22 de abril de 2014 modelado de plantas de ciclo...
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LA ENERGÍA EN LA FACULTAD DE INGENIERÍA
22 DE ABRIL DE 2014
Modelado de Plantas de Ciclo-Combinado
Por
Dr. Gabriel León de los Santos
Procesos y uso eficiente de la Energía, Posgrado en Energía
Departamento de Sistemas EnergéticosDivisión de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería-
UNAMTel. 56223026 [email protected],
Ciudad Universitaria, México, D.F.
Antecedentes:
En plantas de potencia, los costos de operación son los de mayor incidencia sobre el costo total.
La evaluación de los costos totales de generación eléctrica debe de evaluar individualmente cada uno de los aspectos que conforman los costos fijos y los variables.
Los costos fijos no varían en proporción a la cantidad de producción, como sueldos administrativos, impuestos, seguros, depreciación, rentas, servicios públicos.
Los costos variables cambian en proporción a la cantidad de producción, que resultan ser de insumos directos y mano de obra directa.
Los costos totales son la suma de los costos fijos mas los costos variables.
CT(X) = CF + CV(X) ........................ (1) Costo Total y Costo Fijo mas Variable
Donde X es el nivel o cantidad de producción. En este caso MWh
Una forma de conocer dichas curvas, es modelar y simular el desempeño de lasunidades y con ello determinar los parámetros de operación que permitan obtenerlas funciones que representan el consumo de combustible.
Modelado de las curvas de desempeño:
1. Las plantas o sus unidades generadoras están sujetas a un despacho o asignación de generación, por lo cual deben subir o bajar carga, lo que les implica incurrir en costos incrementales por cambios en su eficiencia de generación.
2. Las funciones de régimen térmico (RT) han sido modeladas desde muchos puntos de vista y con diferentes grados de complejidad, pero siempre buscando reflejar el comportamiento del consumo del combustible por MWh generado.
3. Estas funciones continuas introducen el uso de varias variables para reflejar el desempeño de una unidad, por ejemplo:
Curva del consumo térmico o RT para cada nivel de carga y unidad de generaciónCurva de consumo incremental por bloque de consumoCurva de consumo medioConsumo de grupo; con frecuencia se modela con una ecuación de tercer orden Consumo incremental instantáneo
THERMOFLEX Version 21.0 Rev ision 1 DR.GABRIEL Univ ersidad Nacional Autonoma de Mexico - UNAM
Sheet 11910 File = C:\Documents and Settings\GABRIEL\Mis documentos\CIA\Articulos\ARTÍCULOS\Modelo de punto de equilibrio\2011 ACTUALIZACION\Tres domos, siemens 56 2x1.tf x
10-21-2011 13:48:47
psia F lb/s BTU/lb
CCGT 2x1
Tres niveles de presión, una extracción y deareador
Rangos de valores para el derateo de carga en las turbinas de gas 53.45 a 32.13 % efic7041.3 a 10701.1 BTU/KWhreferencia
Ambient temperature 59 F
Gross power 765634 kW
Gross electric effic iency(LHV) 53,37 %
Gross heat rate(LHV) 6394 BTU/kWh
Net power 747934 kW
Net electric effic iency(LHV) 52,13 %
Plant auxiliary 17700 kW
Net heat rate(HHV) 7263 BTU/kWh
1
16
2
3
17
18
25
26
4
5
19
21
27
28
8
29 13 22
23
30
31
36
9 32 37 38
10
11
33
34
39
40
1220
2435
41
14
15
44
6
42
43
7
45
46
11
2320,6 1078,5270,4 1514,1
9
435,1 635,1270,4 1325,1
16
53,61 261,3526,5 230,2
2
14,64 307,43008 58,28
38
2,901 140,2465,4 1021,4
32
58,02 290,5406,9 1167,3
40
58,02 464119,6 1265,6
14
2,901140,2465,4108,1
17
14,92661,73008150,5
34
435,1 656,7136,5 1337,3
25
14,78 4693008 99,87
37
36,26 261,4526,5 1158,2
3
59,18 291,8119,6 321,8
11
2320,6 1078,5270,4 1514,1
46
15,07 1083,53008 266
715,07 1083,51504 266
4515,07 1083,51504 266
6
406,1 7763,2 21518
G1
280692 kW
G2
52856 kW
G3
83181 kW
G4
68212 kW
G5
280692 kW
1
13
214 193 1520
4
5
SGT5-4000F
6
21 11 17
22
7
8 23 26 27
9 24 28
10
16
1825
29
12
30SGT5-4000F32
3336
1
16
2
3
17
18
25
26
4
5
19
21
27
28
8
29 13 22
23
30
31
36
9 32 37 38
10
11
33
34
39
40
1220
2435
41
14
15
44
6
42
43
7
45
46
11
2320,6 1078,5270,4 1514,1
9
435,1 635,1270,4 1325,1
16
53,61 261,3526,5 230,2
2
14,64 307,43008 58,28
38
2,901 140,2465,4 1021,4
32
58,02 290,5406,9 1167,3
40
58,02 464119,6 1265,6
14
2,901140,2465,4108,1
17
14,92661,73008150,5
34
435,1 656,7136,5 1337,3
25
14,78 4693008 99,87
37
36,26 261,4526,5 1158,2
3
59,18 291,8119,6 321,8
11
2320,6 1078,5270,4 1514,1
46
15,07 1083,53008 266
715,07 1083,51504 266
4515,07 1083,51504 266
6
406,1 7763,2 21518
De los resultados numéricos de una simulación para diferentes condiciones de cargaen la central se obtienen las demás simulaciones que permiten obtener las curvasdel comportamiento de régimen térmico.
