Modelamiento matemático y simulación mediante análisis energético de un generador de vapor por recuperación de calor (HRSG) de una planta termoeléctrica

Abstract

En el presente trabajo se presenta un análisis exergético a un generador de vapor por recuperación de calor (HRSG) de una central termoeléctrica de ciclo combinado. El análisis exergético a desarrollar no es usado con frecuencia para poder tomar decisiones y/o acciones en la industria de energía teniendo como fin incrementar la eficiencia o identificar el efecto de variables de control en el proceso de generación termoeléctrica por lo cual este trabajo se propone presentar un modelo matemático donde se desarrolle la primera y segunda ley de la termodinámica integrando los conceptos de energía, entropía y exergía. En el desarrollo de la tesis el HRSG se dividirá en bloques que estarán definidas por sus condiciones de operación y cuando se apliquen los balances de exergía en cada bloque se calculará la destrucción de exergía, donde al final la sumatoria total de los bloques nos dará como resultado la destrucción de exergía total que luego se comparará con la exergía de entrada obteniendo la eficiencia mediante la segunda ley de la termodinámica. El modelo matemático estará basado en ecuaciones de conservación que representan los fenómenos de transferencia o transporte que se observan en los sistemas de recuperación de calor, esto será de gran ayuda para analizar nuestro sistema en estados estables y transitorios que son de mucha importancia ya que facilitan la operación del HRSG, así también permitirá estudiar, analizar y simular componentes del HRSG con el fin de generar un mejor aprovechamiento de los recursos energéticos y un comportamiento térmico más eficiente. Los principales mecanismos de transferencia de calor caracterizan la dinámica de los sistemas de generación de vapor e intercambio con los gases de combustión que incluyen la respuesta de variables clave del proceso, como la presión y temperatura. Para poder validar el modelo matemático se construirá el HRSG en el software de simulación Aspen HYSYS® donde se realizará una comparación con el modelo matemático desarrollado, así también se usará data real del HRSG en la simulación.

In the present thesis I show an exergy analysis of a heat recovery steam generator (HRSG) of a combined cycle thermoelectric plant. The exergetic analysis to be developed is not used frequently to be able to make decisions and / or actions in the energy industry, the mission is increasing efficiency or identifying the effect of control variables in the thermoelectric generation process, for which this work is proposed present a mathematical model where the first and second laws of thermodynamics are developed integrating the concepts of energy, entropy and exergy. In the development of the thesis, the HRSG will be divided into blocks that will be defined by their operating conditions and when the exergy balances are applied in each block, the exergy destruction will be calculated, where at the end the total sum of the blocks will give us the destruction of total exergy, which will then be compared with the input exergy, obtaining the efficiency through the second law of thermodynamics. The mathematical model will be based on conservation equations that represent the transfer or transport phenomena that are observed in heat recovery systems, this will be of great help to analyze our system in stable and transient states that are of great importance because facilitate the operation of the HRSG will also allow the study, analysis and simulation of HRSG components in order to generate a better use of energy resources and a more efficient thermal behavior. The main heat transfer mechanisms characterize the dynamics of steam generation and flue gas exchange systems that include the response of key process variables, such as pressure, temperature, and mass flow. In order to validate the mathematical model, the HRSG will be built in the Aspen HYSYS® simulation software where a comparison will be made with the mathematical model presented as well using real data from the HRSG in the simulation.