REDIELUZ
ISSN 2244-7334 / Depósito legal pp201102ZU3769 Vol. 9 N° 2 • Julio - Diciembre 2019: 80 - 86
(Pilot plant for combined cooling, heat and power generation)
Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín, Maracaibo-Venezuela moralesmeleanrodolfo@gmail.com
La presente investigación tuvo como objetivo principal proponer una planta piloto para la produc- ción de calor, electricidad y frio a partir de trigenera- cion. La misma estuvo sustentada teóricamente por autores como Cengel y Boles (2009), Creus (2011) y Dixon (1978). La metodología empleada muestra que fue de tipo descriptiva-proyectiva con un diseño no experimental. Esta estuvo conformada por cinco
(5) fases las cuales comprenden la descripción de los procesos convencionales, establecer los pará- metros y requerimientos, los diseños a realizar, la selección de tecnologías a emplear y la validación de la planta mediante la herramienta computacio- nal. Entre los resultados obtenidos se tienen que la planta está conformada por un ciclo combinado con cogeneración en adición de un sistema de refrigera- ción por absorción, la cual cuenta con una produc- ción total de 32MW de electricidad, 12MW de calor en forma de agua caliente y una carga de refrige- ración de 105KW con una eficiencia del 47.85%, siendo esta última comparada con otros sistemas de generación mediante curvas de comportamien- to dentro de los mismos parámetros de operación, quedando como la opción más óptima y eficiente entre las cuatro configuraciones. Por último, se de- sarrolló una HMI mediante programación G para si- mular la operación del sistema en orden secuencial mediante interruptores para accionar cada proceso así como ciclo de generación.
The main objective of the present investigation was to propose a pilot plant for the production of heat, electricity and cold from trigeneration. The same was theoretically supported by authors such as Cengel and Boles (2009), Creus (2011) and Dixon (1978). The methodology used shows that it was descriptive-projective with a non-experimental design. This was made up of five (5) phases which comprise the description of the conventional pro- cesses, establishing the parameters and require- ments, the designs to be carried out, the selection of technologies to be used and the validation of the plant using the computational tool. Among the re- sults obtained, the plant is made up of a combined cycle with cogeneration in addition to an absorption refrigeration system, which has a total production of 32MW of electricity, 12MW of heat in the form of hot water and a load 105KW cooling system with an efficiency of 47.85%, the latter being compared to other generation systems through performance curves within the same operating parameters, re- maining as the most optimal and efficient option among the four configurations. Finally, an HMI was developed using G programming to simulate the operation of the system in sequential order using switches to activate each process as well as the generation cycle.
Con el paso de los años el creciente aumento de la población ha tenido como consecuencia un impacto alarmante en la demanda de energía en sus diversas formas, debido a eso se ha hecho ne- cesaria la planificación y construcción de plantas de generación con el fin de satisfacer estas deman- das, las cuales a su vez, debido a la quema de los combustibles requeridos para su funcionamiento contribuyen a la continua contaminación tanto del aire atmosférico como del agua de los lagos, ríos u océanos dependiendo de su localización.
Buscando formas de obtener una mayor eficien- cia que permita reducir el consumo de combusti- ble se ha optado por realizar modificaciones tanto a las turbinas a gas como a las centrales de vapor mediante una configuración de ciclo combinado au- mentando la producción de electricidad. Además de eso han surgido plantas de cogeneración para adi- cionar la obtención de energía en forma de calor de acuerdo a la demanda requerida.
Ahora una tercera forma a considerar es la re- frigeración o la producción de frio para almacenar productos de diversos tipos a bajas temperaturas así como la climatización de edificios asegurando un ambiente adecuado, estos por lo general tien- den a ser propuestos como plantas o equipos inde- pendientes a los de cogeneración para electricidad y calor, por lo tanto al unir estas formas de energía en un solo ciclo se tienen los sistemas de trigenera- cion los cuales funcionan a partir de una sola fuente de combustible.
