TECNOLOGA QUMICA Vol. XXVIII, No. 1, 200854

SIMULACIN DE UNA CALDERA DE RECUPERACIN DECALOR UTILIZANDO EL SOFTWARE HYSYS

Leiby Montes de Oca Rodrguez, Flix Juan Domnguez Alonso, Yudelkis Daz Reyes,Yoney Lpez Hervis, ngel Tpanez Ramrez

Universidad de Matanzas

El trabajo muestra los detalles de la implementacin en el simulador de procesos HYSYS de unmodelo de una caldera de recuperacin de calor, y la utilizacin de dicho modelo para analizarla influencia de parmetros de operacin y diseo sobre la eficiencia energtica de la misma.Palabras clave: calderas recuperadoras de calor, simulacin.

The work shows the details of the implementation in the HYSYS Process Simulator of a model of aheat recovery boiler, and the use of this model to analyze the impact of design and operatingparameters on the energy efficiency of the same.Key word: heat recovery boiler, simulation.

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Introduccin

Los preciados recursos energticos de la tierra,se han acumulado por procesos extremadamentelargos a travs de la historia geolgica del planeta, yel hombre ha explotado esas fuentes de energa parasu beneficio de forma indiscriminada, lo que hahecho que se agoten en un corto perodo de tiempo.

Desde que los humanos alcanzaron las primerasnociones del concepto de calor, y su conexin con lahabilidad de realizar trabajo, surgi la idea de haceruso de los sistemas trmicos, por lo que estossistemas han jugado un papel importante en elproceso de produccin desde el inicio de la Revolu-cin Industrial, siendo las mquinas de vapor losprimeros sistemas trmicos que utilizaron el calorpara producir trabajo. Desde entonces, los avancestecnolgicos del hombre han dependido, en granmedida, de su capacidad para producir electricidad,siendo sta la actividad en la que se consumen lamayor cantidad de recursos energticos.

Para la produccin de electricidad, el hombreha utilizado plantas termoelctricas tradicionalesbasadas en ciclo Rankine, plantas nucleares yplantas de turbinas de gas basadas en cicloBrayton. Ms recientemente, se han incorporadolas plantas de potencia de ciclo combinado (CCPP),que buscan incrementar la eficiencia de genera-cin combinando una turbina de gas (ciclo Brayton)con una caldera recuperadora y una turbina de

vapor (ciclo Rankine) para la produccin de ener-ga elctrica. Para unir eficientemente el cicloRankine de vapor con las turbinas de gas de altastemperaturas, nuevos generadores de vapor sehan tenido que desarrollar, surgiendo as las cal-deras de recuperacin de calor. Su eficiencia hamotivado que el mercado para las plantas depotencia de ciclo combinado experimente un rpi-do crecimiento en los ltimos aos. /9/

Las calderas de recuperacin de calor son uncomponente esencial en el diseo de las plantasde potencia de ciclo combinado. La optimizacinde sus parmetros de operacin permite maximizarel trabajo que se obtendr en el ciclo de vapor, ycon ello mejorar la eficiencia de la generacin.Estas calderas son esencialmente un sistema deintercambio de calor a contracorriente, consis-tiendo en una serie de sobrecalentadores,evaporadores y economizadores ordenados des-de la entrada del gas hasta su salida, de forma quesea mxima la recuperacin de calor y se suminis-tre vapor a las condiciones de temperatura ypresin que requiera la turbina de vapor. /2, 12/

Este trabajo tiene como objetivo fundamental lautilizacin del simulador de procesos HYSYS paramodelar y estudiar una caldera recuperadora decalor, conocida en el mercado con las siglas HRSG(Heat Recovery Steam Generator). La solucin deproblemas usando simuladores de procesos indus-triales, se ha incrementado en la misma medida enque stos se han mejorado, comercializndose hoy

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en da un gran nmero de ellos, que permiten realizaruna solucin rigurosa de problemas en estado esta-cionario, y algunos en estado dinmico. Por estasrazones, se escoge como herramienta de simulacinpara este trabajo.

