PROPUESTA DE APROVECHAMIENTO DEL CALOR DE LOS GASES DE ESCAPE DE LOS GRUPOS ELECTRÓGENOS A FUEL-OIL UBICADOS EN LA CIUDAD DE PINAR DEL RÍO.
Autores: Luís Manuel García-Rojas 1; Julio Rivero-González 1, Carlos-Martínez2, Fernando
González-Ortega3, Luís L. Díaz-Crespo1
1 Universidad de Pinar del Río Facultad Geología Mecánica. Departamento Mecánica,
MsC. Ciencias Forestales. E-Mail: [email protected] . Ing. Mecánico
Ing. Mecánico
2 OBE. Bahía Honda. Pinar del Río. MsC. Eficiencia Energética. 3 Empresa de Citrus S.A. Ing. Mecánico
Aceptado: noviembre 2010 Publicado: marzo 2011
RESUMEN.
En este trabajo se brindan algunas propuestas para la generación de potencia utilizando un ciclo Rankine Orgánico y un ciclo Kalina y para la refrigeración por medio de la absorción aprovechando el calor residual de los gases de escape de los grupos electrógenos Hyundai, debido a su uso cada vez más extensivo en nuestro país.
Se tiene en cuenta la aplicación y experiencias en el uso de estos ciclos a nivel mundial, se analiza la situación de nuestro país en cuanto a la generación de energía eléctrica, considerando la necesidad de encontrar vías que contribuyan a disminuir la explotación de los combustibles fósiles para propiciar un ahorro de energía y atenuar el impacto ambiental que su uso genera.
Además se identifican los parámetros de los gases a la salida de las calderas recuperativas, necesarios para los cálculos que nos permiten valorar los ciclos antes mencionados. Por lo que se propone el ciclo Rankine Orgánico que emplea como sustancia de trabajo al butano, por lograrse con este ciclo mayor potencia neta en comparación con los otros ciclos analizados. Además de que el ciclo de absorción que emplea el NH3-H2O tiene una mayor capacidad refrigerante que el que
emplea el BrLi-H2O.
Palabras Clave: GENERACIÓN DE POTENCIA; CICLO RANKINE ORGÁNICO; CICLO KALINA;
ABSTRACT.
This research offers some proposal also the generation of power utilizing the organic Rankine Cycle and Kalina Cycle, also absortion cooling in refrigeration, through the use of the residual heat from the escape gases by Hyundai electrogen groups, wich has extensive application in our country to this date.
It was taken into consideration the experiences and applications of these cycles at the world level. Analising our country´s present situation as to the generation of electrical energy; not with standing the increasing demand to cut down on the use of fossil fuels, thus conserving energy and hence results in decreased enviromental pollution.
In addition; the necesary parameters of the escape gases from recuperative boiling that permits the calculation and evaluation of these cycles were identified. It was therfore proposed that the Organic Rankine Cycle use Butane as the operative substance, thus realizing maximun net power in comparison with the other cycles already analised. Futhermore, the absortion cooling that works with NH3-H2O has a greater cooling capacity than the one that uses BrLi-H2O.
Key Words: POWER GENERATION; ORGANIC RANKINE CYCLE; KALINA CYCLE;
ABSORBTION COOLING.
INTRODUCCIÓN.
Los ciclos combinados han sido desarrollados para aprovechar los calores residuales de los ciclos clásicos de producción de energía, consiguiendo así aumentar el rendimiento obtenido para el combustible empleado. Estos ciclos combinados aprovechan normalmente calores residuales de un ciclo de alta temperatura para calentar el fluido de otro ciclo de baja temperatura antes de pasar por la turbina. De esta manera se consigue aumentar considerablemente el rendimiento que se tenía con el primer ciclo aislado, ya que, en el segundo, se está utilizando un “calor gratuito”.
Sin embargo, no se utilizan ciclos combinados en todos los ciclos de producción de energía, ya que se necesita un incremento sustancial del rendimiento inicial para que sea realmente rentable emplear esos humos para generar más electricidad. Así, habrá que analizar para cada caso si la mejora obtenida compensa la inversión extra inicial y los mayores gastos de operación.
La temperatura de estos gases de escape será muy determinante para las posibilidades de integración de un ciclo termodinámico. Cuanto mayor sea ésta, mayor será la temperatura a la que se pueda calentar el fluido del ciclo de baja presión que se dirige hacia la turbina, por lo que se podrá obtener más trabajo en ella, aumentando así en mayor medida el rendimiento del ciclo principal. Por ello, por cuestiones de rentabilidad, sólo se suelen aprovechar para producción de energía los calores residuales de alta o muy alta temperatura.