Debido a todo lo anterior, en la presenta inves- tigación se establece como objetivo de la misma realizar el desarrollo de una planta piloto a partir de un sistema de trigeneracion, para la producción continua de electricidad, calor y frio la cual empie- za describiendo la metodología a emplear conside- rando el tipo de investigación así como el diseño correspondiente para su posterior desarrollo, todo esto tomando en consideración el aporte realizado por los diversos autores que permiten justificar di- cha metodología.
Por último, se tienen los resultados de la investi- gación que parten de la descripción de los métodos convencionales para la producción de electricidad, calor y frio, sumado a eso se determinan los pará-
metros y requerimientos necesarios citando diver- sas referencias, para luego llevar a cabo el diseño de la planta a partir de los mismos, siendo seguido entonces por la selección de los equipos a utilizar y finalmente la validación de la propuesta mediante la simulación computacional.
Proponer una planta piloto para la producción de calor, electricidad y frio a partir de trigeneracion.
Esta investigación se considera de tipo descrip- tiva, la cual Cortes e Iglesias (2004) definen como aquella que busca especificar las propiedades, las características y los perfiles importantes de perso- nas, grupos, comunidades o cualquier otro fenóme- no que se someta a un análisis. Describe situacio- nes, eventos o hechos, recolectando datos sobre una serie de cuestiones y se efectúan mediciones sobre ellas, buscan especificar propiedades, carac- terísticas y rasgos importantes del fenómeno que se analice. Estos estudios presentan correlaciones muy incipientes o poco elaboradas.
En virtud de lo anterior, se considera de tipo des- criptiva al proponer una planta piloto a partir de un sistema de trigeneración, dado a que este requiere especificar las propiedades además de caracterís- ticas de los ciclos que conforman dicho proceso, de manera que puedan ser sometidas a un análisis que permita establecer de acuerdo a criterios que los elementos de electricidad, calor y refrigeración pueden trabajar en conjunto mediante estudios ter- modinámicos, cuyo funcionamiento pueda ser eva- luado con la aplicación de simulaciones.
Sumado a eso, como un segundo tipo a consi- derar se tiene la investigación proyectiva que según Hurtado (2010) esta se define como la elaboración de una propuesta o de un modelo, como solución a un problema o necesidad de tipo practico, ya sea de un grupo social, o de una institución, en un área particular del conocimiento, a partir de un diagnós- tico preciso de las necesidades del momento, los procesos explicativos o generadores involucrados y las tendencias futuras.
Ahora de acuerdo a la anterior, la investigación se considera también de tipo proyectiva además de
descriptiva al tomar en cuenta la innovación que re- presenta la propuesta de una planta piloto a partir de un sistema de trigeneración, esto con el propó- sito de obtener nuevas tecnologías con una mejor eficiencia energética sumado a una menor conta- minación en beneficio del sector ambiental e indus- trial, a su vez desarrollar nuevas técnicas para la ingeniería en el control y la automatización de los procesos que conforman el ciclo completo.
En el diseño de la investigación, de acuerdo con Hernández, Fernández y Baptista (2010) el diseño no experimental es aquel que se realiza sin mani- pular deliberadamente las variables. Es decir, se trata de estudios donde no se hace variar en forma intencional las variables independientes para ver su efecto sobre otras variables. Lo que se hace en la investigación no experimental es observar fenóme- nos tal como se dan en su entorno natural, para posteriormente analizarlos.
A su vez, Gómez (2006) expresa que la inves- tigación no experimental podría definirse como la investigación que se realiza sin manipular delibera- damente variables. Lo que se hace es observar fe- nómenos tal y como se dan en su contexto natural, para después ser analizados. En la investigación no experimental no es posible asignar aleatoriamente a los participantes o tratamientos. De hecho, no hay condiciones o estímulos a los cuales se expongan los sujetos de estudio.
De acuerdo a lo planteado, esta investigación es de diseño no experimental debido a que la planta piloto a partir de un sistema de trigeneracion es una propuesta de un proceso a escala sin contar con un modelo real en operación, cuyas variables se ob- servan en escenarios o condiciones nulas que se puedan estudiar, por lo que se procede a analizar el comportamiento de estas en un entorno natural mediante el uso de la herramienta computacional en simulaciones y validar su funcionamiento, lo que hace imposible su manipulación en su contorno de- liberadamente.
