USO DE HERRAMIENTAS DE SIMULACION EN CICLOS COMBINADOS

Alderetes Carlos O. 1

1 Departamento de Electromecánica – Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Resistencia

French 414 - Resistencia, Chaco - Argentina correo-e: calderetes@set-ing.com

RESUMEN

Los ensayos de performance (performance test code) que se aplican a equipos tales como turbinas

de gas o vapor, compresores, calderas, etc. son ejecutados bajo normativas internacionales como

ASME, ISO o CEN. Los test están destinados a la aceptación de equipos nuevos o bien de equipos

en uso bajo procesos de reformas para mejoras de su capacidad y/o rendimiento. Estos

estándares tienen una gran importancia tanto técnica como comercial.

La realización de estos ensayos bajo procedimientos normalizados, requiere diversas mediciones

con exactitud y laboriosos cálculos de propiedades termofísicas y químicas que intervendrán en la

resolución de balances de masas y energía con el propósito de obtener los principales parámetros

operacionales de interés del equipo o instalación evaluada.

En este trabajo se muestra el uso de las herramientas de simulación Aspen Hysys V8.6 para la

resolución de dos casos concretos a partir de datos reales. En una primera parte se comparan los

resultados que surgen de la aplicación de la norma ISO 2314 para turbinas de gas con el modelado

por Hysys, mostrando la compatibilidad entre ambos y la confiabilidad del modelado bajo el

software. Luego se aplican a: 1) evaluación de un ciclo combinado sin y con postcombustión y 2)

balance energético de una caldera de recuperación de calor de gases del tipo OTSG (Once

Through Steam Generators). El trabajo enseña las ventajas de estas herramientas aplicadas a los

test de performance que, de manera sencilla, rápida y con gran precisión, amplían el análisis de

escenarios establecidos por las normativas al poder manejar y calcular diversas variables y

parámetros operacionales que por otros métodos podría resultar muy laborioso y demandar largos

tiempos de cálculos manuales.

Palabras Claves: simulación, ciclos, Hysys

1. INTRODUCCIÓN

Bajo un escenario de reducción de reservas de combustibles fósiles con incremento de

importaciones de los mismos, y aumentos progresivos de precios tanto de energía como

combustibles en Argentina, es clara la importancia que el uso racional y eficiente de la energía

adquirió. En este contexto es que resulta de gran importancia no sólo el monitoreo energético de

instalaciones existentes sino también garantizar la performance de aquellas nuevas que se

incorporan al parque energético. Los ciclos combinados son los de mayor rendimiento y los que

más aportan a la matriz energética en el país 1,2,3. .

Los ciclos combinados pueden comenzar su operación inicial como tales o como ciclos simples

abiertos con turbinas de gas para incorporar luego el ciclo de vapor o bien surgir de la

transformación de existentes ciclos simples. En estas instalaciones y por el nivel de inversiones

requerido, tanto la puesta en marcha de una instalación nueva como el repotenciamiento de una

existente, es clara la importancia de garantizar una operación eficiente al menor costo posible.

Una parte esencial de estos proyectos de inversión y como cláusula del contrato entre la parte

adquirente y el proveedor del o los equipos (turbina, caldera, bombas, torres de enfriamiento, etc.)

es la ejecución de los test de aceptación de los mismos (performance test code) para verificar el

cumplimiento de los parámetros especificados y garantizados en la propuesta técnico-comercial.

1.1. Ensayos de performance

Son procedimientos de medición y cálculos estandarizados que 4,5:

1. Proveen reglas y procedimientos para la conducción y reporte de ensayos de equipos

mecánicos, térmicos, eléctricos, procesos, sistemas, etc.

2. Sirven para determinar si los mismos cumplen con los criterios de performance

establecidos en las propuestas técnicas comerciales.

3. Para medir fenómenos relacionados a la operación o uso de tales equipos.

4. Proveen validez a las comparaciones entre los desempeños esperados y actuales.

5. Se aplican a equipos nuevos (test de aceptación) o usados (control o bajo reforma).

6. Independiente del objeto de la prueba, la precisión y la fiabilidad debe ser la base del

trabajo de principio a fin del ensayo.

Un test de performance fija los requisitos previos al ensayo, durante y posteriores al mismo, las

variables medidas, su rango de variación, el instrumental recomendado, el nivel de incertidumbre

aceptable, la frecuencia de medición, la duración del ensayo, el tratamiento de datos, los cálculos y

emisión de resultados. Para turbinas de gas, vapor y calderas de recuperación los estándares más

difundidos son:

ISO 2314-2009: Gas turbine – Acceptance test.

ASME PTC 22-2005: Gas turbine – Performance test code.

ASME PTC 6-2004: Steam turbine – Performance test code.

ASME PTC 6-2:2004: Steam turbine in combined cycle.

ASME PTC 4.4-2008: Gas turbine Heat Recovery Steam Generators.

