no linear, tales como el cambio de fase de componentes puros por uno o ambos lados del intercambiador de calor. con el mo-delo weighted, las curvas de flujo de calor son divididas en intervalos y se desarrollan balances de energía para cada uno, sumando el producto UA de cada intervalo para determinar el global del intercambiador [41].

este modelo está disponible solo para intercambia-dores con flujo en contracorriente.

• Módulo PUMP (Módulos 6, 10, 11 y 12)el módulo pUmp es usado para incrementar la pre-

sión de una corriente líquida. en función de la informa-ción recibida, el módulo calculará la presión desconocida, la temperatura o la eficiencia de la bomba [3]. cuando se selecciona la opción On pump switch, se debe especi-ficar la elevación de la presión o especificar la presión de entrada y salida de las corrientes. si se conoce el delta p, este valor es ignorado por el simulador de procesos.

los cálculos se basan en la ecuación de potencia de una bomba estándar usando la elevación de la presión, el flujo de líquido y la densidad de la sustancia:

donde:

F: flujo de líquido, kg/sη: densidad del líquido, kg/m3

nótese que la ecuación define la potencia ideal ne-cesaria para elevar la presión de entrada del líquido. la potencia real requerida se define a partir de la eficien-cia de la bomba:

donde:

η: eficacia de la bomba, %

combinando las dos ecuaciones, el cálculo de la po-tencia real requerida para pUmp quedará:

si la alimentación está completamente definida, se necesitarán sólo dos variables para calcular todos los parámetros desconocidos:

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- presión de salida o caída de presión- eficiencia- potencia de la bomba

los parámetros aplicables al módulo pUmp son la eficacia adiabática, la elevación de la presión y la potencia de la bomba. si se especifican las presiones de las corrientes de entrada y salida, el simulador de procesos calculará la elevación de la presión y, si se le introduce ésta, calculará la presión de salida.

• Módulo SEPARATOR (Módulo 8)el módulo sepArATOr / TAnK es básicamente

un tanque flash. la presión a la cual se realiza el flash es la menor presión de la alimentación menos la caí-da de presión a través del equipo [3]. el sepArATOr puede usar una corriente conocida para calcular las propiedades de las corrientes de salida. los paráme-tros a especificar son:

- la composición de un producto- la temperatura o la presión de una corriente

de salida

• Módulo COOLER/HEATER (Módulos 13, 14, 15, 16, 17 y 18)

los módulos cOOler/HeATer son intercam-biadores de calor de un solo lado. la corriente de entrada es enfriada (o calentada) hasta las condi-ciones de salida requeridas y la corriente de energía proporciona la diferencia de entalpía entre las dos corrientes. estos módulos son muy útiles cuando só-lo interesa conocer cuánta energía se necesita para enfriar o calentar una corriente de proceso con una utilidad, desconociendo las condiciones de dicha uti-lidad [3].

los módulos cOOler y HeATer usan las mis-mas ecuaciones básicas; la diferencia fundamental es el signo convencional para el flujo de energía. si se especifica el flujo de energía absoluto de la utilidad, el simulador de procesos los aplicará a cada módulo como sigue:

- para un cOOler, la entalpía o el flujo de ca-lor de la corriente de energía será sustraído de la co-rriente de entrada.

- para un HeATer, el flujo de calor de la corrien-te de energía será añadido.

• Módulo MIXER (Módulo 19)este módulo realiza un balance completo de ma-

teria y energía en el punto mezcla. si se conocen las propiedades de las corrientes de entrada (tempera-tura, presión, flujo y composición), las propiedades de la corriente de salida serán calculadas automática-mente de forma rigurosa.

• Módulo TEE (Módulos 2 y 9)esta operación de división separa una corriente

de alimentación en múltiples corrientes de producto con las mismas condiciones y composición que la co-rriente de entrada, y es usada para simular T en tube-rías y tubos múltiples. el único parámetro requerido para su simulación es la fracción de separación o los flujos de cada corriente de salida.

• Módulo VALVE (Módulos 4, 7 y 20)esta operación realiza un balance de materiales y

energía entre las corrientes de entrada y salida del mó-dulo VAlVe. para el cálculo se asume que la operación es isentálpica.

las siguientes variables pueden ser especificadas por el usuario para esta operación. para el cálculo del módulo se requieren solo tres de ellas:

- Temperatura de entrada- presión de entrada- Temperatura de salida- presión de salida- caída de presión

• Módulo RECYCLE como la salida del cabezal de vapor (módulo 19)

es la entrada de la turbina (módulo 1), será necesario utilizar el módulo recYcle, el cual es una operación lógica que realiza las iteraciones hasta alcanzar la con-vergencia del sistema.

el módulo instala un bloque teórico en la corriente del proceso. las condiciones de la corriente pueden ser transferidas hacia delante o hacia atrás; en términos de solución, hay valores asumidos (s1) y valores calculados (s29) para cada variable en la corriente de entrada y salida de este módulo. el simulador de procesos emplea un método de aproximaciones sucesivas para alcanzar la convergencia del sistema con la tolerancia especificada.

