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Simulación ciclos combinados mediante hysys

Se muestra la simulación de un ciclo combinado con combustión suplementaria mediante Hysys

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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.

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Simulación ciclos combinados mediante hysys

  • 1. 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
  • 2. 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.
  • 3. 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.
  • 4. 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).
  • 5. 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.
  • 6. 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.
  • 7. 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.
  • 8. 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.
  • 9. 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.
  • 10. 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.
  • 11. 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.