Análisis exergoeconómico ambiental a la Turbina de gas Alstom GT24 Público Deposited
En este trabajo se lleva a cabo un análisis exergoeconómico ambiental de la Turbina de gas GT24 de Alstom/ABB. Siendo que, actualmente, el mundo requiere un equilibrio entre la generación de potencia eléctrica, la economía y el medio ambiente, el objetivo es realizar un análisis enfocado en el proceso de combustión, que es el principal generador de irreversibilidades y emisiones de gases de efecto invernadero dentro del sistema. En este contexto, se considera la composición del gas natural como el parámetro clave para evaluar y optimizar dicho proceso. El análisis comienza con el estudio del proceso de combustión, siguiendo la metodología de Olikara & Borman. Este análisis plantea la reacción de combustión, en la cual, los reactivos están formados por el aire y el combustible; en donde, el combustible se conforma por 14 componentes. En los productos de la reacción, se obtiene una mezcla de gases que se forma de 14 elementos. Para analizar la reacción de combustión, se parte de plantear el balance de moles entre los reactivos y productos, con el objetivo de, determinar el número de moles cada elemento de los gases de combustión y así, obtener las propiedades de dichos gases (peso molecular, calor específico a presión y volumen constante, poder calorífico inferior, entre otros). Sin embargo, el analizar la reacción de combustión mediante el balance moles no permite determinar los moles de los gases de los productos, ya que, el balance es una herramienta que permite formular un sistema de ecuaciones en función del número de moles, en esta reacción se obtiene un sistema formado por 6 ecuaciones y 15 incógnitas, lo que no permite obtener una solución. Por ello, se recurre a los conceptos de energía libre de Gibbs, equilibrio químico y constante de equilibrio para transformar la reacción de términos molares a fracciones molares, lo que permite reducir el sistema a 5 ecuaciones con 5 incógnitas. Una vez obtenidas las 14 fracciones molares de los gases de combustión, se evalúan parámetros de desempeño como el calor específico a presión constante, la constante particular de los gases de combustión, el exceso de aire, entre otros. Los resultados obtenidos del análisis del proceso de combustión muestran que, las condiciones de los gases de la primera y segunda cámara son las siguientes: la constante particular de los gases es 0.29 kJ/kg·K y 0.2960 kJ/kg·K, el calor específico a presión constante es 1.25 kJ/kg·K y 1.32 kJ/kg·K, el ´índice politrópico es 0.23 y 0.22, y el poder calorífico inferior es 49,106.03 kJ/kg y 48,792.83 kJ/kg, respectivamente. Estos parámetros son clave para el análisis energético. Posteriormente, tras completar el análisis del proceso de combustión, se lleva a cabo el análisis energético, en donde se platean modelos matemáticos para determinar las propiedades termodinámicas como presión, temperatura, entalpía y entropía. Con estas propiedades se evalúan parámetros de desempeño, como los flujos másicos de aire, de combustible y de los gases de combustión, la potencia generada por las turbinas de alta y baja presión, la potencia requerida por el compresor, los flujos de calor suministrado y rechazado, así como la eficiencia térmica, el régimen térmico y el consumo específico de combustibles. A partir del análisis energético, se determina que la eficiencia térmica del sistema es del 38.81 %, con un flujo másico de aire aspirado de 326.07 kg/s y un flujo másico total de combustible de 8.64 kg/s. En lo que respecta a la potencia suministrada al compresor y las potencias generadas por las turbinas de alta y baja presión, se observa lo siguiente: el compresor requiere una potencia de 182.30 MW, de los cuales 62.77 MW son generados por la turbina de alta presión. Por otro lado, la turbina de baja presión genera una potencia de 284.52 MW; de esta, 119.53 MW se destinan al compresor para cubrir la potencial faltante, mientras que los 165 MW restantes se envían al generador eléctrico. Una vez realizado el análisis energético, se procede con el análisis exergético. En el análisis exergético se desarrollan modelos matemáticos para calcular la exergía específica de cada estado termodinámico, a partir de las propiedades obtenidas del análisis energético. Mediante la exergía específica, se determina el flujo de exergía correspondiente. Con el flujo de exerg´ıa de cada estado termodinámico, se establece el balance de exergía por equipo y el sistema en general. Este balance permite calcular la irreversibilidad asociada a cada proceso y la eficiencia exergética, racional y de defecto de cada equipo. Los resultados del análisis exergético muestran que, el comportamiento de la primera cámara de combustión influye en el desempeño general del sistema. Esto se debe a que la primera cámara es el equipo que más contribuye al flujo de irreversibilidad del sistema, representando el 70.97 % del total. Por lo