2.2Descripción del caso de estudiose realizó el estudio del ciclo de vapor de una plan-ta de generación de potencia con ciclo combinado. A la turbina de vapor instalada llegan 270 t/h de vapor sobrecalentado a 519 ºc y 80 bar de presión absoluta, proveniente de los tres Hrsg. en la misma, el vapor se expande hasta 0,112 bar y 48,1 ºc. los gases de escape de la Turbina de Vapor se condensan con 4295 kg/h de agua de mar a 35,5 ºc que se calienta hasta 44 ºc. la bomba de condensado lleva éste hasta un tanque de desaireación que opera a vacío (0.6 bar). la desai-reación se realiza a expensas de una extracción en la etapa 15 de la turbina que sale a 2,03 bar y 120,8 ºc. A la salida del desaireador se encuentran tres bombas de agua de alimentación (70 ºc y 116 bar) a los Hrsg. el vapor sobrecalentado en los Hrsg se produce a 522 ºc y 86 bar, de la quema adicional de 2.000 nm3 del gas de escape de las turbinas de gas. las pérdidas de pre-sión desde los Hrsg a la turbina de vapor garantizan los parámetros de entrada en la misma.

el gas rechazado en los generadores de vapor de re-cuperación de calor (149 ºc) es enviado a la atmósfera.

los parámEtros aplicablEs al módulo pump son la Eficacia adiabática, la ElEvación dE la prEsión Y la potEncia dE la bomba

sImulacIón de un cIclo rankIne

IngenIería QuímIca 97Febrero 2009

en la Figura 1 se muestra el diagrama de flujo del ciclo de vapor presentado como caso de estudio.

2.3Diagrama de flujo de información (DFI) [3] la elaboración de un diagrama de flujo de informa-ción no es más que un diagrama donde los flujos de masa o energía del proceso son equivalentes a flujos de información (valores numéricos de las variables de las corrientes y parámetros necesarios para definir los módulos), y los equipos del proceso equivalentes a mo-dificaciones de la información que fluye entre ellos [4]. los datos necesarios para definir una corriente de pro-ceso son: flujo, composición, temperatura y presión, y, en los equipos, los parámetros de diseño característi-cos. el dFi del ciclo de vapor caso de estudio se mues-tra en la Figura 2.

como resultado de la simulación del ciclo de vapor, se conocen los balances de masa y energía en cada mó-dulo componente del ciclo, por lo que se cuenta con los datos necesarios para realizar la evaluación energé-tica de la misma.

Haciendo uso del módulo de cálculo spreAds-HeeT (HOJA de cÁlcUlO), es posible realizar los cálculos necesarios sin necesidad de utilizar otro soft-ware. esto es muy ventajoso, pues al realizar cualquier

Figura 1 diagrama de flujo del ciclo de vapor del caso de estudio

Figura 2 diagrama de flujo de información del ciclo de vapor en HYsYs.

CiCLOS COMbinADOS

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los parámetros de operación reales obtenidos en la plan-ta se muestran a continuación en la Tabla 2.

la Tabla 3 muestra la comparación entre los resulta-dos obtenidos por el modelo y los parámetros de opera-ción reales.

como se observa, el comportamiento del modelo an-te la operación con parámetros reales, de igual manera que los resultados obtenidos en la evaluación del modelo para los parámetros de diseño, no muestra errores signi-ficativos; siendo, en este caso, el mayor error obtenido el cálculo de la potencia entregada por el ciclo, aunque éste no sobrepasa el 3%.

lo demostrado hasta aquí confirma que el modelo puede ser utilizado para la toma de decisiones y el con-trol operacional del ciclo de vapor caso de estudio.

modificación al sistema (sea flujos, temperaturas, pre-siones, composiciones, etc.) quedará calculada la nue-va variante.

el módulo spreAdsHeeT es utilizado en este caso de estudio para calcular la eficiencia térmica del ciclo según la ecuación:

donde:

ηciclO – eficiencia térmica del ciclo de vapor, %W – potencia generada por el ciclo, kWFVApOr – Flujo de vapor sobrecalentado, kg/sHVApOr – entalpía del vapor sobrecalentado, kJ/kgHAA – entalpía del agua de alimentación, kJ/kg