Desarrollo

Caracterizacin del caso de estudio

La caldera recuperativa estudiada maneja487 000 t/h de gases de escape de turbina a544 C, cuenta con quemado adicional usando2 000 m3 normales, por hora, de gas naturallimpio que permite elevar la temperatura de lacorriente gaseosa hasta 656 C, y produce

vapor sobrecalentado a 522 C y 86 bar, conuna alimentacin de agua a 70 C y 116 bar.

El generador de vapor cuenta con cuatro eta-pas de economizacin, un evaporador y cuatroetapas de sobrecalentamiento, estas ltimas divi-didas en dos por un atemperamiento del vaporpara cumplir con las condiciones de trabajo de laturbina de vapor. En la seccin de evaporacinexiste una purga o blowdown de aproximada-mente 1 % del vapor producido.

El gas de escape de caldera a bajas tempera-turas (149 C) es enviado a la atmsfera a travsde la chimenea.

En la figura 1 se muestra un esquema de lacaldera sealando las secciones de transferenciaprincipales, y se reflejan los datos que se tienende diseo en la tabla 1.

Fig. 1 Esquema de la caldera recuperadora de calor.

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Tabla 1Datos de diseo aportados por el fabricante de la caldera recuperadora

DATOS DE DISEO

CALDERA RECUPERADORA DE CALOR DE SIMPLE PRESIN OPERACIN A CARGA BASE

FIRED

Temperatura ambiente C 30

Flujo de gas escape de turbina kg/h 487 000

Temperatura gas escape de turbina __ entrada de quemadores C 544

__ salida de quemadores C 656

Presin del vapor sobrecalentado barg 85

Temperatura del vapor sobrecalentado C 522

Temperatura agua alimentacin C 70

Presin agua alimentacin barg 115

Evaporacin kg/h 90 000

Temperatura gas entrada sobrecalentador C 656

Temperatura gas entrada evaporador C 526

Temperatura gas entrada economizador C 318

Temperatura gas salida economizador C 149

Temperatura agua entrada economizador C 70

Temperatura agua salida economizador

Sin by-pass C 294,4

Temperatura de operacin evaporador C 305,4

Temperatura entrada agua sobrecalentador C 305,4

Contrapresin mmWG 295

Consumo de calor en los quemadores kW 19 530

Metodologa de simulacin

El primer paso para efectuar la simulacin con laayuda de un simulador de proceso es la elaboracinde un diagrama de flujo de informacin, que no esms que un diagrama donde los flujos de masa oenerga del proceso son equivalentes a flujos de

informacin (valores numricos de las variables delas corrientes y parmetros necesarios), y los equi-pos del proceso equivalentes a modificaciones de lainformacin que fluye entre ellos. Los datos necesa-rios para definir una corriente de proceso son flujo,composicin, temperatura y presin; y para losequipos, sus parmetros caractersticos.

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El diagrama de flujo de informacin de la caldera que se estudia se muestra en la figura 2.

Fig. 2 Diagrama de flujo de informacin de la caldera recuperadora.

En la figura 2 se representan los mdulos nece-sarios para simular la caldera recuperadora. En estafigura se han agrupado varias zonas de intercambiode calor con el objetivo de facilitar la simulacin,siendo los principales mdulos los siguientes:SH 1-2: Sobrecalentadores 1 y 2.SH 3-4: Sobrecalentadores 3 y 4.EV: Evaporador.EC 1-4: Economizadores 1 al 4.DB: Duct Burners (Cmara de combustin).D1 y D2: Divisores de corriente.M1: Mezclador de corriente.

El smbolo Si representa las corrientes demateria que forman parte de este proceso.

Si se analiza la informacin del diagrama mostra-do en la figura 2, se observa que el proceso tiene unreciclo, que viene dado por la circulacin natural dela mezcla lquido-vapor entre el domo y el evaporador.

Cuando aparecen reciclos en un proceso, sedeben determinar cuntas y cule s sern lascorrientes necesarias por asumir, ya que en estoscasos, no es posible realizar la simulacin directa-mente porque esas corrientes sern a su vezsalidas y entradas de un mismo mdulo. Como setiene un solo ciclo, se asume la corriente SL_VRec (Reciclo de la mezcla agua/vapor), y sepodrn calcular todos los mdulos del proceso.

