m a s a a i a a empo

Universidad Autkoma Metropolitana

*

ANALISIS TERMICO DEL RECUPERADOR DE CALOR DE LA UNIDAD 1.

TERMOELECTRYCA DE CICLO COMBINADO TULA, HIDALGO.

1'

SERVICIO SOCIAL QUE PRESENTAN LOS ALUMNOS:

kAZCANO SORIANO LUIS CESAR SANCHEZ ROSALES IGNACIO

ASESOR:

0r. Hernando Romero Paredes Rubio.

M e m b r e de 1996.

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m T P h S

ANALISIS TÉRMICO DEL RECUPERADOR DE CALOR DE LA UNIDAD 1, TERMOEL~CTRICA

CICLO COMBINADO TULA, HIDALGO 1

Flujo másico [ kg./s o Ib/hr ] Temperatura

Entalpía [ kJ/kg o Btu/lb I Entropía [ kJlkg K o Btu/lb F 1

[ K o F I Presión abs. [ bar o psia I

I. Introducción

El siguiente trabajo es un análisis térmico del recuperador de calor con el fin de cuantificar la energía térmica aprovechada en este. Debido al proyecto de los enfriadores evaporativos y la refrigeración por absorción, el flujo másico de los gases de combustión en la caldera de recuperación de calor (HRSG por sus siglas en ingles) se incrementarán, esto lleva como consecuencia un aumento en la energía térmica disponible para el calentamiento y evaporación del agua en el recuperador; si queremos mantener las condiciones de temperatura y presión a lo largo del recuperador y antes de entrar a la turbina de vapor, será necesario incrementar el flujo de agua en el HRSG. La realización de este trabajo permitirá cuantificar las pérdidas totales en la caldera de recuperación de calor, así como la cantidad de flujo de vapor extra que se puede generar al incrementar el flujo de gases de escape de la turbina de gas.

Para llevar a cabo el proyecto será necesario respaldarse de los datos proporcionados por la planta, es decir, la instrumentación del HRSG, la evaluación de los puntos en el HRSG necesarios para la evaluación térmica que no estén instrumentados se obtendrán realizando balances de masa y energía, y utilizando fundamentos termodinámicos corno más adelante se detallará.

Con respecto de definir las variables que intervienen en las diferentes partes de los equipos, se tiene la siguiente sirnbología.

SIMBOLOG¡A

1

4 Las variables identificadas y requeridas para un primer análisis son las siguientes (figura 1). * ?

2

II. Descripción del equipo

Fabricante Foster

Presión de diseño kg/cmz 102.1 Wheeler

,Temperatura de diseño OC 537.7 Presión hidrostática kQ/Cmz 153.1

1I.A Caldera de recuperación de calor (HRSG)

En este equipo se realiza la úansferencia de calor de los gases de combustión al agua para calentarla y evaporarla. La Unidad es un recuperador de calor marca Foster Wheeler en un arreglo de cuatro secciones: en la parte más alta el evaporador de baja presión, a continuación el economizador, el evaporador de alta presión y finalmente el sobrecalentador, dividido en dos secciones, primero el sobrecalentador primario y después de ser atemperado con agua proveniente del economizador entra al sobrecalentador secundario (figura 1 ).

Generador de vapor (HRSG) Ul-U2

Fabricante 1 Foster Wheeler Flujo de vapor 1202,273

3

., . <._r .... ~ .

No. de pasos No. de tubos Longitud efectiva de tubos

Superficie de calentamiento Tubería diámetro exterior Material tubos Cabezal entrada

