Exergy Balance Applied to a Gas Turbine in a Modified Brayton Cycle to Assess the Power Output Recovery

Resumen

Introducción— Las turbinas de gas juegan un papel fundamental en la industria de generación eléctrica. La UPME (Unidad de Planeación Minero-Energética), en su informe mensual de las variables de generación y del mercado eléctrico colombiano, citando datos de diciembre de 2016, destaca que la capacidad efectiva neta en megavatios es de 2.093 y representa cerca del 12.61% de la capacidad total de energía a través de plantas térmicas de gas. Durante las estaciones cálidas, el rendimiento de las turbinas se ve afectado por la elevada temperatura del aire que fluye en el ciclo, ya que la potencia depende del flujo de masa de aire que pasa por el compresor, el flujo de masa disminuye a medida que aumenta la temperatura, lo que resulta en una disminución de la eficiencia y la generación de energía.

Objetivo— Se analizó una turbina de gas en ciclo abierto, basándose en la primera y segunda ley de la termodinámica, se consideraron las irreversibilidades utilizando la exergía como criterio para establecer el rendimiento global del sistema.

Metodología— Se propuso un análisis alternativo modificando el ciclo Brayton ideal, se consideró la humedad del aire, la altura sobre el nivel del mar y la composición molar detallada por componente. Además, se sustituyó el proceso de adición de calor por una progresión de combustión adiabática e isobárica con un posterior enfriamiento mediante una mezcla adiabática de gases ideales con el aire de descarga del compresor para acondicionar la mezcla de flujo de gases de entrada a la turbina con el objetivo de mantener controlada la temperatura máxima permitida.

Resultados— La simulación se desarrolló en el software EES (Engineering Equation Solver) y se utilizó el software gratuito CEA (Chemical Equilibrium with Applications) de la NASA para validar los resultados del proceso de combustión, bajo el criterio de equilibrio químico.

Conclusiones— Pocas investigaciones sobre métodos de refrigeración de entrada para turbinas de gas han apoyado la implementación de este tipo de tecnologías mediante el balance de exergía, que es el objetivo principal de esta investigación.