Con este análisis se obtienen las curvas de eficiencia
Fig. 18
-50000 100000 250000 400000 550000 700000 85000020
30
40
50
60
Gross power [kW]
Net
ele
ctr
ic e
ffic
ien
cy(L
HV
) [%
]
EFICIENCIA VS. CARGA CCGT 2X1 DERATEO EN AMBAS TURBINAS
Thermoflow Macro (THERMOFLEX) 21.0
TFLEX.MTF
Fig. 19
400000 500000 600000 700000 80000043
45
47
49
51
53
Gross power [kW]
Net
ele
ctr
ic e
ffic
ien
cy(L
HV
) [%
]
EFICIENCIA VS. CARGACCGT 2X1 DERATEO UNA SOLA TURBINA
Thermoflow Macro (THERMOFLEX) 21.0
TFLEX.MTF
• Para el régimen térmico
Fig. 20
-50000 100000 250000 400000 550000 700000 8500005000
7000
9000
11000
13000
15000
Gross power [kW]
Gross
heat
rate
(LH
V)
[kJ/k
Wh
]
CONSUMO DE COMBUSTIBLE VS CARGACCGT 2X1 DERATEO AMBAS TURBINAS
Thermoflow Macro (THERMOFLEX) 21.0
TFLEX.MTF
Fig. 21
400000 500000 600000 700000 8000006500
6800
7100
7400
7700
8000
Gross power [kW]
Gross
heat
rate
(LH
V)
[kJ/k
Wh
]
CONSUMO DE COMBUSTIBLE VS. CARGACCGT 2X1 DERATEO UNA SOLA TURBINA
Thermoflow Macro (THERMOFLEX) 21.0
TFLEX.MTF
•
• Se modela en una función de régimen térmico y los comportamientos anteriores. •
El análisis es caracterizar la relación entre el costo de operación y la cantidadde energía eléctrica suministrada.
El interés esta en cómo el costo por MWh cambia con la cantidad, porqueeso dirá cómo alcanzar el despacho más económico de generación para unademanda dada.
En México lo anterior se hace mediante tablas de meritos, los cuales son elcriterios para asignar la generación a cada unidad, a cada central del país.
y las tablas son construidas con los datos de los valores de las curvas delrégimen térmico.
Un ejemplo es la siguiente tabla:
A
B
A
B
A
B
RH1
RH2
2
3
4
5
6
7
8
910
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
2
3
4
5
6
78
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Ambient temperature 25 CGross heat rate(LHV) 7762 kJ/kWhNet power 421272 kWNet electric efficiency(LHV) 44.77 %Net heat rate(LHV) 8041 kJ/kWhNet fuel input(LHV) 940945 kWPlant auxiliary 15157 kW
Simulacion del ciclo hibrido formado por las unidades 4, TG5, TG6 y TG7 de la CT Valle de México, CFE
Realizo: Dr. Gabriel León de los Santos
Distribución (2) de agua de alimentación a las 3 HRSG`S (13,14,15))
ALIMENTACIÓN (3) A GENERADOR DE VAPOR CONVENCIONAL
Para evaluar este modo de operación estan en servicio las tres turbinas de gas con sus recuperadores, la turbina de vapor con 2 calentadores de alta presión y 3 de baja presión en servicio y el generador de vapor de la unidad 4.
