Análisis exergético y termoeconómico de un sistema de generación de energía. Estudio del caso del generador de vapor de 350 MW instalado en la central termoeléctrica “Villa de Reyes”.

Abstract

En la presente investigación, se desarrolla el análisis exergético y termoeconómico de la central térmica de vapor de Villa de Reyes, que consta de un recalentamiento y dos regeneraciones. Para dicho análisis se determinan las ecuaciones de transferencia de calor y volúmenes de control que describen el comportamiento físico de cada uno de los componentes de la planta. El estudio se divide en varios módulos, integrados de la siguiente manera: a) Modulo del Cálculo térmico del hogar. En este módulo se caracteriza el proceso de combustión en el hogar del generador de vapor, y se determina la temperatura de los productos de la combustión a la salida de la cámara de combustión, dicho valor es fundamental en el diseño de los sobrecalentadores y recalentadores del generador de vapor, ya que con ayuda de la temperatura, se pueden determinar las propiedades termodinámica del lado de los gases, lo que permite realizar los cálculos de la transferencia de calor en los elementos subsecuentes. b) Módulo de la Transferencia de calor. En este módulo se realizan los cálculos de la transferencia de calor en los elementos de intercambio del generador de vapor. (1er, 2do. y 3er sobrecalentadores, 1er y 2do. recalentadores, economizador y precalentador de aire), se determinan las propiedades termodinámicas del vapor a la salida de cada uno de estos elementos. Con la metodología presentada se determina el coeficiente global de transferencia de calor (U) y de las características de flujo, tanto de vapor, como gases de combustión, finalmente, se determina la temperatura a la salida de los gases de combustión y vapor empleando el método de efectividad- NTU. c) Modulo del ciclo Rankine real. En este apartado se realiza el análisis del ciclo térmico de vapor de la central termoeléctrica con recalentamiento y dos regeneraciones, se estudia la influencia que tienen los parámetros de operación de la planta en el rendimiento total del ciclo y se analiza el comportamiento de los elementos de la central termoeléctrica, como son: la turbina de vapor, las extracciones de baja y alta presión de la turbina, condensador, desgasificador y calentador cerrado de agua de alimentación. Para validar el modelo termodinámico, se comparan los resultados obtenidos en los módulos a), b) y c) directamente contra los datos de operación de la central térmica de vapor conocidos (regímenes: 100%,75%,50% y 25%), y una vez validados, se modifican las variables independientes del modelo y se predicen las condiciones de operación a régimen de carga variable, donde se simula la operación de la central termoeléctrica desde el 25% de carga hasta el 100%, realizando la simulación en dependencia del incremento del flujo de combustibles al hogar del generador de vapor y en las presiones de operación establecidas para la central termoeléctrica. d) Modulo del cálculo exergético y termoeconómico, una vez validado el modelo termodinámico y obtenido resultados del análisis del ciclo térmico de vapor, se integran los módulos a, b y c, para realizar el análisis exergético y termoeconómico del ciclo, con lo que se identifican los regímenes de carga más eficientes, se presentan las irreversibilidades de los elementos participantes en el ciclo. los flujos exergéticos y los costos de las irreversibilidades asociados a la operación de la central térmica de vapor a los regímenes de carga seleccionados por sus altas eficiencias, y se presentan los costos asociados a las irreversibilidades de los procesos y los equipos, e) Análisis de sensibilidad, finalmente se realiza un análisis de sensibilidad, donde se estudia la influencia de las principales variables del modelo sobre los resultados obtenidos en la presenten investigación, con la finalidad de observar su efecto sobre la eficiencia térmica y exergética del ciclo, así como sobre el trabajo útil generado. Así también, este análisis permite evaluar las oportunidades de mejora de la central termoeléctrica, ya que las modificaciones en las principales variables del sistema, permiten identificar, los posibles resultados de implementar acciones de mejora en los elementos de la central o en los parámetros de operación. Debido a la naturaleza no lineal de los procesos térmicos que se llevan a cabo en la central térmica de vapor, la simulación de la central térmica de vapor a carga variable, se realiza empleando el método de sustituciones sucesivas, integrando los módulos a, b, c y d. Donde, la potencia requerida de generación se considera como variable independiente y se realiza el cálculo iterativo con aproximaciones sucesivas desde el límite inferior, e incrementando el flujo de combustible de manera gradual, hasta que el programa alcance la potencia del ciclo térmico requerida. En cada iteración, el programa determina las características de las variables de control en la planta termoeléctrica como son: el flujo de agua de alimentación, el flujo de combustible a la cámara de combustión, la cantidad de gases de recirculación, la presión del domo de vapor, la presión de vapor recalentado, se establece las presiones de extracción de la turbina de alta y baja presión, así como la presión de operación del condensador. En el capítulo I se presenta el estado del arte del diseño de equipo térmico, de los modelos de simulación por primera y segunda ley de la termodinámica y de los modelos exergéticos y Termoeconómicos. En el capítulo II, se plantean las generalidades sobre las instalaciones de producción de ponencia mediante vapor, se analizan las diferentes configuraciones del ciclo Rankine, se muestran las características de construcción y operación de la central térmica de vapor Villa de Reyes conocidas, en especial las características geométricas de los elementos que integran al generador de vapor. En el capitulo III, se presentan las metodologías de los cálculos termodinámicos y de la transferencia de calor de que se llevan a cabo en el hogar y las superficies intercambiadoras del generador de vapor. Metodologías que se emplean para determinar las propiedades termodinámicas de los fluidos de trabajo (vapor, gases de combustión), en cada uno de los En el capítulo IV, se presentan los fundamentos teóricos de los análisis Exergéticos y Termoeconómicos y la metodología del costo nivelado de generación que es la base del análisis termoeconómico realizado a la central termoeléctrica Villa de Reyes. En el capítulo V, se presentan los resultados del analíticos del cálculo térmico del hogar del generador de vapor a cargas parciales (100%, 75%, 50% y 25%), la validación de la transferencia de calor en las superficies intercambiadoras del generador de vapor, el análisis del ciclo termodinámico de la central térmica, obteniendo la eficiencia total del ciclo y finalmente, se presentan los resultados del análisis exergético y termoeconómico a carga variable, del análisis termoeconómico y los resultados del análisis de sensibilidad aplicado al modelo de la central termoeléctrica Villa de Reyes. En el capítulo VI, se presentan las conclusiones y las recomendaciones a la presente investigación, así como los futuros estudios que se desprenden en base a los resultados obtenidos en el presente trabajo. elementos que integran el generador de vapor.