1.1.1 Reportes del test

Una vez que el test fue realizado, los estándares citados brindan las ecuaciones para el cálculo de

los balances de masas y las propiedades termodinámicas de los fluidos involucrados

(combustibles, aire y gases de combustión) para el balance de energía. Estos modelos no son

obligatorios y quedan sujetos al acuerdo entre las partes involucradas definir cuáles serán los

usados 6,7. Un estudio comparativo detallado sobre la exactitud y alcance de estos modelos

propuestos se encuentra en el estándar VDI-4670 8.

2. SIMULACION CON HYSYS

Para el análisis de los casos a presentar y dado que no es mandatorio el uso de los modelos

termodinámicos sugeridos en los estándares usuales, se usó el simulador Aspen Hysys V8.6 por

su amplio espectro de aplicaciones y validaciones en la industria de gas y petróleo y en otras de

procesos 9,10,11,12.

A los fines comparativos se utilizó el estándar ISO ISO 2314-2009 - Anexo B, que desarrolla un

ejemplo de sus aplicaciones para el caso de un ciclo simple abierto de turbina de gas. Tomando los

datos de entrada usado en ese ejemplo se construyó el modelo (figura N°1). Para el cálculo de las

propiedades termodinámicas de los fluidos se usó el modelo de Peng Robinson recomendado para

el cálculo de propiedades de hidrocarburos y sus mezclas. En el modelado del combustor se eligió

un reactor de equilibrio de Gibbs.

Figura N°1 – Simulación ciclo simple con Hysys – Anexo B ISO 2314:2009

Los resultados de la simulación condujeron a resultados técnicamente comparables y coincidentes

con el ejemplo, de modo que se procedió con su utilización a la vez de incluir parámetros

adicionales para la caracterización del ciclo térmico. Otros aspectos de gran importancia en estos

ensayos son las correcciones que deben efectuarse al variar la composición del combustible y las

condiciones ambientales (temperatura, presión y humedad relativa) que sirven de referencia para

la fijación de la potencia ISO de la turbina de gas (15°C, 0.1013 MPa y 60% de humedad) y

algunas pérdidas en la caldera de recuperación, tales como las debida a los gases de escape

hacia la atmósfera. La simulación es de gran ayuda para estos casos.

2.1. Análisis de caso N°1 – Ciclo combinado sin postcombustión

En este caso se analiza un ciclo simple abierto con turbina de gas bajo el ciclo de Brayton, cuyos

datos de diseño y de prueba se muestran en la tabla N°1 y al que desea transformarse en ciclo

combinado bajo dos opciones:

Ciclo combinado estándar sin quemador suplementario.

Ciclo combinado con combustión suplementaria.

En ambos casos se desea conocer todos los parámetros esenciales de operación y performance

con fines de benchmarking con instalaciones similares. En la simulación, la caldera de

recuperación de calor de gases es del tipo OTSG (Once Through Steam Generators).

Especificaciones Datos del ensayo

Potencia neta TG 144 Mw (ISO) 147 MW (ISO)

Relación compres 14 14

Cantidad de

combustores

18

Etapas compresor

y turbina gas

19 / 4 -

Combustible Gas natural Gas natural

Temperatura de los

gases de escape

558°C 562.6°C

Flujo de gases 440 kg/s 441.5 kg/s

Rend.ciclo simple 35.29% 34.94%

Heat Rate ciclo gas 10.200 kJ / Kwh 10.303 kJ / kwh

Tabla 1. Comparación ciclo propuesto y real

En la figura N°2 se muestra la instalación del ciclo simple modelado bajo datos del ensayo y en la

tabla N°2 se resumen los principales indicadores operativos y de performance del mismo. Se indica

también la composición del gas natural y de los gases de combustión que emergen del combustor.

Los datos emitidos por el modelo fueron validados por las mediciones de los ensayos.

Figura 2 – Ciclo simple de turbinas gas – Caso N°1

Estos datos serán la línea base y se mantendrán a lo largo de los análisis posteriores de agregado

del ciclo turbovapor para formar el ciclo combinado.

Tabla 2 – Indicadores operativos y de performance del ciclo simple TG

En la figura N° 3 se muestra el modelo del ciclo combinado tradicional sin postcombustión. En la

tabla N°3 puede observarse que la temperatura del vapor sobrecalentado adquiere un valor

relativamente bajo (460°C) para esta clase de instalaciones, cuya magnitud dependerá del salto

térmico disponible entre la temperatura de los gases a la salida de la turbina y la temperatura del

vapor sobrecalentado deseado. En este caso un rango entre t = 90-100°C entre ambos fluidos

(gases escape turbina y vapor sobrecalentado) es considerado aceptable para estas aplicaciones

en calderas de recuperación.

Figura 3 – Ciclo combinado sin postcombustión

Tabla 3 – Indicadores del ciclo combinado sin combustión suplementaria

La diferencia de temperaturas entre gases de escape y vapor sobrecalentado adoptado permite,

por un lado, el uso de aceros de baja aleación en el sobrecalentador (ASTM A 213-T22) y a la vez

limitar la superficie de calefacción de la caldera de recuperación.