3resultados y dIscusIón

3.1Validación del modelo de simulaciónA partir de los resultados obtenidos mediante la simula-ción, se realiza un análisis comparativo entre éstos y los parámetros de diseño del ciclo de vapor caso de estudio. como criterio de comparación se toma el error relativo entre los resultados de la simulación y las condiciones de diseño. esto permitirá definir la fiabilidad del modelo pa-ra predecir y estudiar la operación del ciclo de vapor.

en la Tabla 1 se muestra la comparación entre los re-sultados obtenidos al analizar varios parámetros que son determinantes en la operación eficiente del ciclo en cues-tión y las condiciones de operación estándar.

en la Tabla 1 se aprecia que los errores que se come-ten al reproducir la operación del ciclo de vapor caso de estudio en las condiciones estándar no sobrepasan el 1%, lo cual confirma que el modelo puede ser utilizado para el control operacional del ciclo de vapor.

Basado en esto, fue validado el modelo con paráme-tros de operación reales obtenidos en el ciclo estudiado.

tabla 1

aNálisis comparativo ENtrE los parámEtros dE opEracióN EstáNdar y los parámEtros obtENidos por El modElo

Variables Diseño HYSYS Error(%)

temperatura del vapor vivo (ºc) 519 519,3 0,06

potencia nominal (kW) 81.950 82.003 0,07

temperatura del vapor de 48,1 48,07 0,06escape (ºc)

temperatura del vapor en la 120,8 121,0 0,16extracción (ºc)

temperatura de salida del agua 44 44,1 0,27de enfriamiento (ºc)

tabla 2

parámEtros dE opEracióN rEalEs

Cargadeoperaciónreal

Parámetros Real

flujo de vapor vivo kg/s 67,8

presión de vapor vivo bar 76

temperatura del vapor vivo ºc 508

potencia nominal kW 66.800

presión del vapor de escape bar 0,11

temperatura del vapor de escape ºc 47,5

flujo agua de enfriamiento kg/s 4.500

temperatura entrada agua enfriamiento ºc 38

temperatura salida agua enfriamiento ºc 45,7

presión de la extracción bar 0,94

flujo de la extracción kg/s 2,5

presión del desaireador bar 0,4

flujo de gas a Hrsg kg/s 135,7

temperatura gas a Hrsg después de quemadores. ºc 635,9

presión gas a Hrsg después de quemadores. kPa 103,3

temperatura gas salida de Hrsg. ºc 159,53

tabla 3

aNálisis comparativo ENtrE los parámEtros dE opEracióN rEalEs y los parámEtros obtENidos por El modElo

Variables Diseño HYSYS Error(%)

temperatura del vapor vivo (ºc) 508 508.5 0,10

potencia nominal (kW) 66.800 68.653 2,77

temperatura del vapor escape (ºc) 47,5 47,7 0,44

temperatura del vapor en la 98 98 0extracción (ºc)

temperatura de salida del agua 45,7 45,7 0,11de enfriamiento (ºc)

sImulacIón de un cIclo rankIne

3.2Análisis energético del ciclo de vaporUna vez realizados los balances de masa y energía pa-ra las condiciones de diseño y operación del ciclo de vapor, se puede determinar la eficiencia térmica del ci-clo. los resultados de la eficiencia térmica del ciclo de vapor para las condiciones de diseño y para los paráme-tros de operación reales se muestran en la Tabla 4.

en la Tabla 4 se puede observar que, para las con-diciones de operación estándar, la eficiencia térmica se encuentra entre el rango dado por la literatura espe-cializada (30 – 40%). no obstante, para las condiciones de operación reales obtenidas en la planta corresponde una eficiencia térmica inferior a las condiciones de di-seño, pues los parámetros de operación reales del ciclo están por debajo de estas condiciones de diseño. lo que demuestra que la planta no está trabajando de acuerdo a toda la capacidad instalada y/o no pueden lograrse los parámetros para los que fue diseñado el ciclo de vapor.

4conclusIones

1. el modelo obtenido por el simulador de procesos reproduce la operación, para las condiciones estándar, con errores menores al 1%.

2. con la validación del modelo obtenido para los parámetros reales de operación del ciclo de vapor, se de-terminó que el modelo es capaz de garantizar el control operacional del ciclo de vapor caso de estudio y es posible utilizarlo para la toma de decisiones sobre cambios en los parámetros del mismo, pues se obtuvo en la totalidad de las variables estudiadas errores menores al 3%.

3. el cálculo de la eficiencia térmica del ciclo de vapor para las condiciones reales de operación dio como resulta-do un 32,5%, que se encuentra dos puntos porcentuales por debajo de la eficiencia térmica para las condiciones de operación estándar, donde el resultado fue del 34,9 %.

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tabla 4

EFiciENcia térmica dEl ciclo dE vapor para los parámEtros dE disEño y opEracióN

1 Real ηciclo (%) 34,89 32,50

marque 36