I160 Cabezal salida I mm I355 cédula

~~~

2 384

m 192 de 12.6 192de11.9

m2 6014 mm 50.8 (aletado)

SA 21 3 T22 mrn 355 cédula

Economizador U142 Fabricante Presión de diseno

Superficie de calentamiento Tubería diámetro exterior Material tubos Cabezal entrada (diámetro)

I Foster Wheeler I

192 de 12 mz 33804 mm 50.8 (aletado)

rnm 152.4 cédula SA-1 78 A

371.1

I

I1584 Im I1392 de 11.91

4

I Cabezal salida (diámetro) I mm 1 152.4 c6dula I

Material tubos Cabezal entrada (diámetro) Cabezal salida (diámetro)

SA-I 78A mm 914.4 mm 914.4

1l.B Quemadores posteriores

entrada al recuperador de calor, por medio de la combustión de gas natural con el extxso de oxígeno contenido en los gases de escape de la turbina de gas.

capacidad de flujo de vapor en el recuperador de calor y así la capacidad de generación de la turbina de vapor crece en un 20% aproximadamente.

Son un equipo que permite incrementar la temperatura de los gases de

Con este incremento de temperatura por los quemadores se incrementa la

Tipo Número de auemadores

Inc. Rejilla R

Flujo de gas (consumo) Capacidad Combustible Material Elementos No. de barrenos

malh 5834.395 kcalih 57.96 x 1 O6

Gas natural Acero al carbón 21 por quemador 5 tin SIR"

IV. Información disponible en la planta

La planta cuenta con la instrumentación necesaria para el análisis térmico del recuperador de calor, la siguiente tabla indica los parámetros que se pueden leer en monitores o en las hojas de los operadores, así como la composición del combustible suministrado por PEMEX.

El combustible utilizado en la cámara de combustión de la turbina de gas y en los quemadores posteriores es gas natural suministrado por PEMEX. La composición del gas natural que esta empresa reporta a través de un contrato es la siguiente:

Existe un problema calcular la transferencia de calor con los parámetros antes mencionados ya se obtienen resultados puntuales, es decir, en un determinado día y hora. Puesto que se pretende calcular las pérdidas de energía mensuales para el segundo semestre de 1995, los datos puntuales no son útiles.

6

En este caso se tomaran los datos que aparecen en las hoias de los o~eredom S (datos históricos) y se simplificaran los puntos denotados en el diagrama del raperador de calor de la figura 1, ya que después de analizar los datos de monitores se llegó a la conclusión de que en algunos puntos la temperatura y presión son las mismas, y en otros solo la presión.

Así la nueva lista de variables requerida para el análisis será la siguiente (figura 2).

Ubicación de loo parámetros a utilizar en el análisis

mil, TI, y pi1 TA T.

Atemperador. Temp. gases de comb. a la entrada al HRSG. TemD. (lases de comb. a la salida del HRSG

I ** Tz Y PZ I

TA I I

Figura 2.- Nomenclatura empleada para el análisis térmico de la caldera de recuperación de calor, Termoeléctrica Ciclo Combinado Tula, Hidalgo.

A continuación se presentará los procedimientos para el cálculo del calor transferido de los gases de combustión al recuperador de calor, utilizando los promedios mensuales de julio a diciembre, de los datos hist6rims mensuales (hojas de los operadores).

8

V. Memoria de cálculo del recuperador de calor (HRSG) Unidad 1 Termoeléctrica Ciclo Combinado Tula, Hgo

W.A Balance de energía.

Con base en los balances de energía, el siguiente análisis modela la transferencia de energía en el recuperador, esto lo más apegado a la realidad pues se manejan datos reales de operación de la instrumentación con la que cuenta la planta. Un diagrama temperatura-entropia ejemplifica más claramente el propoceso de evaporación del agua en HRSG (figura 3).

Domo de baja prea16n

Entropía (kJ¡kg K o W l b R)

Figura 3 .- Diagrama esquemático, temperatura vs entropía (Termoelécrica Ciclo Combmdo Tula, Hgo).

El recuperador de calor (HRSG) es básicamente un intercambiador de calor dividido en cuatro secciones las cuales son el evaporador de baja presión, economizador, evaporador de alta presión y el sobre calentador, este último dividido en dos partes, el sobrecalentador primario y sobrecalentador secundario. El objetivo es analizar cada sección, obtener las entalpías en cada punto y