Alimentación a TV
De generador de vapor
De HRSG`s
a TV
Datos base para simular y evaluar el proyecto de captura y secuestro de carbono en la unidad,
(NGCC Oxy-Combustion Power Plant With CO2 capture
0.7713 269.4
274.2 261.8
5
0.7713 130.7
93.8 118.3
67
0.7888 539.2
274.2 567.1
24
40 430
60.26 3285
98
0.7707 20.09
269.1 -5.029
7
0.7713 25
268.5 0
26
170 486.9
120.5 3243
33
1.013 25
4.995 46281
22
30 25
5.112 46281
23
30 25
5.112 46281
90
30 25
5.112 46281
91
187.6 176.6
94.03 757.8
54
187.6 176.6
68.72 757.8
55
187.6 176.6
162.7 757.8
71
187.6 176.6
31.34 757.8
116
187.6 176.6
31.34 757.8
115
187.6 176.6
31.34 757.8
114
184 176.7
68.72 757.8
14
9 105.9
4.536 444.5
146
2.587 38.79
4.457 162.6
72
170 430
52.48 3050
37
0.0689 38.74
4.457 162.2
77
0.7713 25
268.5 0
95
0.7707 20.09
269.1 -5.029
81
14 339.3
0 3127
42
7.9 273.6
0.079 3001
44
24 408
0 3260
46
2.9 174
0 2811.9
481.4 112.3
0.138 2696.2
500.55 83.74
0.332 2566.9
52
170 486.9
120.5 3243
33
2.437 105.8
4.536 443.4
782.437 105.8
4.536 443.4
2
9 173.5
162.7 734.3
147
76,919 kWe
G4
76,919 kWe
G3
76,919 kWe
G1
205,670 kWe
G2
Site Menu: Site altitude2240 m
1
2
4
47
57
3
27
75
5
58
59
6 7
60
61
62
63
8 9 10 11 12
13
14
64
65
15
ALS GT 11N2
66
ALS GT 11N2
67
ALS GT 11N2
16
17
68
69
18
20
2324
70 71
72
76
77
90
25
73
74
26
28
29 3031 32 33 34
35
78
79
80
81
82
91
92
93
36
37
83
84
38 39 40 41 42 43 44 45 46
85
86
87
94
95
96
48
49
50°
51
52
105
107
108
109
53
19 21 22 97 98
99100
101 102
103 104
54
88
89
110
55
56106
1
2
5
6
53
65
66
79
3
4
38
105
106
107
7
80
81
8
9
28
10
11
30
82
83
31
84
85
143
86
87
144
88
89
145
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
90
91
24
92
93
25
26
94
95
27
29
3233
96 97
98
108
109
11034
35
36
99
100
101
102
103
104
37
3940
4142 43444546 4748 4950 5152
54
55
114115
116
117118
119120
121122
123
124
125
111
112
113
134
135
136
56 57 58 59 60 61 62 63 64
126
127
128
129
130
131
137
138
139
140
141
142
67
68
69
70
71
72
73
146
148
149
150
74
75
76
132
133
151
77
78147
THERMOFLEX Version18.0 Revision 2 SISTENER2 Universidad Nacional Autonoma de Mexico - UNAM1910 File = C:\Documents and Settings\Gabo\Mis documentos\CIA\tesis\licenciatura\Rocio\thermof low\Unidad 4 Valle de Mexico 26 mayo 2010.tfx 05-26-2010 13:55:58
bar C
kg/s kJ/kg
THERMOFLEX Version 21.0 Rev ision 1 SISTENER2 Univ ersidad Nacional Autonoma de Mexico - UNAM
Sheet 11910 File = C:\Documents and Settings\Gabo\Mis documentos\CIA\tesis\Maestria\galv an robles\thermof low\Mnzanillo Sinergia CCGT 1x1.tf x 06-27-2011 15:11:30
bar C kg/s kJ/kg
SIMULACION ACADEMICA MANZANILLO SIN SINERGIA Se muestra el resultado para el equivalente de una turbina de gas y una turbina de vapor (1X1); La planta es 3x1, para obtener la capacidad total multiplicar por 3 16 de junio de 2011
85.3 MW OBJ ETIVO
objetiv o 50.7 /537.4AP
OBJ ETIVO 58.5 / 537.3MP
OBJ ETIVO 67.66 /321.1BP
85.3 MW
Site Menu: Site altitude 15 m
Site Menu: Ambient temperature 28 C
Gross power 242122 kW
Gross electric efficiency(LHV) 55 %
Gross heat rate(LHV) 6546 kJ/kWh
Net power 237280 kW
Plant auxiliary 4842 kW
Water consumption 0 kg/s
Gen/Motor Powers: Generator[1] of Gas Turbine(GT PRO)[6] power 156434 kW
Net electric efficiency(HHV) 48.57 %
Net electric efficiency(LHV) 53.9 %
4
0.091 4467.92 184.2
50.091 4467.92 184.2
10
2.438 105.815.14 443.5
12
2.438 105.850.75 443.5
72.486 44.0467.92 184.5
261.034 349.3427.7 351.6
28
1.024 270.5427.7 264
29
1.021 247.1427.7 238.3
64
132.4 534.450.7 3426
