Análisis de costos exergéticos de la turbina de gas aeroderivada GE-LMS100 Pubblico Deposited
In this work, the exergy method and the thermoeconomic theory are applied in the analysis of exergy and exergoeconomic costs of the GE-LMS100 GT; with the objective of determining the operating condition where the flow of exergoeconomic costs of the gas turbine is minimum, when it generates a constant power of 113.4 MW. The virtue of these methods lies in their usefulness to link the laws of thermodynamics, with the economy and the environment, being valuable tools when diagnosing thermal systems whose purpose is to generate energy products at the lowest environmental and economic cost. The study of the performance of the GE-LMS100 GT in this work begins with the energy parametric study, where the total pressure ratio and the turbine inlet temperature are varied, in order to compare the performance of the aeroderivative gas turbine when operating at design conditions, maximum engine work and maximum thermal efficiency. And it is found that the conditions of maximum engine work and maximum thermal efficiency require increases of 67.078 and 442.146% in the ratio of total pressures, causing only 1.682 and 13.037% increases in engine work and thermal efficiency, respectively. To determine the exergy destruction or irreversibility in the system, an exergy analysis is performed for each equipment or sub-region of the system, and the performance of the GELMS100 GT is determined by means of the exergy and rational efficiencies. It is determined that the rational and exergetic efficiencies are 76.631 and 45.584%, respectively. To complement the energetic and exergetic analysis, a study of the frictional superheat in the compression and expansion processes is carried out, and the superheat heat that is used in the GE-LMS100 GT at different conditions of isentropic compression and expansion efficiencies is analyzed. It is found that the configuration of three sequential and staggered expansion stages gives the TG GE-LMS100 system a superheat factor of 1.019 and the ability to harness 26.39% of the total frictional superheat heat produced in the expansion process. It is found that the decrease in the isentropic compression and expansion efficiencies causes the increase in the produced reheat heat, but also decreases the percentage of reheat heat that can be utilized. To finalize the gas turbine performance study, exergy and exergoeconomic cost analyses are implemented. Three different methodologies are compared: formation, equalization and extraction. And it is evaluated how the variation of the total pressure ratio affects the exergoeconomic costs of the gas turbine when operating at design conditions, maximum engine work and maximum thermal efficiency; finally, it is analyzed how the loss of quality of an operating parameter affects the exergoeconomic costs of the gas turbine when its purpose is to generate a constant power. As a loss of quality of an operating parameter, a 4% decrease in the isentropic compression efficiency of the low pressure compressor is considered; such decrease causes an increase in the obtained exergoeconomic cost flows; due to the increase in the irreversibilities generated in all the equipment that causes a higher requirement of the exergy resources. It is determined that the closest methodologies are the formation and extraction methodologies; since both are based on the productive purpose of the equipment. Unlike the equality method, which is based on the total exergy flows into and out of the equipment. The exergoeconomic product cost flows are 4,275.040, 7,217.187 and 7,177.487 USD/h, for the equality, extraction and formation methods, respectively. The exergoeconomic cost analyses based on rational efficiency are advantageous when seeking to study the total exergy entering and leaving a process, while analyses based on exergy efficiency are more convenient when seeking to determine the exergy that is actually transferred or transformed in a productive process.
En este trabajo se aplica el método exergético y la teoría termoeconómica en el análisis de costos exergéticos y exergoeconómicos de la TG GE-LMS100; con el objetivo de determinar la condición de operación en donde el flujo de costos exergoeconómicos de la turbina de gas es mínimo, cuando ésta genera una potencia constante de 113.4 MW. La virtud de estos métodos reside en su utilidad para vincular a las leyes de la termodinámica, con la economía y el medio ambiente, siendo herramientas valiosas a la hora de diagnosticar sistemas térmicos que tengan como propósito generar productos energéticos al menor costo medioambiental y económico. El estudio del desempeño de la TG GE-LMS100 en este trabajo, inicia con el estudio paramétrico energético, donde se varía la relación de presiones total, la temperatura de entrada a la turbina, con el fin de comparar el desempeño de la turbina de gas aeroderivada cuando opera en las condiciones de diseño, trabajo motor máximo y eficiencia térmica máxima. Y se encuentra que las condiciones de trabajo motor máximo y de eficiencia térmica máxima requieren incrementos del 67.078 y 442.146%, en la relación de presiones total, provocando tan sólo, incrementos del 1.682 y 13.037%, del trabajo motor y de la eficiencia térmica, respectivamente. Para determinar la destrucción de exergía o irreversibilidad en el sistema, se realiza un análisis exergético a cada equipo o subregión del sistema, y se determina el desempeño de la TG GE-LMS100 mediante las eficiencias exergéticas y racionales. Se determina que las eficiencias racional y exergética, son de 76.631 y 45.584%, respectivamente. Para complementar los análisis energético y exergético, se realiza un estudio del recalentamiento por fricción a los procesos de compresión y expansión, y se analiza el calor de recalentamiento que se aprovecha en la TG GE-LMS100 a diferentes condiciones de eficiencias de compresión y expansión isoentrópicas. Se encuentra que la configuración de tres etapas de expansión secuenciales y escalonadas le confieren al sistema TG GE-LMS100 un factor de recalentamiento de 1.019 y la capacidad de aprovechar el 26.39% del total del calor de recalentamiento por fricción producido en el proceso de expansión. Se encuentra que la disminución de las eficiencias de compresión y expansión isoentrópicas provoca el aumento del calor de recalentamiento producido, pero también disminuye el porcentaje de calor de recalentamiento que se puede aprovechar. Para finalizar el estudio del desempeño de la turbina de gas, se implementan los análisis de costos exergéticos y exergoeconómicos. Se comparan tres metodologías distintas: de formación, igualdad y extracción. Y se evalúa cómo afecta la variación de la relación de presiones total, en los costos exergoeconómicos de la turbina de gas cuando opera en las condiciones de diseño, trabajo motor máximo y eficiencia térmica máxima; finalmente, se analiza cómo afecta la pérdida de calidad de un parámetro operativo en los costos exergoeconómicos de la turbina de gas cuando su propósito es generar una potencia constante. Como pérdida de calidad de un parámetro operativo se considera una disminución del 4% de la eficiencia de compresión isoentrópica del compresor de baja presión; dicha disminución provoca el incremento en los flujos de costos exergoeconómicos obtenidos; debido al aumento en las irreversibilidades generadas en todos los equipos que provoca un mayor requerimiento de los recursos exergéticos. Se determina que las metodologías que más se aproximan son la de formación y la de extracción; puesto que ambas se basan en el propósito productivo de los equipos. A diferencia del método de la igualdad, que se basa en los flujos totales de exergía que entran y salen en los equipos. El flujo del costo exergoeconómico del producto es de 4,275.040, 7,217.187 y 7,177.487 USD/h, para los métodos de la igualdad, de extracción y formación, respectivamente. Los análisis de costos exergoeconómicos basados en la eficiencia racional son ventajosos cuando se busca estudiar la exergía total que entra y sale en un proceso, mientras que los análisis basados en la eficiencia exergética son más convenientes si se busca determinar la exergía que realmente se transfiere o transforma en un proceso productivo.
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