Estudio termoeconómico constructal de un ciclo combinado de dos niveles de presión Pubblico Deposited
Este estudio se enfoca en un análisis exhaustivo termoeconómico y constructal de un ciclo combinado de dos niveles de presión, con un enfoque específico en el diagnóstico termoeconómico del ciclo y en el diseño de la caldera de recuperación de calor de la central de ciclo “El Sauz”. Dada la relevancia de los sistemas de generación eléctrica basados en el ciclo combinado para cubrí las demandas energéticas del país y su impacto en el desarrollo económico. El objetivo principal de esta investigación es desarrollar una metodología que permita determinar los costos termoeconómico y los parámetros constructales que aseguren el óptimo rendimiento de una central de ciclo combinado. El análisis del ciclo “El Sauz” comienza con un detallado estudio termodinámico, que incluye un análisis energético para caracterizar las propiedades termodinámicas de los fluidos bajo diversas condiciones operativas, y un análisis exergético que evalúa las irreversibilidades del sistema, identificando así posibles áreas de mejora. Posteriormente, se aplica la teoría de costos exergéticos para identificar los elementos responsables de la generación de residuos, incluyendo residuos físicos y químicos de los gases de escape, así como el calor disipado en el condensador. Se determinan los costos asociados a estos residuos, así como los costos de los productos y recursos. Además, se lleva a cabo un análisis de diagnóstico termoeconómico para evaluar el impacto de una posible falla en el compresor, comparando la operación actual con el diseño previsto. Finalmente, el estudio termina con el diseño constructal de la caldera de recuperación de calor, donde se estiman los parámetros que permiten recuperar la mayor cantidad de energía térmica en el sistema. Para llevar a cabo este análisis, se consideran las condiciones ambientales de presión y temperatura de operación del sistema, las cuales son de 0.803 bar y 20 , respectivamente. Bajo estas condiciones, la turbina de gas produce una potencia de 165 MW. Por otro lado, las condiciones de entrada a la turbina de vapor se establecen de 470 y 45 bar. Los resultados de este estudio revelan que el sistema de turbina de gas opera con una eficiencia térmica del 38.48 %, mientras que el ciclo de vapor lo hace con un 32.07 %. Se logra recuperara el 81.61 % del calor de los gases de combustión, lo que genera 73.21MW en el ciclo de vapor. Además, se concluye que el sistema de turbina de gas opera con una eficiencia exergética del 42.79 %, mientras que el ciclo de turbina de vapor alcanza un 55.34 % con una eficiencia exergética combinada del ciclo del 61.61 %. Se ha identificado que dentro del ciclo de la turbina de gas (TG), la CC2 destaca como el componente con la mayor generación de irreversibilidades, alcanzando un total de 54.34 MW. Por otro lado, en el ciclo de vapor, el EVAP se destaca como el elemento con la mayor generación de irreversibilidades, registrando un valor de 12.93 MW. En cuanto al estudio exergoeconómico, se ha determinado que el costo de la generación de potencia tanto para la TG como para el ciclo de vapor es de 2372.76 USD/h Y 1705.35 USD/h, respectivamente. Asimismo, se ha identificado que el mayor costo al residuo físico ocurre en la CC1, mientras que el residuo químico presenta el mayor costo en la CC2. Además, el costo asociado al calor de DAP asciende a 67.71 USD/h, 113.13 USD/h y 143.32 USD/h, respectivamente. En el diagnóstico termoeconómico, se ha observado un incremento en el consumo de recursos de 5337.16 MW debido a una anomalía en el compresor. De este aumento, el 55.07 % correspondientes al incremento en las irreversibilidades internas, el 15.03 % al aumento en los residuos, y el 29.90 % al incremento en la potencia final. Este aumento en el consumo de recursos debido a malfuncciones interna, externa, disfunciones de componentes y productos totales contribuyen con valores de 822.41 kW, 35.86 kW, 1863.75 kW y 2615.15 kW, respectivamente. Por otro lado, en términos de costos, las malfuncciones internas, externas y la disfunción del producto contribuyen con 2170.14 kW, 551.88 kW y 2615.15 kW, respectivamente. Finalmente, el costo adicional del consumo de recursos es de 56.14 USD/h, donde los costos de los recursos externos, las malfuncciones y el producto final contribuyen con -2.72 USD/h, 31.36 USD/h y 27.51 USD/h, respectivamente. En el análisis constructal, se ha identificado una configuración para la caldera de recuperación de calor que, según la ley constructal, representa una evolución en el diseño del sistema, permitiendo un flujo más libre, mayor esbeltez y un mejor desempeño. Al emplear como parámetro la generación de entropía por unidad de la longitud y el parámetro de configuración al diámetro de la tubería para las secciones de la caldera de recuperación de calor, se ha determinado que para una tubería de 3.5 pulgadas, la generación de entropía mínima es de 19.7 MW/k m. Esta reducción de entropía del 90.48 % se logra mediante la reducción de los diámetros de las tuberías, que fueron de 1.14, 5.0, 4.9 y 3.9 pulgadas para el EVBP, EC, EVAP Y SC, respectivamente.