9

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determinar la cantidad de energía aprovechada por el agua con la que se alimenta el recuperador; para el caso de la combustión del gas natural se analizará la combustión tanto en la cámara de combustión (turbina de gas), como en los quemadores posteriores, de esta forma se obtienen las pérdidas globales que se presentan en el recuperador de calor; en pérdidas globales se incluyen las pérdidas por radiación, conducción, convección, aislamiento y por purgas.

Se utilizarán las hojas que manejan los operadores, así como la información proporcionada por PEMEX de la composición del combustible empleado en la termoeléctrica, sin embargo para poder hacer la evaluación de transferencia de calor se necesitan conocer ciertos puntos en el recuperador, que no están instrumentados. A continuación se desarrollan los pasos a seguir para la evaluación de los puntos restantes.

Punto l(Agua de alimentación proveniente de condensados): De la información de las hojas de diario, se conoce la temperatura y la presión; el agua se encuentra como líquido comprimido a la presión del domodeaereador (figura 3).

Punto 2 (Domo-deaereador baja presión): La información disponible es la temperatura y la presión; existe una mezcla líquido-vapor.

Punto 2A(Entrada al evaporador baja presión): La temperatura y presión son las mismas que el punto 2; el agua se encuentra como líquido comprimido.

Punto 2B(Saiida del evaporador baja presión): La presión es la misma del domodeaereador, la temperatura es la de saturación a la presión antes mencionada; aquí se produce vapor saturado a baja presió (figura 3).

Punto 3(Entrada a la bomba de baja presión): La temperatura y presión son las mismas del punto 2; el fluido se encuentra como líquido comprimido.

El objetivo de conocer estos cuatro puntos es para calcular el flujo de vapor que se produce el evaporador de baja presión (mu) y conocer la cantidad de energía en éste equipo.

Las ecuaciones del balance en el domo de baja presión para conocer el flujo son las siguientes (figura 4):

donde Im4=m

mu(ha - h d = msht + mihi

m3h3 + mihi mZA =

(hm - hw)

agua de condensados

J Domc-deaereaáor

baja presidn \ baja pNSi6n I / I m, h2s

AI econornkador

baja presi6n

I Figura 4.- Esquema de los elementos a considerar en el balance de energía y masa para el domo de baja presión.

Punto 4(Saiida de la bomba, entrada al economizaáor): De la información histórica de la central se conoce Únicamente la presión, sin embargo el proceso 3-4 es isoentrópico, por lo que (s.=%); además se puede conocer la entalpía como:(ei agua se encuentra como líquido comprimido).

h4 - ht = ~ 3 ( ~ 4 - p3)

h4 = ~ 3 ( p - p) +ht

Punto 5(Sdda del economizador): La presión es la misma del punto 4; pen, se necesita conocer otro parámetro para calcular sus propiedades termodinámicas, en este caso de 5 0 existe una caída de presión isoentálpica, es decir, hs=he; el flujo que alimenta al domo de alta presión disminuye ya que se

11

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?

realiza una extracción en este punto para atemperar el vapor sobrecalentado ( nodo Y, figura 5).

Punto ó(Dom0 de alta presión): Se conoce la temperatura y la presión; existe una mezcla líquido-vapor.

Punto 6A(Entrada ai evaporador alta presión): La temperatura y presión son las mismas del domo alta presión; el fluido se encuentra como líquido comprimido.

Punto 6B(Saiida del evaporador alta presión): La presión es la misma del domo; la temperatura es la de saturación a ésa presión.

Punto 7(Entrada ai sobrecalentador primario): La temperatura y presión corresponden al vapor saturado que se produce en el evaporador de alta presión; el fluido se encuentra como vapor saturado.

Punto 8(saiida del sobrecalentador primario): El único dato conocido es la presión (presión del domo de alta). Para conocer las condiciones a la salida del sobrecalentador primario se tiene que hacer un balance en el nodo "Y (figura 5).

mshs + mii hii = mghs

mshs-rniihii

ms hs =

ml1 hll

Nodo x Atemperador

msb

Del s.c primario. -

RecuDerador de calor

- AI S.C. secundario.