tanto, una reducción en la irreversibilidad de este equipo disminuiría la irreversibilidad del sistema, lo que resultaría en un aumento de su eficiencia exergética. Una forma de reducir la irreversibilidad es modificando la concentración de CH4 en el gas natural. Según el análisis, se observa que, con una concentración de 96 % de CH4, la irreversibilidad es menor en comparación con concentraciones de 78 % y 83.877 %. Siguiendo este proceso, con la exerg´ıa de cada estado, la exergía asociada a la potencia, la irreversibilidad en cada equipo y su eficiencia exergética, se implementa la metodología FPR (Recurso-Producto-Residuo) para realizar un análisis exergoeconómico de la GT24. El análisis exergoeconómico comienza planteando el propósito productivo de cada equipo, para definir las corrientes exegéticas del recurso y del producto. Posteriormente, con base en este propósito, se construye la estructura productiva, que representa la interacción de los equipos al unir o bifurcar las corrientes exergéticos. Con esta estructura, se forma la matriz de adyacencia FPR, que contiene a los productos que sirven de recurso para otros equipos y define sí su formación contribuye a la generación de residuos. A partir de esta matriz, se determinan los costos exergéticos y exergoeconómico de cada equipo. Los resultados del análisis exergoeconómico indican que, los costos de instalación son de 2602.95 USD/h, siendo el compresor el componente más costoso, con el 62.49 %. Los costos exergoeconómico del recurso externo es de 3,897.28 USD/h, de los cuales 3,024.93 USD/h corresponden a la primera cámara de combustión. El costo exergoeconómico total de la GT24 es de 6,500.23 USD/h. Estos costos varían según la concentración de CH4 en el combustible: al incrementarla, el costo exergoeconómico disminuye. Para una concentración del 78 %, el costo es de 6501.92 USD/h, y al aumentar a 83.877 % y 96 %, los costos disminuyen a 6500.23 USD/h y 6497.2 USD/h, respectivamente. Por último, se presenta el análisis ambiental de la GT24, en el cual se evalúan indicadores de calentamiento global (GW), lluvia ´acida (AR), formación de smog (SF) y toxicidad humana (HT). Además, se comparan tres concentraciones de CH4 en el gas natural para cada indicador ambiental. Los resultados muestran que, según los rangos establecidos por la SEMARNAT en 2024, sólo el indicador de calentamiento global es mayor que el rango de emisiones, con un excedente del 11.18 %. En cuanto a la concentración de CH4, se observa que, para cualquier indicador ambiental, un aumento en la concentración de CH4 resulta en una disminución de las emisiones. Sin embargo, para el indicador de GW, incluso con una concentración de CH4 del 96 %, las emisiones alcanzan 667.13 kgCO2 /kWh, lo que indica que siguen fuera del rango establecido.
This work conducts an environmental exergoeconomic analysis of the GT24 gas turbine from Alstom/ABB. In light of the current global demand for a balance between electricity generation, economic efficiency, and environmental sustainability, the objective is to perform an in-depth analysis focused on the combustion process, which is the primary contributor to irreversibilities and greenhouse gas emissions in the system. Within this context, the composition of natural gas is considered a key parameter for evaluating and optimizing the combustion process. The analysis begins with an examination of the combustion process, following the methodology proposed by Olikara & Borman. This involves formulating the combustion reaction, where the reactants consist of air and fuel, with the fuel comprising 14 components. The reaction products form a mixture of gases comprising 14 elements. To analyze the combustion reaction, a mole balance is established between reactants and products to determine the number of moles for each element in the combustion gases, enabling the calculation of gas properties such as molecular weight, specific heats at constant pressure and volume, and lower heating value, among others. However, analyzing the combustion reaction solely through mole balance does not allow for the determination of product gas moles. This is because the mole balance serves as a tool to formulate a system of equations based on the number of moles, resulting in a system of six equations and 15 unknowns, which cannot be solved directly. Therefore, concepts such as Gibbs free energy, chemical equilibrium, and equilibrium constants are employed to transform the reaction from molar terms to mole fractions, reducing the system to five equations with five unknowns. Once the 14 mole fractions of the combustion gases are determined, performance parameters such as specific heat at constant pressure, the specific gas constant of the combustion gases, and excess air, among others, are evaluated. The results of the combustion process analysis indicate the following conditions for the gases in the first and second combustion chambers: the specific