Selección de Turbinas de Gas para Sistemas de Trigeneración

1. Resumen
2. Introducción
3. Integración térmica del sistema
5. Aplicación
6. Resultados
7. Conclusiones
8. Nomenclatura
9. Referencias 

(Gas Turbine Selection for Trigeneration Systems)

Centro de Inmunología Molecular

Resumen

En este trabajo se presenta una metodología para el análisis y selección de turbinas de gas en sistemas de trigeneración. Se desarrolla un modelo termodinámico para reproducir el desempeño de turbinas de gas comerciales en condiciones ISO y en las condiciones locales donde se opera. El modelo incluye el análisis de sistemas de refrigeración por compresión. Se desarrolla un caso de estudio donde se realiza la integración térmica del sistema de trigeneración utilizando los conceptos básicos del análisis pinch. Una vez integrada la turbina se analiza la operación bajo diferentes escenarios de producción de calor y potencia. Se demuestra que el sistema integrado más eficiente es aquel que proporciona la potencia requerida por el proceso y que minimiza las pérdidas al ambiente.

Abstract

This work presents a methodology for the analysis and selection of gas turbines in trigeneration systems. A mathematical model was developed for the prediction of the performance of gas turbines under ISO conditions and under the local conditions of turbine operation. The model included the analysis of refrigeration systems by compression. A case study was carried out where a gas turbine was thermally integrated using pinch analysis techniques. The performance of the integrated turbine under different scenarios of heat production and power was analyzed. It was demonstrated that the most efficient integrated system was the one that both supplied the process power requirement and minimized the heat losses to the environment.

Keywords: power generation, gas turbines, thermal integration, pinch analysis, trigeneration.

INTRODUCCIÓN

La Cogeneración es la técnica más importante de producción simultánea de potencia y calor. Si, además, un proceso requiere de niveles de enfriamiento por debajo de la temperatura ambiente (refrigeración) y este servicio se produce a partir de la misma fuente de energía, entonces el sistema global se convierte en Trigeneración. Esta técnica se introdujo a principios de los años ochenta y comúnmente se utiliza en esquemas de calentamiento y enfriamiento municipales (Emho, 2003). Sin embargo, cada vez es más usada en industrias químicas y petroquímicas debido a la frecuente necesidad de estos tres servicios en las plantas de proceso. A pesar de que estos esquemas tienen varios años de funcionamiento en plantas industriales, son pocos los trabajos que hacen referencia a su diseño (Havelsky, 1999 y Dharmadhikari, 1997) y son más escasas aún las referencias al uso de estas técnicas conjuntamente con la integración de procesos (Dijkema et al., 1998).

El principio de la Trigeneración se muestra en la figura 1 en donde se observa que la refrigeración puede obtenerse de dos maneras distintas: a través de un sistema de absorción (figura 1 a), el cual requiere de una fuente externa de calor para producir las bajas temperaturas, o a través de un sistema de compresión de vapor (figura 1b), el cual requiere de energía eléctrica para el mismo fin.

Existen en la literatura diversos estudios que mencionan las ventajas y desventajas de cada sistema (Dharmadhikari, 1997, Dijikema et al., 1998 y Havelsky, 1999).  Sin embargo, como se observa en la figura 1, puede considerarse que cuando se dispone de calor de bajo costo o de desperdicio, el esquema de refrigeración por absorción puede resultar atractivo, mientras que la refrigeración por compresión mecánica es la opción ideal cuando se tienen excesos de energía eléctrica.

                                               a)

                                               b)

Fig. 1: Sistema de trigeneración. a) Con absorción, b) Con compresión mecánica

En este trabajo se presenta una metodología para dimensionar e integrar sistemas de trigeneración que consideran una turbina de gas para generar energía eléctrica y un sistema de refrigeración por compresión mecánica para la generación de enfriamiento. 

Se muestra la aplicación de un modelo termodinámico desarrollando en una hoja de cálculo que permite predecir el desempeño del sistema de trigeneración bajo diferentes esquemas de producción de calor y potencia.

Este análisis conlleva a la correcta selección y evaluación de la turbina de gas y al adecuado uso del calor de los gases de escape para minimizar las pérdidas al ambiente.

INTEGRACIÓN TéRMICADEL SISTEMA