Evaluación e influencia en el desempeño de centrales termoeléctricas de tipo ciclo simple de tecnologías de aumento de potencia en turbinas a gas

Abstract

Un aumento de alrededor de 30% en la demanda mundial de energía es esperado hasta el año 2040. Este incremento en la demanda de energía evidenciará aún más la necesidad por plantas de generación eléctrica cada vez más eficientes. El desempeño operacional de estas plantas seguirá siendo un aspecto crucial considerando restricciones ambientales y costos de combustible. En plantas termoeléctricas basadas en turbinas a gas, la potencia generada se reduce considerablemente con el aumento de la temperatura ambiente. Varias tecnologías de aumento de potencia para turbinas a gas han sido propuestas durante las últimas décadas, y algunos de estos sistemas han sido aplicados en plantas reales. Las técnicas de aumento de potencia se basan en la filosofía del aumento del flujo másico que pasa a través de las turbinas a gas, lo que a su vez aumenta su potencia producida. Este aumento del flujo másico se obtiene (i) reduciendo la temperatura de entrada a la turbina a gas o (ii) inyectando directamente fluido de trabajo. El objetivo del presente trabajo es evaluar la influencia de diferentes tecnologías de aumento de potencia utilizadas en turbinas a gas en el desempeño de centrales termoeléctricas de tipo ciclo simple. A fin de alcanzar los objetivos propuestos, una metodología de evaluación de técnicas de aumento de potencia en turbinas a gas ha sido inicialmente concebida. Luego, un modelo computacional describiendo realistamente el desempeño de una planta termoeléctrica típica de tipo ciclo simple ha sido desarrollado. Esta herramienta computacional ha sido complementada con modelos representativos de diferentes tecnologías de aumento de potencia. Finalmente, el modelo completo, incluyendo la planta de generación típica y las técnicas de aumento de potencia, ha sido usado para analizar un estudio de caso involucrando una planta termoeléctrica en el Perú. Los resultados de las simulaciones de la planta específica de tipo ciclo simple considerada indican que la potencia generada puede incrementarse a través de todas las tecnologías de aumento de potencia evaluadas. Más específicamente, estos resultados muestran que los sistemas de aumento de potencia basados en refrigeración por absorción producen las mayores ganancias en términos de potencia generada (7.1%) y eficiencia térmica (0.7%). Los referidos resultados confirman la conveniencia de estos sistemas para configuraciones de planta de tipo ciclo simple trabajando en condiciones de operación húmedas y calientes, como las consideradas aquí. Desde una perspectiva económica, dependiendo del nivel de importancia de los indicadores económicos, algunas tecnologías de aumento de potencia pueden resultar más atractivas que otras. En este trabajo, el valor presente neto es considerado como el principal parámetro definiendo la viabilidad de un proyecto de esta categoría. En términos económicos, así, la tecnología de aumento de potencia incluyendo un sistema de refrigeración por absorción es también la más adecuada para la planta específica analizada. Las principales contribuciones de este trabajo incluyen: (i) el desarrollo de una metodología para evaluar técnicas de aumento de potencia en turbinas a gas, considerando condiciones de peración fuera del punto de diseño de plantas de generación de potencia; (ii) el desarrollo de un modelo computacional, capaz de evaluar termodinámica y económicamente la influencia de diferentes tecnologías de aumento de potencia en el desempeño de plantas de generación de potencia; y (iii) la determinación de la tecnología de aumento de potencia más adecuada para una planta específica de generación de potencia, usando la herramienta computacional desarrollada.