Investigación del rango óptimo de enfriamiento del aire a la entrada de plantas de potencia con turbinas a gas y ciclo Stig /

Abstract

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 17 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.