Análisis energético, exergético y ambiental de un sistema de cogeneración en la configuración de turbina a gas, caldera de recuperación y turbina a vapor

Abstract

La cogeneración es una de las alternativas más significativas para lograr una disminución en las emisiones de dióxido de carbono al medio ambiente, mientras se obtienen mejores resultados en materia energética y exergética en las plantas de generación de energía. Esto se logra gracias a la recuperación de los gases de escape de la turbina de gas, para posteriormente utilizarlos como calor de proceso en distintos componentes dentro de la planta, debido a que poseen alta eficiencia térmica. En el presente trabajo de investigación, se realiza un análisis energético, exergético y ambiental sobre un sistema de cogeneración en la configuración de turbina a gas, caldera de recuperación y turbina a vapor a partir de un modelo matemático realizado en PYTHON con el fin de investigar y estudiar el comportamiento de la planta en términos de generación de potencia. Igualmente se evalúa, mediante la variación de algunos parámetros operacionales, la influencia que estos poseen sobre el rendimiento general del sistema, identificando también dentro de estos análisis las fuentes de irreversibilidades presentes, así como la relación e incurrencia que tienen estas en las eficiencias de primera y segunda ley. Por otro lado, se efectúa un análisis de emisiones, donde se plantea una comparativa entre la huella de carbono generada por el sistema propuesto en este proyecto y la configuración de la planta con ciclos separados, en función de la potencia eléctrica y térmica producida. Los resultados arrojaron para el análisis energético, que parámetros como la relación de compresión y la temperatura a la de la turbina de gas influencian significativamente el aumento de la potencia del ciclo Brayton, así como de la eficiencia térmica del sistema de cogeneración. Así mismo se encontró que para el ciclo Rankine, los parámetros operacionales que mayormente incurren en la producción de potencia en las turbinas de vapor y el calor generado en la caldera de recuperación, son la línea de alta presión y la temperatura de los gases de escape. El análisis exergético presentó que la mayor fuente de irreversibilidades dentro de la planta propuesta se encuentra en la cámara de combustión, generando más de un 70% de la exergía destruida total de la planta. Lo anterior puede deberse a las distintas fuentes de irreversibilidades presenten en la combustión como lo son los procesos de mezclado, los gradientes de temperatura presentes y la fricción entre los fluidos. Adicionalmente, se determina el exceso de aire como un parámetro que afecta considerablemente en la producción de exergía destruida tanto de la cámara de combustión como de la caldera de recuperación. Por último, el análisis de emisiones arrojo que el sistema de cogeneración en la configuración planteada presenta niveles de emisión mucho menores durante la producción de potencia eléctrica y térmica, en contraste con un ciclo convencional Brayton y Rankine por separado. Además, se encontró que le agente emitido con mayor presencia en los gases de efecto invernadero liberados por la planta fue el dióxido de carbono (CO2), aglomerando más de un 99% del total de ellos.