Para el trabajo con la temperatura de los gases de escape se tiene en cuenta la composición de los mismos. Por ejemplo para el caso del combustible fuel-oil, el análisis gravimétrico para un fuel-oil típico es: 84,0% C; 12,1% H2; 2,3% S; 0,7% N2; 0,2% H2O. Se sabe, que cuando se desconoce el
análisis químico de los combustibles a emplear se realiza un cálculo aproximado de su combustión, pero lo que no varía es que están compuestos por hidrocarburos. Este análisis es vital para el aprovechamiento de la temperatura de estos gases en la caldera recuperativa porque no se quiere
provocar la aparición de gases ácidos. La temperatura de estos gases se puede disminuir hasta los 100 0C, pero para mayor seguridad en este trabajo se utilizan hasta los 150 0C.
MATERIALES Y MÉTODOS.
Los gases de escape que se proponen emplear en el ciclo Rankine orgánico salen de la caldera recuperativa empleada para el precalentamiento de fuel y del agua que va al cárter de motor, a una temperatura de 250 0C, con una presión de 7,0 bar, con un caudal de 53 200 kg/h y con un
calor específico Cp= 0,25 kcal/kgºC = 1,05 kJ/kgºC.
En este trabajo se propone el butano como sustancia orgánica con buenas condiciones a trabajar en este régimen de temperatura, se compara inicialmente con el agua y el amoniaco y posteriormente con el ciclo Kalina.
Ciclo Rankine con butano, amoniaco y agua como sustancia de trabajo.
Para poder determinar la potencia eléctrica que nos puede entregar la turbina asociada a este ciclo se emplea la ecuación 1.
El Rendimiento electromecánico propuesto = 0,95 La Eficiencia de la caldera recuperativa de 0,98 y el Calor específico de los gases Cp = 0,25 kcal/kg0C = 1,05 kJ/kg0C. Como
se observa en la expresión 1 se necesita determinar las entalpías en los puntos 1 y 2, así como el flujo de la sustancia de trabajo en el ciclo. Par a determinar la entalpía en el punto1 (Figura 1), es necesario conocer los valores de presión y temperatura en ese punto y se fijan como:
• Amoniaco: t = 200 ºC y P = 34 bar • Agua: t = 200 ºC y P = 0.382 bar • Butano: t = 200 ºC y P = 34 bar
Con estos dos parámetros fijos, se hace uso del software Refrigeration Calculated, en función de la sustancia de trabajo, para determinar la entalpía en ese punto. En la Figura 1, se muestra el ciclo Rankine que se propone para la generación de potencia.
En el mismo están enumerados los principales puntos de trabajo asociado con los procesos fundamentales.
Figura 1. Propuesta de Ciclo Rankine Orgánico.
Para determinar la entalpía en el punto 2 se tiene en cuenta de forma teórica que en la turbina la expansión es adiabática, es decir, ocurre a entropía constante y la presión que le corresponde a la temperatura de condensación y que en ese punto es más conveniente que la sustancia de trabajo abandone la turbina como vapor sobrecalentado para evitar que aparezcan gotas de rocío, además que para condensar se emplea agua a temperatura ambiente, se fija el siguiente valor: t =37 0C.
El punto 2 a la salida de la turbina no es la consecuencia de una expansión isoentrópica, por lo tanto la turbina posee un trabajo real diferente al adiabático y se hace necesario determinar la entalpía real, para lo cual se considera la ecuación 2:
es el rendimiento isoentrópico de la turbina tiene un valor de 0,90
Conociendo la temperatura de condensación, a partir del empleo del software Refrigeration Utilities, se determina la entalpía teórica en ese punto correspondiente al vapor saturado. Despejando la hreal en la ecuación 2, tenemos que:
Para calcular el flujo D0 es necesario hacer un balance de energía en la caldera recuperativa,
quedando de la siguiente forma:
El valor del ∆t de los gases se considera 100 ºC, teniendo en cuenta la temperatura a la salida de la caldera del grupo electrógeno que es de 250 ºC, que constituye la entrada a la caldera recuperativa del ciclo propuesto y la temperatura a la salida de esta no debe estar por debajo de
los 100 ºC, para lo cual se considera un valor de 150 ºC,
En la ecuación 3, se hace necesario el valor de h4 para calcular Do y la potencia del ciclo. Para
determinar este valor es necesario determinar las entalpías en el punto 3 (Figura 1).
Para el punto 3, conociendo la temperatura y la presión de condensación, se hace uso del software Refriger ation Utilities y se determina la entalpía en ese punto para el líquido. Para el punto 4 se desprecia el aumento de la entalpía como consecuencia del bombeo. El valor de h4 se
sustituye en la ecuación 3 y se despeja al flujo D0 obteniendo:
Para determinar la potencia neta y la eficiencia del ciclo, es necesario conocer la demanda de potencia en la bomba. Para ello se emplea la ecuación 5:
Propuesta de ciclo Kalina para la generación de potencia.
