Análisis exergo-ambiental del desempeño de una turbina de gas aeroderivada Público Deposited
En este trabajo se realiza un análisis exergo-ambiental de una turbina de gas aeroderivada de doble flecha GE LM2500+, basado en el análisis exergético y exergoeconómico, asimismo, se emplean indicadores exergético y ambientales, para evaluar el desempeño de la turbina de gas aeroderivada. También, se estiman las emisiones de gases de efecto invernadero. Por otro lado, al ser usadas para accionar compresores centrífugos en aplicaciones costa afuera en la industria de petróleo y gas, se actualizan los mapas de operación de un compresor centrifugo accionado mediante una turbina de gas aeroderivada de doble flecha. Asimismo, las turbinas de gas aeroderivadas al estar sometida a largas jornadas de operación pierden gradualmente la capacidad de generación de potencia, debido a varios factores, tales como, fatiga térmica, ensuciamiento del compresor axial, ensuciamiento en los filtros de admisión de aire, pérdidas mecánicas no recuperables, etc., como consecuencia se incrementan las irreversibilidades con la disminución de la eficiencia isoentrópica de compresión, de la turbina de alta y baja presión. A través del análisis exergético, es posible determinar la generación de irreversibilidades en los equipos que integran la turbina de gas GE LM2500+. El objetivo principal del análisis exergético es determinar la localización y cantidad de irreversibilidades en un sistema. Asimismo, predice el desempeño termodinámico de un sistema energético, así como la eficiencia de los componentes del sistema mediante la cuantificación de la generación de entropía. Por otro lado, los indicadores energéticos y ambientales de la turbina de gas GE LM2500+, como eficiencia energética, relación de exergía recuperada, potencial de calentamiento global, potencial de formación de lluvia ácida, son ´útiles para determinar el impacto ambiental y la mejora en la sustentabilidad de la turbina de gas aeroderivada. En este estudio, se toman los valores de presión y temperatura ambiente de 100 kPa y 288 K, respectivamente. Como resultado del análisis exergético, las mayores irreversibilidades ocurren en la cámara de combustión, con el 19.47 % de la exerg´ıa total de entrada, eficiencia exergética de 94.5 % en el compresor, en la cámara de combustión de 87.1 %, para la turbina de alta presión de 95.1 % y finalmente para la turbina de baja presión de 94.9 %, la eficiencia exergético total es 40.06 % y la relación de exerg´ıa recuperable es de 29.43 %. La cámara de combustión presenta el mayor potencial de mejoramiento exergético con 2.83 MW; asimismo, el menor valor se obtiene en la turbina de baja presión con 0.088 MW. Por otro lado, el costo exergético de la corriente a la salida de la cámara de combustión es 256.513 MW, considerando los gases de escape como residuo; asimismo, la formación del residuo es principalmente por la contribución de la cámara de combustión y el compresor del generador de gases, en 62 % y 38 %, respectivamente. El potencial de calentamiento global es 393,37 gCO2/kWh, el potencial de formación de lluvia ´acida de 16.35 gSO2/kWh y el potencial de formación de smog de 15,55 gNOx/kWh. Además, la disminución de las pérdidas de exerg´ıa conduce a disminuir el efecto hacia el medio ambiente y aumentar la eficiencia energética. Por otra parte, el estudio de estos parámetros indica los niveles de mejora posibles para lograr una operación sustentable en la turbina de gas aeroderivada de doble flecha.
In this work an exergo-environmental analysis of aeroderivative gas turbine GE LM2500+ is presented, based on the exergetic analysis and exergoeconomic, as well as, exergetic and environmental indicators are used to evaluate the performance of the aeroderivative gas turbine. also emissions of greenhouse gases are estimated. On the other hand, they are mainly used in stationary power plants and in the oil and gas industry to drive mechanically compressor, furthermore, the maps of operating a centrifugal compressor driven by an aeroderivative gas turbine are updated. However, the aeroderivative gas turbines are subjected to long hours of operation, first they loss their ability to generate power due to several factors, such as thermal fatigue, fouling axial compressor, fouling air intake filters, unrecoverable mechanical losses, etc; and secondly the irreversibility increasing when decreasing the compressor, low and high pressure turbines isentropic efficiencies. Through exergetic analysis, it is possible to determine the irreversibility generation for the GE LM2500+ gas turbine components. The mass and energy conservation principles together with the second law of thermodynamics are used to perform the exergy analysis. The main goal of exergetic analysis is to determine the location and amount of irreversibility of a system. Exergetic analysis usually predicts the thermodynamics performance of an energy system, as well as the efficiency of system components by accurately quantifying the entropy generation. On the other hand, the exergetic sustainability indicators of the LM2500 gas turbine engine, such as exergy efficiency, recoverable exergy rate, global warming potential, acid rain formation potential and smog formation potential, are useful to determine the environmental impact and the improvement in the sustainability of aeroderivate gas turbine. In this study, ambient temperature and pressure values are 288 K and 100 kPa, respectively. As a result of exergy analysis, the largest irreversibilities occur in the combustion chamber, with the 19.47 % of the total input exergy, exergy efficiencies of 94.5 % compression, combustion chamber of 87.1 % from the high pressure turbine were also obtained 95.1 % and finally the low pressure turbine of 94.9 %, the total exergy efficiency of 40.06 % and the recoverable exergy rate of 29.43 %. Combustor has highest exergetic improvement potential with 2.83 MW whereas lowest value is obtained in the low pressure turbine 0.088 MW. The exergetic cost of the stream at the exit of the combustion chamber is about 256.513 MW, considering the exhaust gases as a residue, also, the formation of residue is mainly due to the contribution of the combustion chamber and compressor at 62 % and 38 %, respectively. The exergoeconomic analysis show that the combustor exhibits the greatest exergy cost of 11.74 $/s. The global warming potential is calculated as 393.37 gCO2/kWh , acid rain formation potencial of 16.35 gSO2/kWh and smog formation potential of 15.55 gNOx/kWh. Besides, decrease of waste exergy ratio leads to decrease of environmental effect and increase both exergetic efficiency. Moreover, studying these parameters indicates how much improvement is possible for aeroderivate gas turbine to achieve better sustainability.
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