2.2. Análisis de caso N°1 – Ciclo combinado con combustión suplementaria

En la figura N°4 se muestra el modelo al que se agrega un nuevo combustor que simula el

quemador de ducto para elevar la temperatura de los gases y en la tabla N°4 se muestran los

casos analizados y los resultados de las simulaciones.

Figura 4 – Ciclo combinado con postcombustión

El análisis permite ver entre el caso base (sin quema suplementaria de gas) y el caso N°2, que si

bien hay una reducción en el rendimiento del ciclo (3.3%), se obtiene un aumento de casi 8% en la

potencia generada. Por otro lado, al pasar de 460 a 520°C en la temperatura del vapor, el

sobrecalentador exigirá otra calidad de material, más costosa (ASTM A 213-T91) y la caldera será

de una capacidad un 15% mayor. Un análisis financiero determinará la mejor opción considerando

las inversiones requeridas y los ingresos por la energía vendida.

Parámetro Caso base Caso 1 Caso 2 Caso 3

Gas suplementario 0 0.4323 kg/s 1.017 kg/s 1.248 kg/s

Temperatura gases 562.6 600 650 670

Temperatura vapor 460 520 520 520

Vapor generado 73.69 kg/s 76.24 kg/s 84.82 kg/s 88.16 kg/s

Potencia neta TV 70.050 kw 78.170 kw 86.970 kw 90.390 kw

Potencia CC 213, 70 Mw 221,90 Mw 230.70 Mw 234.10 Mw

Rendimiento CC 51.97% 51.41% 50.24% 49.81%

Heat Rate CC 6927 kJ/kwh 7003 kJ/kwh 7165 kJ/kwh 7267 kJ/kwh

Tabla 4 – Resultados comparativo ciclo combinado con y sin postcombustión

2.3. Análisis de caso N°2 – caldera de recuperación de calor de gases de escape

Otra aplicación interesante con Hysys es el balance energético de las calderas de recuperación de

calor de los gases de escape. En el ciclo analizado, el equipo es de diseño OTSG de una sola

presión, un solo paso y sin domo, cuyo diseño se muestra en la figura N°5.

Aquí la caldera se simula en sus partes componentes como un set de intercambiadores de calor en

serie en el que a través del ensayo se miden las variaciones de temperaturas de los gases y el

modelo permite conocer los flujos a calor absorbidos en cada parte por la variación de entalpía de

los fluidos que intercambian calor. Los resultados se reflejan en la tabla y grafico N°5.

Figura 5 – Modelado caldera recuperación OTSG sin postcombustión

Tabla 5 – balance energético caldera de recuperación OSTG

3. CONCLUSIONES

El uso del HYSYS aplicado a los ciclos combinados demuestra ser una herramienta de gran valor

para el personal de operaciones o ingeniería de planta, por su versatilidad, precisión y facilidad de

uso, posibilitando extender los análisis tradicionales y obtener datos que por cálculos manuales

serían muy laboriosos. Posibilita el análisis de escenarios y de sensibilidad bajo las condiciones

típicas encontradas en las instalaciones reales, mejorando la toma de decisiones.

4. REFERENCIAS

[1] CAMMESA. Informe Mensual, diciembre 2017. Website: http://portalweb.cammesa.com

[2] Kehlhofer Rolf: Combined Cycle. Gas & Steam Turbine Power Plants, 3rd edition.

Edit.PennWell, 2009, USA.

[3] Boyce P. Mehran: Handbook for Cogeneration and Combined Cycle Power Plants. ASME Press,

2002, USA.

[4] ASME Performance Test Code PTC 1 – General Instructions. Published by the American

Society of Mechanical Engineers, 2011, NY.

[5] ASME Performance Test Code PTC 19.1 – Test Uncertainty. Published by the American Society

of Mechanical Engineers, 2005, NY.

[6] ASME PTC 22-2005: Gas turbine – Performance test code. Published by the American Society

of Mechanical Engineers, 2005, NY.

[7] ISO 2314-2009: Gas turbine – Acceptance test. Published by ISO, Swizterland, 2009

[8] VDI 4670 - Blatt 1: Thermodynamische Stoffwerte von feuchter Luft und Verbrennungsgasen.

Verein Deutsche Ingenieure, Germany, 2003.

[9] Hamid Mohd Kamaruddin: Aspen HYSYS. An Introduction to Chemical Engineering Simulation.

Edit. Lambert Academic Publishing, 2013, UK.

[10] Gil Ivan, Guevara Javier: Análisis y simulación de procesos en ingeniería química. Editado por

la Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, 2011.

[11] Khan Masud, Hassan Nur: Thermofluid modeling for energy efficiency applications. Edit.

Elsevier, 2016, USA.

[12] Dimian Alexandre, Bildea Costin: Integrated design and simulation of chemical processes, 2nd

edition. Elsevier, 2014, USA.