A continuación se presentan los resultados ob- tenidos en la investigación, los cuales muestran cómo se llevan a cabo los procesos convenciona- les para la obtención de calor, electricidad y frio de
acuerdo a los parámetros de operación necesarios a tomar en cuenta en el momento en que se reali- za el diseño del sistema de trigeneración, seguidos por el diagrama de procesos de la misma así como su validación con la herramienta computacional.
Para efectos de la investigación se tiene que la producción de electricidad se lleva a cabo a partir de una ciclo combinado entre una turbina a gas y una de vapor, tomando en cuenta que a partir de diver- sas referencias como artículos científicos, trabajos de grado, o plantas reales de generación se estima que los gases calientes que salen de la expansión de la turbina a gas se encuentran a 542 al momento de ingresar en la caldera de recuperación de calor, la cual genera vapor a una temperatura de 480 con una presión de 8MPa y una salida de 75KPa que permita una generación de 32MW siendo 8MW del sistema de vapor, mientras que los 24MW restantes se obtienen a partir de la turbina a gas.
Ahora en el proceso de producción de calor, se realiza una extracción controlada en la turbina de vapor a una presión de 1MPa la cual es dirigida ha- cia un intercambiador de calor con el propósito de calentar el agua que pase por los tubos del mismo a una razón de 12MW permitiendo que el agua calien- te llega a temperaturas de aproximadamente 95,la cual puede ser usada como agua caliente sanitaria (ACS) o como una fuente de calor de proceso de acuerdo a su aplicación ya sea esta industrial o no.
Por último, en la producción de frio se utilizan sistemas de refrigeración por absorción amonia- co-agua con una capacidad total estimada de 105KW, es decir aproximadamente unas 30 tone- ladas de refrigeración los cuales usan fuentes de energía térmica (como el vapor de proceso) que no requieran estar a elevadas temperaturas para ac- cionar el proceso de absorción. Por lo tanto, a par- tir de todo lo mencionado anteriormente se puede observar en la siguiente figura el diagrama de pro- cesos correspondiente al sistema de trigeneracion.
Figura 1. Diagrama de procesos de la planta piloto a partir de trigeneración
Fuente: Morales (2019).
De acuerdo a lo anterior, se puede observar en la figura que se cuenta con el ciclo combinado en- tre la turbina a gas y la de vapor, sumado a que la extracción controlada que se realiza en la segunda permite calentar el agua que pasa por el intercam- biador la cual puede ser usada como la fuente de energía térmica que requiere el sistema de refrige- ración por absorción.
A partir de este diagrama y de los límites de operación en cuanto a presión, temperatura y ge- neración establecidas anteriormente se determinan las propiedades termodinámicas correspondientes a este sistema, entre las cuales resaltan la tempe- ratura máxima a la cual trabaja el ciclo que es de 1004.34 a la salida de la cámara de combustión así
como la calidad al final de la expansión de la turbi- na de vapor que es de 0.9518 indicando que hay muy poca presencia de humedad lo que asegura un buen funcionamiento.
Sumado a lo anterior, el flujo de vapor total que
se maneja dentro del sistema de generación es de
13.86 donde unos 5.55 están siendo usados para la extracción controlada. Además a partir de un aná- lisis de transferencia de calor en la caldera se de- termina que para obtener esta generación de vapor se requieren unos 108.06, el cual al ser un flujo de gas muy grande este se divide en dos turbinas a gas con una generación de 12MW cada una. En la siguiente figura se puede observar un modelo en 3D con la distribución de la planta piloto.
Figura 2. Parasolidos de la planta piloto a partir de trigeneración Fuente: Morales (2019).
Como se observa en la figura los gases calien- tes que salen de ambas turbinas son dirigidos ha- cia la caldera de recuperación y una vez, estos son usados para generar el vapor son expulsados ha- cia la atmosfera por medio de la chimenea a una temperatura de 228.9, es decir que estos gases se enfriaron en más de 200 grados al pasar por los distintos elementos de transferencia de la caldera que van desde el sobrecalentador hasta llegar al economizador.