Basado en ello, el orden de clculo definido es:

1. Conocidas las corrientes S1 y S3, se debecalcular el mdulo DB.

2. Definir las corrientes S19 y S16 y calcular losmdulos EC 1- 4 y D1.

3. Asumir la corriente SL_V Rec; lo que permi-tir calcular los mdulos DOMO; D2; EV; y sechequea la convergencia usando un mdulo deconvergencia (R).

4. Una vez obtenida la convergencia en el cicloanterior pueden ser calculados los restantesmdulos que forman la caldera, de acuerdocon el siguiente orden: SH 3- 4; M1; SH 1-2.

Con el orden de clculo determinado, sepasa a la simulacin con ayuda del softwareseleccionado.

El diagrama de flujo de informacin modifica-do se muestra en la figura 3.

En la figura 3, se aprecia que la caldera derecuperacin de calor, no es ms que una serie deintercambiadores de calor con flujo a contraco-rriente, divisores y mezcladores de flujo, un domo(separador de fase) y una cmara de combustin.

Como la simulacin se realiza a travs del

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software HYSYS, a continuacin se muestran losfundamentos matemticos que emplea el simula-

dor para esos mdulos, y cmo estn definidoscada uno de stos mdulos. /10/

Fig. 3 Diagrama de flujo de informacin modificado.

Intercambiadores de calor

La operacin unitaria de transferencia de ca-lor en el simulador HYSYS puede tener lugar enenfriadores, calentadores, intercambiadores decalor y en intercambiadores para gas naturallicuado. La transferencia de calor en la calderarecuperadora es en intercambiadores de calor a

contracorriente, por lo que ste es el modelo quese explica.

Los clculos para los intercambiadores decalor estn basados en balances de masa yenerga para los fluidos fros y calientes, dondeel fluido caliente aporta calor al fluido fro. Laexpresin general del balance se muestra en laecuacin 1. /10/

(1)

donde:F: flujo msico, kg/s;H: entalpa, kJ/kg;Qleak: calor de escape, kW;Qloss: calor perdido, kW.

Los subndices cold y hot designan a losfluidos fros y calientes, as como in y out serefieren a las condiciones en la entrada y en lasalida, respectivamente.

Para determinar el calor total transferido en elintercambiador de calor de tubo y la coraza, sedefinen trminos como coeficiente global de trans-

ferencia de calor, rea superficial disponible y ladiferencia media logartmica de temperatura:

donde:U: coeficiente global de transferencia de ca lor,

kW/m2 C;A: rea superficial para la transferencia de ca

lor, m2;LMTD: diferencia media logartmica de tempera

tura, C;Ft : factor adimensional de correccin de tempe

ratura.

Q = U * A * LMTD * F t (2 )

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Para simular un intercambiador de calor es nece-sario seleccionar el modelo matemtico de diseo,recomendndose usar el Modelo End Point, dadoque este modelo est basado en la ecuacin de calorpara un intercambiador de calor estndar, definidapor el coeficiente de transferencia de calor, readisponible para el intercambio de calor y la diferen-cia media logartmica de temperatura. Las principa-les consideraciones de este modelo son: el coeficien-te de transferencia de calor es constante, y loscalores especficos por el lado de la coraza y por ellado de los tubos permanecen constantes. Estemodelo es seleccionado cuando no hay cambio defase en el intercambio y los calores especficos notienen mucha variacin

Reactor Gibbs

Este mdulo fue el seleccionado para simular lacmara de combustin. En este reactor se calculanlas composiciones de salida para lograr el equilibriode fase y qumico en la corriente de salida, sinnecesidad de una estequiometra de reaccin espe-cfica, pues utiliza la condicin de que la energa librede Gibbs del sistema en reaccin, est a un mnimodel estado de equilibrio para determinar la composi-cin de la mezcla producto. Para seleccionar elmtodo con que HYSYS solucionar el ReactorGibbs, se escoge Slo Reacciones Gibbs, dado queeste modo, no se necesita conocer el paquete dereaccin para solucionar el sistema por minimizacinde la energa libre de Gibbs.