Figura 5.- Esquema representativo de los elementos a considerar en energía y masa para el sobrecalentador.

J

.. - . . ... " .... . .. . . .. . . .

balance de

12

..

Punto 9(Entrada al sobredentador secundario): Se conoce la temperatura y la presión (pQ=p6): el agua se encuentra como vapor sobrecalentado.

Punto lO(Saiida del sobrecalentador secundari 'O): Este punto son las condiciones con las que el vapor sale del recuperador de calor, más adelante se realiza un flasheo, con el fin de producir más vapor y así enviarlo a la turbina de vapor.

Punto ll(Extracci6n a la salida del economizador): Sus propiedades termodinámicas son las del punto 5.

Para estimar las pérdidas de energía en el recuperador de calor (HRSG) se realiza un balance de energía en este último.

El término Q guos dc comburti~ se refiere al calor transferido después de los quemadores posteriores.

A continuación se muestra la forma de calcular la energía térmica cedida al agua para cada equipo que conforma el recuperador de calor.

Q- b.1i -n= mdhzs-hd

Finalmente la energía aprovechada para el calentamiento y evaporación del agua es la sumatoria de cada componente del recuperador de calor, por lo que las péurdidas globales serán calculadas como: J

13

V.B Análisis de la combustión

Metano Etano Propano n-Butano

El combustible utilizado en la cámara de combustión de la turbina de gas y en los quemadores posteriores es gas natural suministrado por PEMEX. La composición del gas natural que esta empresa reporta a través de un contrato es la siguiente:

87.829 11.5068 0.4129 0.0385 A

COZ I 0.0014 Ni 1 0.118

NOx co so2 coz o2

136 ppm 0.0 0.0 3.3

14.6

Iso-Pentano I 0.013 n-pentano y mas pesados I 0.08034 1

El objetivo de realizar un análisis de los gases de combustión es el de determinar las fracciones molares de estos después de los quemadores posteriores, estas fracciones molares permanecerán constantes durante el paso de los gases a través de la caldera de recuperación. La determinación de las fracciones molares es necesaria para conocer la capacidad térmica específica a presión constante (Cp) de la mezcla de gases de combustión, y junto con los datos de la temperatura de esta mezcia a la entrada y salida de la caldera de recuperación, poder determinar la cantidad total de calor que los gases de combustión transfieren en dicha caldera.

De acuerdo con el departamento químico de la planta el análisis de los gases de escape de los recuperadores de calor arrojan los siguientes datos:

La reacción estequiométrica para un mol de combustible es la siguiente:

0.000014 COZ + 0.00118 N2 + 0.87829 CHI + 0.115068 C2Hs + 0.004129 C f i + 0.000385 &Hi0

+ 0.09334 C5Hiz + CLi (02 + 3.76 Nz) j Qz COZ + C& HzO + CCI Nz

Balance de átomos:

Carbono (C).

0.000014 + 0.87829 + 0.1 15068 (2) + 0.004129 (3) + 0.000385 (4) + 0.09334 (5) = ~z

Hidrógeno (H).

0.87829 (4) + 0.1 15068 (6) + 0.004129 (8) + 0.000385 (10) + 0.09334 (12) = 2 OL,

oxígeno (O).

0.000014 (2) + 2 ai 2 Ctz + C &

Nitrógeno (N). 0.001 18 (2) + 3.76 (2) ai = 2

Resolviendo ai sistema anterior de cuatro ecuaciones y cuatro incógnitas, se obtiene io siguiente:

ai ~2.929186 az = 1.589067 C& = 2.680265 CCI = 11.014919

por io tanto la ecuación estequiométrica para un mol de combustible queda como sigue:

0.000014 C02 + 0.001 18 NZ + 0.87829 CHI + 0.1 15068 CZHS + 0.004129 C3K + 0.000385 C4Hio

+ 0.09334 CsHiz + 2.929186 (02 + 3.76 Nz) + 1.589067 COZ +2.680265 HzO +11.0149194 NI

15

~ .. . . . I . . ,

de acuerdo a la ecuación anterior la Relación Aire Combustible estequiométrica es:

Como datos para resolver el problema planteado se sabe que el porcentaje en volumen de oxígeno(0z) a la salida de la caldera debe ser de 14.6% y para el bióxido de carbono(C02 ) de 3.3% . Estos porcentajes a la salida de la caldera son los mismos que después de los quemadores posteriores, por lo que si se determina la ecuación de combustión que se realiza después de los quemadores posteriores se habra determinado entonces las fracciones molares que se requieren.

Hipótesis (figura 6):

I. La cantidad de nitrógeno que entra al compresor de la turbina de gas es la misma que abandona la caldera (no hay otra entrada de. gas).