67
2.438 105.80 443.5
75
63.32 107.115.14 453.6
157
8.191 105.70 443.5
17260.86 28015.12 2799.9
176
1.1 38.614295 214.8
177
1.5 304295 180.4
178
1.1 30.014295 180.4
17928 230
8.797 50575
18228 230
8.797 50575
18228 230
8.797 50575
183
1.011 28418.9 3.062
184
1.011 28418.9 3.062
184
1.011 28418.9 3.062
40
58.5 537.365.82 3511
59
2.438 121.667.92 510.5
191
62.08 277.80.0151 1225.2
193
143.3 338.50.0507 1584.6
208
1.039 374.9427.7 380.4
209
1.036 374.3427.7 379.7
211
60.86 28015.12 2799.9
15
1.011 133.6427.7 115.5
13
2.486 44.0467.92 184.5
21
1.054 568.3427.7 603.8
22
1.051 516.9427.7 543.4
23
1.049 492.4427.7 514.9
71
1.046 492.4427.7 514.9
72
1.044 488.4427.7 510.3
39
59.67 377.265.82 3121
73
137.7 37650.7 2910.1
74
60.86 378.265.82 3121
70
140.5 34050.7 2671.8
69
143.3 338.550.7 2633.4
68
143.3 333.550.75 1546.3
78
62.08 277.815.12 2782.6
267
1.029 297.8427.7 294.2
86
8.191 105.70 443.5
92
1.019 182.1427.7 167.7
90
1.026 297.8427.7 294.2
91
8.191 105.70 443.5
80
58.5 537.367.91 3511
122
8.03 275.667.91 3005
125
8.03 320.90.0068 3101
56
8.03 275.667.92 3005
36
8.03 275.667.92 3005
52
146.2 29550.75 1311.4
27
62.08 267.715.14 1173.1
58
63.32 107.115.14 453.6
66
149.1 244.350.75 1059.2
79
152.1 109.150.75 468.4
101
8.191 105.70 443.5
98
8.191 105.70 443.5
113
2.438 121.667.92 510.5
117
58.5 537.365.82 3511
116
58.5 537.32.091 3511
1
0.091 4467.92 2361.1
41
8.03 275.667.92 3005
121
8.03 105.70 443.5
57
8.191 105.70 443.5
126
8.03 275.667.91 3005
17
1.056 620.7427.7 666
20
152.1 109.150.75 468.4
3
60.86 415.450.7 3217
2
135 537.450.7 3431
6
135 535.550.7 3426
32
132.4 534.450.7 3426
15
1.011 133.6427.7 115.5
G1
156434 kW
G2
85688 kW
184
184
182
182
1
AP 1
2
MP 1
4
BP
6
GE 7241FA
7
8
9
11
13
14
16
2021 22 23 2619 17 18
2427
15
12
29
61
62
31
32
34
35
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
8485 86
8889
25
87
33
36
38
3
37
39
40
5
10
Conclusiones:
La condición de operación de las plantas de potencia implican intrínsecamente para
ellas deterioros temporales de sus parámetros de funcionamiento como el RT,
debido a la pérdida de eficiencia de los equipos que conforman el ciclo de potencia.
Resultando la operación de la planta muy sensible a la variación de estos valores.
El modelado del comportamiento del RT en función de la variación de carga es
una función fundamental para el establecimiento de pronósticos de consumos de
combustible que la planta hará en función del despacho y carga asignadas
durante cada hora y cada día de operación de las plantas.
Estos modelos son funciones a la medida de cada unidad de generación; y
pueden ser modelados y simulados.
Gracias.
BREVE SEMBLANZA
Dr. Gabriel León de los Santos
Realizó estudios de Ingeniero Mecánico Electricista (1993); asÍ como de Maestría en Ingeniería en Energía(1998); egresado de ambas con mención honorífica. Además realizó los estudios de Doctorado enEconomía de la Energía en la UNAM (2003). De 1998 a 2004 fue profesor de asignatura, y desde el 2005es profesor de tiempo completo en la Facultad de Ingeniería de la UNAM en la División de IngenieríaEléctrica.Por el lado profesional, desde 1993 a 2003 prestó sus servicios en varias empresas del sector privado enlas áreas de ventas, servicio, ingeniería y mantenimiento: Mextrac, S.A. de C.V.(1993); Selmec EquiposIndustriales, S.A. de C.V. (1994 -1998); Thermo Energía Sistemas y Equipos, S.A. de C.V. (1999 – 2001);Mantenimiento General y Comercial, S.A. de C.V. (2002).