En la Figura 2 se muestra cómo estaría integrado el sistema de aprovechamiento del calor residual de los gases de escape de los grupos electrógenos a fuel, empleando un ciclo Kalina.
Para la determinación de los parámetros de trabajo del ciclo se fijan los siguientes parámetros: Pto 1 (A la entrada de la turbina)
La concentración de amoniaco en la disolución XV = 90 y la t = 130 ºC
Pto 4 (A la salida del condensador)
PCond = P4 = 0.88 bar y t = 35 ºC
Pto 6 (Salida del calentador intermedio) t = 70 ºC
Con los valores anteriores fijados se hace uso de la ecuación 7, en la que se calcula la presión del punto 1, que está en función de la concentración de NH3 a la entrada de la caldera:
Para el cálculo de la Nturbina se emplea la ecuación 1. Para determinar el salto entálpico de la
disolución de amoniaco - agua en la zona de vapor sobrecalentado, se emplea la ecuación 8, en la que se calcula dicho salto en la turbina en función de la concentración de NH3 y de la presión de
condensación:
Para calcular D0 (ecuación 4), se necesita saber las entalpías en los puntos 1 y 8 (Figura 2).
Para el punto 8 se tiene la t = 70 ºC, P8 = P1 = 2,56 bar y que la concentración de NH3 es igual a
la del punto 1. Se emplea la ecuación 9 pero aplicada a las condiciones del punto 8, siendo determinándose h8 = 1504,2 kJ/kg. Despejando
los valores de h1 y h2 en la ecuación 4 se tiene que: D0 = 9338,6 kg/h = 2,59 kg/s
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN. Comparación entre los ciclos propuestos.
Según los cálculos realizados se obtiene que para el ciclo Ranking Orgánico que emplea:
• Amoniaco como sustancia de trabajo par a su correcto funcionamiento necesita un flujo de 0,001042 m3/s y una bomba con una potencia mínima de 2,3 kW, Con estos parámetros se generaría una potencia en la turbina de 359 kW produciéndose finalmente una potencia neta en el ciclo de 356,7 kW.
• Butano como sustancia de trabajo para su correcto funcionamiento necesita un flujo de 0,002472 m3/s y una bomba con una potencia mínima de 5,4 kW, Con estos parámetros se generaría una potencia en la turbina de 622 kW produciéndose finalmente una potencia neta en el ciclo de 616,6 kW.
• Agua como sustancia de trabajo para su correcto funcionamiento necesita un flujo de 0,000581 m3/s y una bomba con una potencia mínima de 0,2 kW, Con estos parámetros se generaría una potencia en la turbina de 144,9 kW produciéndose finalmente una potencia neta en el ciclo de 144,7 kW. Se identifica que los mayores valores de potencia se alcanzan para el butano debido al mayor salto entálpico en la turbina que se alcanza comparados con los restantes. Los menores valores corresponden con el agua dado el pequeño salto entálpico que se puede lograr en los parámetros de trabajo permisibles para la turbina en la zona posible de vapor sobrecalentado a una temperatura de vapor de 200 ºC que demuestran el inconveniente de emplear el agua en un ciclo Rankine en esta zona de temperatura.
Influencia del aprovechamiento del calor residual en la eficiencia de la instalación.
A partir de la ecuación 10 se obtiene la eficiencia del ciclo combinado, es decir, a la potencia entregada por los grupos electrógenos se le suma la potencia neta que puede generar cada uno de los ciclos y en el denominador se mantiene el mismo calor disponible empleado en los grupos electrógenos. Los valores de eficiencia se calcularán para los 12 motores estacionarios trabajando a máxima carga y 1 ciclo propuestos por cada caldera, que representarían 3 ciclos para el emplazamiento de cada una de las diferentes propuestas. La ecuación es la siguiente:
El valor calórico inferior VCI =40128 kJ / kg
Se conoce además que las tres calderas recuperativas existentes en el emplazamiento están vinculadas a cuatro motores cada una, los que generan 30 MW. En la Tabla 1 se relacionan las potencias netas posibles a generan a en cada ciclo propuesto para todo el emplazamiento, así como los valor es de eficiencia de cada uno de estos ciclos sin considerarlos combinados al emplazamiento para un aporte del calor de los gas es considerado en cada uno de ellos de 1551,67 kW.
Se observa que en el ciclo Rankine orgánico en el que se emplea el butano como sustancia de trabajo, es el que más potencia y mayor eficiencia aporta al ciclo combinado a considerar.