11. El flujo que circula por la caldera es la suma del flujo de aire que admite el compresor mas el flujo de combustible que se inyecta en la cámara de combustión de la turbina de gas mas el flujo de combustible utilizado en los quemadores posteriores.

IiI. La cantidad de oxígeno que sale excedente de la turbina de gas es la que se utiliza para oxidar al combustible de los quemadores posteriores.

IV. La cantidad de bióxido de carbono a la salida de la caldera es la suma del bióxido de carbono producido por la combustión en la turbina de gas mas el que se produce en los quemadores posteriores, lo anterior es también válido para el agua producida por la combustión.

V. La cantidad de oxígeno que sale de la turbina de gas y utilizado parcialmente en los quemadores posteriores es la que sirve para formar el bióxido de carbono y agua.

16

I Figura 6.- Esquema que muestra en forma matemática las hipótesis consideradas en el análisis de la combustión (Termoeléctrica Ciclo Combinado Tula, Hgo)

La ecuación de combustión después de los quemadores posteriores queda planteada como sigue:

combustible + aire 2 c ~ 2 COZ + 2 at HzO +(a - 01;! -at /2)02 + (oir + O.O0118)N2

donde los coeficientes a2 y (w son los mismos coeficientes de la ecuación estequiométrica de combustión, es decir:

c12 = 1.589067 at =2.680265

entonces:

combustible + aire j3.178134 C02 + 5.36053 HZ0 + (W - 2.929199)02 + (oir + 0.00118)Nz

como ya se dijo anteriormente, el porcentaje en volumen a la salida de la caldera de oxígeno (a) y de bióxido de carbono (COZ) es 14.6 y 3.3% respectivamente, entonces se pueden plantear las siguientes ecuaciones:

=0.033 3.178 134

3.178 134 + & - 2.9291 99 + as + O. O01 18 a4 - 2.929199 = O. 146

3.178 134 + & - 2.9291 99 + as + O. O01 18

reescribiendo las ecuaciones anteriores se obtiene:

17

. ~.

0.033 a4 + 0.033 ac = 3.1698802 0.854 a4 - 0.146 = 2.9657158

coz HZO o2 Nz

resolviendo el sistema de ecuaciones se obtienen los siguientes resultados:

3.178 134 0.03 1260041 5.36053 0.052722603 14.0608353 0.138301997 79 068 122 0777711933

a = 16.9900343 OLC = 79.0669415

por lo tanto, se la ecuación de combustión después de los quemadores posteriores es la siguiente:

combustible + aire j3.178134 Co2 + 5.36053 HzO + 14.0608353 o2 + 79.068122 NZ

de acuerdo a la enterior ecuación de combustión se obtienen las fracciones molares de los gases de combustión:

Masa molar de la mezcla de gases de combustión = 28.535 191 kgkgmol

La cantidad total'de calor transferida por los gases de combustión desde que entran hasta que salen de la caldera de recuperación está dada por la siguiente relación:

entonces:

18

en donde:

coz Hz0 o2

Nz

CP - = a + bT+ cTZ+ dT3+ eT4 Ru

2.401 8.735 -6.607 2.002 - 4.070 -1.108 4.152 -2.964 0.807 3.626 -1.878 7.056 0.764 2.156 3.675 -1.208 2.324 -0.632 -0.226

en donde las constantes a, b, c, d, e se encuentran reportadas para cada uno de los componentes que forman la mezcla de los gases de combustión.

Integrando la ecuación (I) utilizando los límites de integración para los datos promediados de cada mes, se obtienen los siguientes resultados:

En las siguientes tablas se presentan los resultados obtenidos de los balances de masa y energía, así corno del análisis en la combustión para el segundo semestre de 1995 (Julio-üiciernbre) de la Unidad 1. En el anexo A se presentan la información histórica del recuperador de calor; datos disponobles en la planta.

19

V.C combustión

Flujo de vapor generado al aumentar el flujo másico de los gases de

La colocación de enfriadores evaporativos para enfriar el aire que entra al compresor con el propósito de aumentar la potencia que entrega la unidad de turbina de gas trae como consecuencia un aumento en el flujo másico a la entrada del compresor (esto debido al aumento de la densidad del aire) y por lo tanto un aumento en el flujo másico de los gases de escape de la turbina o gases de combustión. AI aumentar éste flujo, la energía disponible para la transferencia de calor en el recuperador será mayor, siempre y cuando se mantengan las condiciones de temperatura a la entrada y salida de los gases de combustión. Esto traerá como consecuencia un aumento en la generación de vapor. Los siguientes balances modelan el cálculo de la generación de vapor al aumentar el flujo másico de los gases de combustión:

