Análisis paramétrico del costo exergético del residuo de una turbina de gas

Parametric analysis of the exergetic cost of the waste of a gas turbine

En los sistemas de generación de potencia se tienen de forma inherente corrientes de energía que son desechadas al medio ambiente, en el caso de la turbina de gas, son los gases de escape de la turbina. Esta clase de corrientes se conocen como residuo, que representan una pérdida por efluente, y su costo, y de todos los costos adicionales, se le suma al costo del producto de la componente del sistema que lo genera.

En el presente trabajo se ha realizado un análisis paramétrico para conocer el comportamiento de los costos exergéticos del residuo (gases de escape de una turbina de gas), con la finalidad de conocer la relación que tiene el residuo con la temperatura a la entrada de la turbina, la relación de presiones del compresor, la temperatura de los gases a la salida de la turbina y el flujo másico de combustible. Los resultados muestran que el costo exergético del residuo y su costo exergético unitario disminuyen cuando la relación de presiones aumenta; y que al incrementar la temperatura a la entrada de la turbina de gas estos costos también se incrementan.

1. Introducción

En la segunda mitad del siglo XX, se desarrollan las turbinas de gas con temperaturas de operación superiores a 1000°C aumentando su eficiencia térmica. En los últimos veinte años a partir del desarrollo tecnológico, el uso de materiales modernos y de los sistemas de enfriamiento en los álabes de las primeras etapas de expansión se ha alcanzado temperaturas superiores a 1300°C, incrementando la eficiencia térmica y la potencia generada. Actualmente, el uso de turbinas de gas ha aumentado, debido a la implementación de ciclos combinados y a la cogeneración aprovechando la energía residual al final de la expansión (1).

Con temperaturas más altas, los potenciales termodinámicos del residuo o de los gases de escape aumentan. Los residuos son flujos que no tienen ninguna utilidad, pero que su existencia produce daños en la instalación o en el entorno, entonces es necesario un consumo adicional de recursos energéticos y económicos, para que estos flujos sean eliminados y/o convertidos en flujos de pérdidas que no dañen su entorno (2).

Entonces, es necesario implementar tecnologías para aprovechar el contenido exergético del residuo de la turbina de gas, tales como el ciclo combinado o la cogeneración, o disminuir estas pérdidas de exergía por efluente; sin embargo, se debe de establecer la región en dónde es factible establecer una configuración de este tipo en función de la temperatura y el flujo de los gases de escape de la turbina.

Conocer el costo exergético del residuo es un medio para cuantificar el efecto de las irreversibilidades acumuladas en la generación de este costo, así como de su flujo de exergía. Este costo puede formarse en el propio equipo en el que se produce el flujo, pero también a lo largo de la cadena de flujos y equipos del proceso de producción que generan el residuo. Por tal razón, en este trabajo se desarrolla la metodología de costos exergéticos parael estudio del residuo en la turbina de gas (3, 4).

2. Materiales y métodos 

Se ha estudiado analíticamente una turbina de gas de la Serie F, Modelo M501F3, Mitsubishi. La Figura 1 muestra el diagrama esquemático de esta turbina de gas.