La eficiencia energética de los grupos electrógenos con respecto a los ciclos combinados propuestos se aprecia a continuación:
• Motor = 43.3 %
• Motor-Rankine Amoniaco = 45.05 % • Motor- Rankine Butano = 46.01 % • Motor- Rankine Agua = 43.97 % • Kalina = 44.83 %
Se observa que todos los ciclos propuestos tienen una eficiencia muy parecida, superior a la del emplazamiento con motores a fuel oil y a la de los ciclos individuales que se muestra en la Tabla 1, como el butano que es la sustancia que cuando se emplea genera más potencia con un mismo consumo de combustible y es el de mayor eficiencia.
Impacto económico.
Los motores de los grupos electrógenos instalados en el reparto Ceferino Fernández tienen un consumo específico de 207 g/kW (según mediciones de campo) cada uno de ellos y generan 2,5 MWh cada uno.
Una relación entre el índice de consumo del emplazamiento sin tener en cuenta la adición de los ciclos propuestos y después considerando la potencia total que entregaría el ciclo combinado se muestra a continuación:
• Motor = 207 g/kW
• Motor- Rankine Amoniaco = 199,12 g/kW • Motor- Rankine Butano = 194,98 g/kW • Motor- Rankine Agua = 204,05 g/kW • Kalina = 200,11 g/kW
llegar hasta 12,02 g/kW para el butano.
Haciendo un análisis de la disminución esperada del consumo específico de combustible del emplazamiento y de los ciclos combinados propuestos y considerando además los valores de generación de potencia en cada uno de estos ciclos relacionados en la Tabla 1 y un año de trabajo ininterrumpido, se puede estimar las toneladas de combustible ahorrado anualmente con la implementación de cada ciclo combinado.
• Motor- Rankine Amoniaco: 2153,14 tn. • Motor- Rankine Butano: 3354,28 tn. • Motor- Rankine Agua: 787,16 tn. • Motor- Kalina: 1871,94 tn.
Una vez que conocida la cantidad de combustible ahorrado y el costo del fuel en Cuba según informaciones de la Organización Básica Eléctrica en la provincia es de 443 USD/tn, entonces se estima cuántos USD se podrían ahorrar por cada año de trabajo en cada uno de los ciclos propuestos.
• Motor- Rankine Amoniaco puede producir un ahorro de: 953,84 miles de USD • Motor- Rankine Butano puede producir un ahorro de: 1485,94 miles de USD • Motor- Rankine Agua puede producir un ahorro de: 348,71 miles de USD • Motor- kalina puede producir un ahorro de: 829,27 miles de USD
Los valores de ahorros monetarios que se obtienen en el análisis anterior, solo tienen en cuenta el combustible. Algunos autores refieren el valor del costo del kW instalado para ciclos Rankine orgánico en 2500 USD/kW y se muestra la estimación del costo de los ciclos propuestos a continuación:
• Rankine Amoniaco: 2968500 USD • Rankine Butano: 4624500 USD • Rankine Agua: 1085250 USD
Con los costos de instalación de los ciclos propuestos se estima un tiempo de amortización de alrededor de los 3 años.
CONCLUSIONES.
Con el empleo de los ciclos propuesto:
• Se podría generar una cantidad de potencia neta que sumada a los 30MW que se generan en el emplazamiento estaría en el orden de: 30434 a 31849 kW de potencia instalada.
• Se aumentaría la eficiencia del emplazamiento desde 43,3 % que es el comportamiento actual hasta un rango de 43,9 a 46 %.
• Traería una disminución del consumo específico con respecto 207 g/kW actuales, alcanzando valores de 199,1 a 204,5 g/kW.
• Se ahorrarían anualmente de: 787,16 a 3354,28 tn de combustible con un equivalente de 348,7 a 1485 USD.
• De las ciclos analizados teniendo en cuenta la potencia a generar, así como los indicadores de eficiencia y económicos, el Rankine orgánico empleando butano es el más factible.
• La inversión de una instalación de las pr opuestas se podría amortizar en tres años aproximadamente.
amoniaco-agua tiene una mayor capacidad de refrigeración que si se utilizara el bromuro de litio-agua.
RECOMENDACIONES.
• Valorar la posibilidad del uso de alguno de estos ciclos generadores de potencia o de climatización mediante el proceso de refrigeración por absorción.
• Calcular las cargas térmicas de la sala de control para su posible climatización, empleando la propuesta de este trabajo.
• Valorar la posibilidad de combinar ciclos generadores de potencia y climatización en la misma instalación de grupos electrógenos.
• Estudiar el comportamiento de otras sustancias.
• Diseñar los ciclos propuestos con el equipamiento, tuberías y otros accesorios.
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