Investigación del rango óptimo de enfriamiento del aire a la entrada de plantas de potencia con turbinas a gas y ciclo Stig /
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Date
2018
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Las plantas de potencia con turbinas a gas se utilizan cada vez más en todo el
mundo debido a su bajo costo y pequeños tiempos de sincronización, estabilidad y
disponibilidad. Por ello las plantas con turbinas a gas han sido ampliamente
estudiadas y como resultado se han conocido los efectos negativos en su potencia
de salida y la eficiencia térmica al operarlas en condiciones atmosféricas del aire
superiores a las condiciones ISO (15°C, 60% RH). Por esta razón se han
desarrollado e implementado diferentes tecnologías que modifican el ciclo con
turbina a gas en busca del aumento en potencia de salida y/o mejorar la eficiencia
térmica.
En este trabajo se estudian el enfriamiento de aire a la entrada del compresor con
máquina de refrigeración a compresión e inyección de vapor en una turbina a gas
ubicada en Cartagena a través de análisis energéticos, exergéticos convenciones,
exergéticos avanzados, termoeconómicos y económicos para identificar el rango
óptimo de operación de dichas tecnologías que permita obtener los mejores valores
de salida de potencia y eficiencia energética.
En la investigación se validan los modelos termodinámicos del sistema objeto de
estudio con datos reales de operación en tres configuraciones de operación: Turbina
a gas ciclo simple en condiciones ISO; Turbina gas con inyección de vapor en
condiciones ISO; Turbina a gas con inyección de vapor de Relación de inyección de
vapor- aire de 8.88% y enfriamiento de aire hasta 8.8 °C. A partir de estas
condiciones de operación se estudian los efectos de la temperatura del aire y la
humedad relativa en el flujo másico de aire, el consumo específico de trabajo en los
compresores, la potencia de salida, la eficiencia térmica, el heat rate y el consumo
específico de combustible en la planta de potencia con turbina a gas simple.
Las configuraciones estudiadas fueron: Turbina a gas con enfriamiento de aire a la
entrada del compresor; Turbina a gas con inyección de vapor; Turbina a gas con
inyección de vapor y enfriamiento de aire. Se modeló cada sistema de potencia y
componentes para evaluar diferentes indicadores energéticos y económicos, a partir
de las condiciones ambientales promedio de Cartagena (32°C y 80% de humedad
relativa) y a niveles de operación de los sistemas de potencia (relación de inyección
de vapor-aire y temperatura del aire a la entra del compresor). Los indicadores
tomados de la literatura fueron: Potencia de salida; Eficiencia térmica; Heat rate;
Consumo específico de combustible; Concentración de NO; PGR (Relación de
potencia ganada); TEC (factor de cambio de eficiencia térmica); Relación de
concentración de NO; Ingresos netos; Rentabilidad y Periodo de recuperación.
Adicionalmente, se evaluaron las distintas configuraciones con indicadores basados
en el concepto de exergía para conocer ampliamente el desempeño de los sistemas
térmicos, dichos indicadores fueron: Exergía de fuel; Exergía de producto; Exergía
destruida; Eficiencia exergética; Relaciones de destrucción de exergía; Costo
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promedio de fuel por unidad de exergía; Costo promedio de producto por unidad de
exergía; Costos no exergéticos; Costo de destrucción de exergía, Diferencia de
costo relativa; Factor exergoeconómico; Destrucción de exergía evitable;
Destrucción de exergía inevitable; Destrucción de exergía endógena; Destrucción
de exergía exógena.