Mezcladores

La operacin de mezclado combina dos o mscorrientes de entrada para producir una simplecorriente de salida. Se realiza un completo balancede materia y energa en el mezclador. Si se conocenlas propiedades de las corrientes de entrada (tempe-ratura, presin, flujo y composicin), las propiedadesde la corriente de salida sern calculadasautomticamente de forma rigurosa.

Divisores

La operacin de divisin separa una corrientede alimentacin en mltiples corrientes de pro-ducto con las mismas condiciones y composicinque la corriente de entrada, y es usada parasimular T en tuberas y tubos mltiples. El nicoparmetro requerido para su simulacin es lafraccin de separacin o los flujos de cada co-rriente de salida.

Separadores

Los separadores son bsicamente tanquesFLASH donde la separacin de las fases ocurrea la menor presin de alimentacin menos unacada de presin a travs del equipo, que debe serdefinida y consta de una corriente producto enfase vapor y otra en fase lquida.

Como se tienen reciclos en el proceso, sernecesario usar un paquete lgico para determinarlos clculos de forma iterativa hasta alcanzarconvergencia en el sistema. En HYSYS estemdulo se conoce con el nombre de Reciclo.

Reciclo

La capacidad para resolver reciclos,fiablemente, de cualquier simulador es crtica.HYSYS tiene ventajas inherentes sobre otrossimuladores en este aspecto. Tiene la habilidadnica de clculo inverso a travs de muchasoperaciones en forma no secuencial, permitiendosolucionar muchos problemas. El reciclo instalaun bloque terico en la corriente del proceso. Lascondiciones de la corriente pueden ser transferi-das hacia delante o hacia atrs, en trminos desolucin hay valores asumidos y valores calcula-dos para cada variable en la corriente de entraday salida de este mdulo. HYSYS emplea unmtodo de aproximaciones sucesivas para alcan-zar la convergencia del sistema con la toleranciaespecificada. /10/

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El diagrama de la simulacin usando HYSYS se muestra en la figura 4.

Fig. 4 Diagrama de la simulacin en HYSYS de la caldera recuperadora.

Resultados y discusin

Es importante destacar que el anlisis delrendimiento de las calderas recuperadoras decalor no necesita, obligatoriamente, el uso decomputadoras. Esto puede hacerse por un sim-ple anlisis de las leyes termodinmicas. Laprincipal relevancia del uso de simuladores eneste anlisis es estudiar con detalles el procesoy lograrlo en un perodo breve de tiempo. Estossoftwares incluyen mtodos sofisticados deestimacin de propiedades, mdulos para eldiseo de varios equipos, que permiten reducirel tiempo en clculos engorrosos, y predicen el

comportamiento del proceso bajo determina-das condiciones. Adems, solucionan procesoscclicos que convergen con mucha rapidez. Pores tas razones , se es tud ia una ca lderarecuperadora de calor a travs del uso delsimulador de procesos HYSYS.

Para comprobar la efectividad de la simula-cin se comparan los valores obtenidos por losdiferentes mdulos con los datos que se tienendel diseo de la caldera (tabla 1). Los valoresque se analizan son: temperatura de evapora-cin, flujo de vapor sobrecalentado y tempera-tura de salida de los gases. En la tabla 2 semuestran los valores.

Tabla 2Valores de la simulacin en HYSYS

Variables Diseo HYSYS Error (%) Temperatura de los gases a la salida del economizador (C) 149,00 145,40 2,48

Temperatura de operacin del evaporador (C) 305,40 305,66 0,09 Evaporacin (kg/h) 90 000 89 817,29 0,20

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Como se observa en la tabla 2, las diferenciasentre los valores de diseo y los que se logranreproducir con el simulador no sobrepasan un 3 %de error. Esto demuestra, que a travs del simu-lador se podr estudiar el comportamiento de la

caldera recuperadora de calor con una granconfiabilidad. Tambin son utilizados para validarel modelo de simulacin de la caldera datos realesde operacin de la misma, siendo los resultadosobtenidos los que se muestran en la tabla 3.