This study focuses on a comprehensive thermoeconomic and constructal analysis of a twopressure level combined cycle, with a specific emphasis on the thermoeconomic diagnosis of the cycle and the design of the heat recovery boiler of the “El Sauz” combined cycle power plant. Given the relevance of electricity generation systems based on the combined cycle to meet the country’s energy demands and their impact on economic development, the main objective of this research is to develop a methodology that allows determining the thermoeconomic costs and constructal parameters that ensure the optimal performance of a combined cycle power plant. The analysis of the “El Sauz” cycle begins with a detailed thermodynamic study, including an energy analysis to characterize the thermodynamic properties of fluids under various operating conditions, and an exergy analysis that evaluates the system’s irreversibilities, thus identifying potential areas for improvement. Subsequently, the theory of exergy costs is applied to identify the elements responsible for waste generation, including physical and chemical waste from exhaust gases, as well as the heat dissipated in the condenser. The costs associated with these wastes, as well as the costs of products and resources, are determined. Additionally, a thermoeconomic diagnostic analysis is carried out to evaluate the impact of a possible failure in the compressor by comparing the current operation with the intended design. Finally, the study concludes with the constructal design of the heat recovery boiler, where the parameters that allow the maximum recovery of thermal energy in the system are estimated. To carry out this analysis, the environmental conditions of pressure and temperature of the system operation, which are 0.803 bar and 20 °C, respectively, are considered. Under these conditions, the gas turbine produces a power output of 165 MW. On the other hand, the inlet conditions to the steam turbine are set at 470 °C and 45 bar. The results of this study reveal that the gas turbine system operates with a thermal efficiency of 38.48 %, while the steam cycle operates with 32.07 %. A total of 81.61 % of the combustion gases’ heat is recovered, generating 73.21 MW in the steam cycle. Additionally, it is concluded that the gas turbine system operates with an exergetic efficiency of 42.79 %, while the steam turbine cycle reaches 55.34 %, with a combined cycle exergetic efficiency of 61.61 %. It has been identified that within the gas turbine cycle (GT), the CC2 stands out as the component with the highest generation of irreversibilities, reaching a total of 54.34 MW. On the other hand, in the steam cycle, the EVAP stands out as the element with the highest generation of irreversibilities, recording a value of 12.93 MW. Regarding the exergoeconomic study, it has been determined that the cost of power generation for both the GT and the steam cycle is 2372.76 USD/h and 1705.35 USD/h, respectively. Moreover, it has been identified that the highest cost for physical waste occurs in CC1, while chemical waste presents the highest cost in CC2. Additionally, the cost associated with the DAP heat amounts to 67.71 USD/h, 113.13 USD/h, and 143.32 USD/h, respectively. In the thermoeconomic diagnosis, an increase in resource consumption of 5337.16 MW has been observed due to an anomaly in the compressor. Of this increase, 55.07 % corresponds to the increase in internal irreversibilities, 15.03 % to the increase in waste, and 29.90 % to the increase in final power. This increase in resource consumption due to internal malfunctions, external malfunctions, component dysfunctions, and total products contributes values of 822.41 kW, 35.86 kW, 1863.75 kW, and 2615.15 kW, respectively. On the other hand, in terms of costs, internal malfunctions, external malfunctions, and product dysfunction contribute 2170.14 kW, 551.88 kW, and 2615.15 kW, respectively. Finally, the additional cost of resource consumption is 56.14 USD/h, where the costs of external resources, malfunctions, and final product contribute -2.72 USD/h, 31.36 USD/h, and 27.51 USD/h, respectively. In the constructal analysis, a configuration for the heat recovery boiler has been identified which, according to the constructal law, represents an evolution in system design, allowing for freer flow, greater slenderness, and better performance. By using the entropy generation per unit length and the configuration parameter to pipe diameter for the sections of the heat recovery boiler as a parameter, it has been determined that for a 3.5-inch pipe, the minimum entropy generation is 19.7 MW/km. This 90.48 % reduction in entropy is achieved by reducing the pipe diameters, which were 1.14, 5.0, 4.9, and 3.9 inches for EVBP, EC, EVAP, and SC, respectively.
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