Modelado matemático para determinar la configuración óptima de una caldera de recuperación de calor de dos niveles de presión

JUAN I. MANASSALDI

Mendoza

Jornada; Terceras jornadas de intercambio y difusión de los resultados de investigaciones de los doctorandos en ingeniería; 2014

Secretaria de Ciencia, Tecnología y Posgrado. Universidad Tecnológica Nacional

Las calderas de recuperación de calor (Heat Recovery Steam Generator, HRSG), aprovechan la energía presente en los gases de combustión provenientes de una turbina de gas para producir vapor de proceso y/o para generar electricidad. Las calderas pueden clasificarse según su aplicación, tipo de gas utilizado y configuración. La tarea de diseño de las mismas es uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta ya que éstas influyen fuertemente en la eficiencia total de los ciclos combinados de gas natural (CCGT). En este trabajo se presenta un modelo matemático que permite optimizar la síntesis y el diseño de una caldera de recuperación de calor de un ciclo combinado que opera con dos niveles de presión. Para esto, se propuso modelar una superestructura que embeba, en forma simultánea, numerosas configuraciones alternativas, a partir de la cual se determine la ubicación óptima de cada uno de los intercambiadores de calor que maximice la potencia neta entregada (función objetivo). Por ejemplo, la super-estrucutrua considera la posibilidad de disponer intercambiadores en serie y/o en paralelo. También incluye la posibilidad de comprimir el fluido circulante (agua) y así poder variar las presiones de cada corriente en cada sector de la caldera, según corresponda, lo que permite aumentar las relaciones de compromiso y en consecuencia los grados de libertad del sistema. La principal ventaja del modelo es que permite obtener como resultado no solo los valores óptimos de las variables de operación sino determinar las inter-conexiones de los intercambiadores de calor (configuración) y sus correspondientes dimensiones (área de transferencia de calor). Las principales variables de optimización son: flujo, temperatura y presión de cada una de las corrientes, área de intercambio de calor, y potencia generada en cada una de las turbinas de vapor. Por el contrario, la temperatura, composición y caudal de gas que ingresa a la caldera son asumidos como parámetros del modelo (valores conocidos). El modelo resultante involucra variables enteras, precisamente binarias, que se utilizan para seleccionar el arreglo estructural y variables continuas relacionadas con la presión, caudal, temperatura, entre otras. El mismo fue implementado en GAMS. Para asegurar la convergencia del mismo, se propuso una estrategia eficiente de inicialización y de resolución. Los resultados obtenidos y las bondades del modelo son presentados a través de varios casos de estudio.