De acuerdo al balance para el evaporador de baja presión se obtiene

rnwCp(Tc-Te)=mz(hze-hm) v.c.1

de donde rnz (hze - ~ Z A )

Tc = + TB

donde m2: Flujo de vapor generado en el evaporador de baja presión, bajo

opreción actual.

mps: Flujo.de gases producto de la combustión que entran a la caldera de recuperación de calor, bajo operación actual.

Cp: Calor específico a presión constante de los gases producto de la combustión. a la temperatura de salida de la caldera de recuperación de calor

De esta forma se conoce la temperatura de los gases producto de la combustión entre el evaporador de baja presión y el economizador(Tc). Si se considera que las temperaturas Te y Tc se mantiene constantes al colocar el sistema de enfriadores evaporativos, se utilizará de nuevo la ecuación v.c.1 , pero ahora para calcular el nuevo flujo de vapor generado en el evaporador de baja presión (mi), utilizando para esto un nuevo flujo de gases producto de la combustión (mps’).

20

(Tc - TB) mi‘= -‘CP (h28-W

Para calcular el nuevo flujo de vapor generado para alimentar la turbina de vapor(m,’), se utiliza el balance hecho para el deaereador (ver figura 4)

de esta forma se puede calcular el porcentaje de vapor extra generado, como.

(mi-mi)

mi Flujo extra de vapor = x 100

J

_., . ... . .-

21

VI m J ü

. "

VI. Conclusiones:

El comportamiento de la caldera de recuperación de calor es adecuado a su funcionamiento, las pérdidas globales que se originan varian entre los 12.5 y 8.22% (calculos con promedios mensuales) lo que indica el buen funcionamiento de éste. Sin embargo existe un gradiente de temperatura de los gases de combustión a la salida del recuperador de calor y la temperatura ambiente, por lo que se tiene cierta energía no disponible.

En cuanto al porcentaje extra de vapor que se puede producir se concluye que es proporcional al flujo de extra de gases de combustión provenientes de la turbina de gas y de los quemadores posteriores, esto considerando que las pérdidas globales en el recuperador de calor se mantienen constantes, además de mantener tanto presión y temperatura constante del vapor producido por lo que cualquier aumento en los gases productos de la combustión existirá éste mismo aumento en el vapor producido.

Un factor muy importante a considerar es el flujo de agua que se utiliza en la atemperación; los balances de masa y energía que se presentaron son considerando el flujo de atemperación constante, en la realidad esto no pasa; una forma muy práctica era realizar los balances sin considerar esa extracción en el punto 1 1 (figura 2),sin embargo se caería en un error. Para un análisis más exacto seria recomendable que en las hojas de los operadores se lleve el registro del flujo de atemperación (punto 1 l), el cual se tiene en monitores.

Durante la estancia en la planta nos pudimos percatar de una falla en la turbina de vapor, por lo que se le tuvo que dar mantenimiento mayor, una consecuencia muy importante de ese mantenimiento fue el para de las unidades 1 y 2 de las turbinas de gas, debido a que el recuperador de calor no debe de trabajar en seco, es decir sin producir vapor. Sin embargo al existir demanda en generación en algunas ocasiones se tuvo que trabajar así, esto puede provocar fracturas en los tubos en el interior de la caldera de recuperación de calor provocando posiblemente altos costos en su reparación; un proyecto importante a realiza sería el de construir un ducto de escape a la salida de la turbina de gas, con el fin de poder operar esta como ciclo abierto evitando el paso de los gases de combustión a través del recuperador de calor y así generar con las unidades turbogas mientras se realice una posible reparación a las unidades de vapor.

22

VU. Bibliografía

Termodinámica. Kenneth Wark Jr. McGraw-Hill. Quinta edición p.p. 516-525, 688493,807,822-829

Ingeniería termodinámica. M. David Burghardt editorial Harla .p.p. 295-304

Anexo A

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