Tabla 3Valores de la simulacin de los parmetros reales

Variables Reales HYSYS Error (%) Temperatura de operacin del evaporador (C) 300,40 300,31 0,03

Evaporacin (kg/h) 81 100,00 82 338,40 1,50

En la misma, se puede observar que los erroresson muy bajos, indicando que el modelo de simula-cin implementado en HYSYS representa adecua-damente la operacin que ocurre en estos equipos.

Clculo de la eficiencia trmica de la calderarecuperadora

La eficiencia trmica de un generador devapor puede ser expresada como la energa que

es aprovechada para producir vapor; simplemen-te es la relacin entre la energa que sale y laenerga que entra al sistema. La energa que entraa la caldera no es ms que el calor proveniente delcombustible, que viene dado por el valor calriconeto del mismo. En el caso particular que seestudia, se tienen dos corrientes combustibles: elgas natural y el gas exhausto de turbina. Laeficiencia trmica puede ser determinada por laecuacin 3. /11/

(3)

donde:En: HRSG: eficiencia trmica del generador de vapor;FvSC: flujo de vapor sobrecalentado, kg/h;HVSC: entalpa del vapor sobrecalentado, kJ/kg;HAA: entalpa del agua de alimentacin, kJ/kg;FGT: flujo de gas natural quemado en la turbina

de gas, kg/h;VNC: valor calrico neto del gas natural, kJ/kg;NGT: potencia entregada por la turbina de gas en

el ciclo combinado, kJ/h;FDB: flujo de gas natural quemado en el genera

dor, kg/h.Haciendo uso de los datos ofrecidos en la

simulacin de la caldera recuperadora, y at ravs de las her ramientas de c lcu lo(spreadsheet) del simulador HYSYS, se ob-tiene que En: HRSG = 75,59 %

Anlisis de sensibilidad en la calderarecuperadora caso de estudio

Una vez que se ha verificado que los resulta-dos de la simulacin se corresponden con losdatos de diseo y con los datos reales, es posibleestudiar el comportamiento de la calderarecuperadora ante cambios en determinadosparmetros, utilizando las herramientas de estu-dio de caso del simulador HYSYS.

Anlisis del punto de Pinch

El diseo prctico de las calderas recuperadorasest usualmente basado en el concepto termodi-nmico del Punto de Pinch que regula el perfil detemperatura, tanto del gas como del agua/vapor.

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Esto no es ms que la diferencia de temperaturaentre el gas que entra a la seccin de

economizacin y la temperatura de saturacin a lapresin de trabajo.

Fig. 5 Comportamiento de la eficiencia trmica con la variacin del punto pinch.

Es fcil apreciar en la figura 5, que a medidaque aumenta el punto pinch, la eficiencia tr-mica disminuye, esto se debe a que la tempera-tura del gas a la entrada del economizador sermayor reduciendo la transferencia de calor enel evaporador y en los sobrecalentadores,obtenindose un gas de escape de caldera amayor temperatura, indicando una baja recu-peracin de calor en la misma.

Es importante sealar que este anlisis slotiene validez prctica cuando se est disean-do la caldera recuperadora de calor. Del valorde punto de pinch depende el rea de transfe-rencia de calor de la caldera, y por ende, sutamao. A medida que esta diferencia de tem-peratura sea menor, se logra incrementar elcalor total recuperado en el evaporador, peroimplica un aumento en el rea de transferencia,y por ende, en el costo de inversin de lacaldera.

Por estos motivos, se hace fundamental unanlisis econmico que permita buscar un p-timo entre los parmetros termodinmicos queminimicen el costo de inversin y maximicen laeficiencia en la operacin.

En la literatura cientfica /5,6,7/ se planteaque la optimizacin termoeconmica es la idealpara el diseo de estas calderas recuperadoras.

Temperatura de entrada de los gases

ste es un parmetro importante en la ope-racin de la caldera, pues de este valor depen-der la energa que se tendr disponible para laproduccin de vapor. Por estas razones seestudi el comportamiento de la eficiencia tr-mica de la caldera recuperadora (para lascondic iones de d iseo) para es tos dosparmetros.