gas constant is 0.29 kJ/kg·K and 0.2960 kJ/kg·K, the specific heat at constant pressure is 1.25 kJ/kg·K and 1.32 kJ/kg·K, the polytropic index is 0.23 and 0.22, and the lower heating value is 49,106.03 kJ/kg and 48,792.83 kJ/kg, respectively. These parameters are critical for the energy analysis. Following the combustion analysis, an energy analysis is conducted, where mathematical models are developed to determine thermodynamic properties such as pressure, temperature, enthalpy, and entropy. Using these properties, performance parameters such as mass flow rates of air, fuel, and combustion gases, power generated by the high- and low-pressure turbines, power required by the compressor, heat supplied and rejected, thermal efficiency, heat rate, and specific fuel consumption are evaluated. From the energy analysis, it is determined that the system’s thermal efficiency is 38.81 %, with an air mass flow rate of 326.07 kg/s and a total fuel mass flow rate of 8.64 kg/s. Regarding the power supplied to the compressor and the power generated by the high- and low-pressure turbines, the following observations are made: the compressor requires 182.30 MW, of which 62.77 MW are supplied by the high-pressure turbine. Meanwhile, the lowpressure turbine generates 284.52 MW; of this, 119.53 MW are allocated to the compressor to cover the remaining power requirement, while the remaining 165 MW are delivered to the electric generator. After completing the energy analysis, an exergy analysis is performed. In this step, mathematical models are developed to calculate the specific exergy of each thermodynamic state based on the properties obtained from the energy analysis. Using specific exergy, the exergy flow corresponding to each state is determined. From the exergy flows, the exergy balance for each component and the overall system is established. This balance allows for the calculation of irreversibilities associated with each process and the exergetic, rational, and defect efficiency of each component. The results of the exergy analysis reveal that the performance of the first combustion chamber significantly influences the overall system’s behavior. This is because the first chamber contributes the most to the system’s irreversibility flow, accounting for 70.97 % of the total. Therefore, reducing the irreversibility of this component would decrease the overall system irreversibility, leading to an improvement in its exergetic efficiency. One approach to reducing irreversibility is by modifying the CH4 concentration in the natural gas. The analysis indicates that with a CH4 concentration of 96 %, irreversibility is lower compared to concentrations of 78 % and 83.877 %. Building on this, the FPR (Fuel-Product-Residue) methodology is implemented to perform an exergoeconomic analysis of the GT24, based on the exergy of each state, the exergy associated with power, irreversibility in each component, and its exergetic efficiency. The exergoeconomic analysis begins by defining the productive purpose of each component to identify the exergy flows of the resource and product. Subsequently, based on this purpose, a productive structure is constructed, representing the interaction of components by merging or splitting exergy flows. Using this structure, the FPR adjacency matrix is formed, containing products that serve as resources for other components and determining whether their formation contributes to waste generation. From this matrix, the exergetic and exergoeconomic costs of each component are calculated. The exergoeconomic analysis results show that installation costs amount to 2,602.95 USD/h, with the compressor being the most expensive component, accounting for 62.49 % of the total. The exergoeconomic cost of the external resource is 3,897.28 USD/h, of which 3,024.93 USD/h corresponds to the first combustion chamber. The total exergoeconomic cost of the GT24 is 6,500.23 USD/h. These costs vary depending on the CH4 concentration in the fuel: as the concentration increases, the exergoeconomic cost decreases. For a concentration of 78 %, the cost is 6,501.92 USD/h, which decreases to 6,500.23 USD/h and 6,497.20 USD/h for concentrations of 83.877 Finally, an environmental analysis of the GT24 is conducted, evaluating indicators such as global warming (GW), acid rain (AR), smog formation (SF), and human toxicity (HT). Three CH4 concentrations in natural gas are compared for each environmental indicator. The results indicate that, based on the ranges established by SEMARNAT in 2024, only the global warming indicator exceeds the emission range, with an excess of 11.18 %. Regarding CH4 concentration, it is observed that for all environmental indicators, increasing the CH4 concentration reduces emissions. However, for the GW indicator, even with a CH4 concentration of 96 %, emissions reach 667.13 kgCO2/kWh, remaining outside the established range.
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