Ahora para validar el funcionamiento de la plan- ta piloto se hace una comparación entre diferentes sistemas de generación, comenzando por una tur-
bina a gas en ciclo simple seguida por un ciclo com- binado al agregar la turbina de vapor sin conside- rar ninguna extracción, luego se toma en cuenta la cogeneración mediante la producción de calor por medio del agua caliente.
Por último, la trigeneración al sumar el sistema de refrigeración por absorción. Estos son analiza- dos dentro de los mismos parámetros de operación variando únicamente la temperatura máxima que se maneja a la salida de la cámara de combustión dentro de un rango que va desde 900 a 1100 con el propósito de generar unas curvas de eficiencia como se observan a continuación.
Comparacion de eficiencias entre sistemas de generacion
50
TG
45 CC
COG
Eficiencia del ciclo(%)
TRIG
40
35
30
25
900 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100
Temperatura maxima (C)
Figura 3. Gráfica de comparación de Eficiencia vs Temperatura máxima
Fuente: Morales (2019).
Como se puede observar en la gráfica la turbi- na a gas simple no se acerca al 30% de eficiencia mientras que al formar un ciclo combinado con la turbina de vapor se logran obtener valores supe- riores al 35% pero inferiores al 40%, los cuales son superados al llevar a cabo la cogeneración adicionando la generación de calor al sistema pero al considerar la producción de frio del sistema de refrigeración (trigeneración) se observa que la di- ferencia entre curvas es muy pequeña pero que representa un gran aumento debido a que esta es una generación en régimen permanente, es decir
que se puede obtener una producción continua (ré- gimen permanente) de las tres formas de energía durante todo el tiempo de operación de la planta.
Adicionalmente, se puede mostrar el funciona- miento de la planta mediante la simulación de un control ON/OFF donde se puede controlar el encen- dido y apagado de cada uno de los elementos que forman parte del sistema de trigeneración utilizando cinco interruptores en orden secuencial donde cada uno depende del anterior para cumplir su función. Estos se observan en la siguiente figura.
Figura 4. Panel frontal de la planta piloto a partir de trigeneracion
Fuente: Morales (2019).
Como se observa en la figura, el primer interrup- tor inicia el encendido de los motores de arranque de la planta mientras que el segundo realiza la in- yección de combustible sin generación de vapor dado que el tercero envía los gases calientes des- pués de la expansión hacia la caldera de recupe- ración de calor, tomando en cuenta que el cuarto maneja la extracción controlada hacia el intercam- biador para obtener el agua caliente que finalmente el quinto usa para activar los sistemas de refrigera- ción por absorción.
Por último, como discusión se puede tomar en cuenta que el sistema de trigeneración es viable desde el punto de vista termodinámico conside- rando que sus parámetros de operación fueron ob- tenidos a partir de los datos de plantas reales en funcionamiento, y que estos a su vez mediante las ecuaciones termodinámicas permitieron realizar las curvas de eficiencia con el propósito de comparar el desempeño de cada sistema de generación.
Luego de llevar a cabo la investigación, se han obtenido diversas conclusiones entre las que se tiene que el rango de la temperatura máxima que maneja la turbina a gas en la realización de las cur- vas de eficiencia, juega un papel importante en el comportamiento de las configuraciones dado que para valores por debajo de 900℃ el ciclo únicamen- te puede operar como un sistema simple, mientras que si es mayor a los 1100℃ las temperaturas ob- tenidas en la entrada de la turbina de vapor son demasiado altas para los limites de operación que suelen manejan los fabricantes.
Para concluir, de entre todas las configuracio- nes estudiadas dentro de los mismos parámetros de operación, la más eficiente fue la trigeneración
cuyo desempeño permitió obtener una generación simultánea de potencia eléctrica, agua caliente y una carga de refrigeración durante todo el tiempo de operación de la planta una vez esta configura- ción entra en total funcionamiento.
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