Se observa en la figura 6, que la eficienciaenergtica aumenta con la temperatura de en-trada de los gases, ya que se tiene una cantidadmayor de energa disponible a la entrada de lossobrecalentadores de la caldera recuperadora,posibilitando una mayor produccin de vapor.Este valor de temperatura estar condicionadopor la resistencia trmica de los materiales deconstruccin de la caldera, por la eficiencia delas turbinas de gas y por las prdidas de calorque puedan existir.

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Fig. 6 Comportamiento de la eficiencia trmica con la temperatura del gas exhausto.

Conclusiones Con la simulacin de la caldera recuperadora

de calor usando el software HYSYS, se halogrado obtener un modelo riguroso que permi-te predecir el comportamiento de los principa-les parmetros operacionales, as como losvalores de eficiencia trmica de la misma,logrando errores por debajo del 3 % en todos losparmetros analizados.

La eficiencia trmica de las calderasrecuperadoras disminuye con el aumento delpunto pinch, debido a que la temperatura delgas a la entrada del economizador ser mayorreduciendo la transferencia de calor en todaslas secciones de la caldera, obtenindose ungas de escape de caldera a mayor temperatura,lo que indica una baja recuperacin de calor enla caldera. Todo esto influye de manera directaen la generacin de vapor sobrecalentado en lacaldera.

La generacin de vapor sobrecalentado au-menta con la temperatura de entrada de losgases exhaustos, ya que se tiene una mayorenerga disponible a la entrada de la calderarecuperadora, y se logra un aumento en laeficiencia energtica de la misma. Este valorde temperatura estar condicionado por la re-sistencia trmica de los materiales de construc-cin de la caldera.

Bibliografa1. Benz, S. J.; Francesconi, J., Introduccin al uso del

simulador HYSYS, Rosario (Argentina), 2001.2. Blood, D.; Simpson, S.; Harries, R., Heat Recovery

Steam Generators for Power Generation and OtherIndustrial Applications, Report No. COAL R232, 2003.

3. Boehm, R.F., Developments in the Design ofThermal Systems , Cambridge University Press,Cambridge, 1997.

4. Brenner, S. J. et al., 2003, Hysys Documentation,Aspen Technology Inc. (USA), 2003.

5. Butcher, C. J.; Reddy, B. V., Second law analysis ofa waste heat recovery based power generationsystem, International Journal HEAT and MassTransfer, 2007.

6. Casarosa, C.; Donatini, F.; Franco, A., "Thermoeconomicoptimization of heat recovery steam generators operatingparameters for combined plants", Energy, 2004.

7. Cenusa, V. E.; Badea, A.; Feidt, M.; Benelmir, R.,"Exergetic Optimization of the Heat Recovery SteamGenerators by Imposing the Total Heat Transfer Area",International Journal Thermodynamics, 2004, vol.VII, No. 3, 2004, pgs. 149 - 156.

8. Himmelblau, D. M., Principios bsicos y clculosen ingeniera qumica (6ta ed.), Prentice-Hall His-panoamericana, Mxico, 1997.

9. Horlock, J. H., "Chapter 7 The Combined Cycle GasTurbine (CCGT)". En: Pergamon (Ed.). AdvancedGas Turbine Cycles, First edition. Cambridge, U.K.,Elsevier Science, 2003, pgs. 109 - 129.

10. Hyprotech HYSYS 3.1 Documentation, OperationsGuide , Hyprotech, a subsidiary of AspenTechnology, Inc., 2002.

11. Montes de Oca Rodrguez, L., Desarrollo de un

TECNOLOGA QUMICA Vol. XXVIII, No. 1, 200864

modelo de simulacin para la evaluacin de unacaldera recuperadora de calor usando un simuladorde procesos, Tesis en opcin al grado de Master enTermoenergtica Industrial, Matanzas, Cuba, Uni-versidad de Matanzas "Camilo Cienfuegos", 2007.

12. Teir, S., "Modern Boiler Types and Applications",Steam Boiler Technology Book, Helsinki, Universityof Technology, Department of MechanicalEngineering, Energy, Engineering andEnvironmental Protection, 2002, pgs. 1-14.