Desarrollo de un simulador para el estudio de transitorios de proceso en generadores de vapor por recuperación de calor (HRSG'S)

Abstract

La búsqueda de la mejora continua, disminución en costos y la contaminación ambiental, así como una inevitable disminución de los combustibles fósiles, han llevado a la ingeniería a desarrollar métodos para incrementar la eficiencia de los procesos de generación de energía, entre los cuales está la cogeneración. Aprovechando el calor residual de una turbina de gas mediante un HRSG es posible producir energía térmica útil, principalmente en forma de vapor, y posteriormente utilizar esta energía adicional en algún proceso industrial o para incrementar la generación de energía eléctrica. El comportamiento de la termohidráulica de los equipos de recuperación de calor HRSG, es un proceso complejo que involucra fenómenos de transferencia de calor, dinámica de fluidos y procesos termodinámicos acoplados, así como algunas de las condiciones de control del sistema, por lo que la evaluación de estos fenómenos durante los procesos de estado estable y transitorios es de vital importancia en el análisis del comportamiento de la dinámica de un equipo de recuperación de calor durante la operación de este. Este trabajo muestra la modelación y simulación numérica de un recuperador de calor (HRSG) basándose en los principios fundamentales de la termohidráulica que intervienen en el proceso de generación de vapor, para evaluar el comportamiento global de un sistema sencillo a partir de modelos matemáticos basados en principios físicos que gobiernan el diseño y funcionamiento de los sistemas recuperadores de calor. El trabajo se enfoca en analizar los procesos transitorios de los módulos del HRSG compuestos por el economizador, evaporador, sobrecalentador, domo y sistema de control, ante cambios de carga en el sistema. La principal aportación de este trabajo consistió en el desarrollo de una herramienta numérica (simulador numérico) a partir de modelos seleccionados de la literatura basados en las ecuaciones fundamentales de energía, masa y momento, así como en los principales mecanismos de transferencia de calor, con el fin de evaluar los procesos dinámicos de un HRSG durante operación normal o anormal, así como la respuesta de sus variables principales como: presión, temperatura y flujo másico del vapor, entre otras. Los casos analizados fueron rampas entre los estados estables de 50 a 75%, 100 a 75% y una doble rampa de 50 a 75 a 100%, donde el programa proporciona resultados aceptables (menor al 5.5% de diferencia con respecto a los datos de diseño). Las variables analizadas fueron: temperatura de gases, temperatura de fluido, presión del domo, nivel de líquido en el domo y flujo másico de vapor en cada módulo comparadas con los valores de diseño de un equipo real de HRSG proporcionados por CERREY S.A. de C.V. Es importante mencionar que durante el desarrollo de este trabajo se observaron diferentes áreas de oportunidad para obtener un programa con mayor precisión, por lo cual se plantea una seria de recomendaciones para trabajos futuros como: • Un modelo más robusto del evaporador • Ampliar el sistema de control

• Implementar correlaciones más precisas de transferencia de calor en bancos de tubos. • Incluir equipos auxiliares como quemadores, abanicos, bombas, válvulas de alivio, etc. La posibilidad de simular diferentes escenarios de operación de un HRSG, es clave para determinar procedimientos de campo, mejora de diseños y desarrollo de la tecnología que controla este proceso. Un simulador permite hacer pruebas de cualquier magnitud sin llegar a situaciones reales que pongan en peligro la integridad del equipo, la seguridad del personal y el suministro de la energía.