Diseño de un sistema de recuperación de calor de los gases de escape de una turbina a gas para la generación de electricidad en una estación de compresión de gas natural

Abstract

Industries nowadays are showing a huge interest to improve the energy efficiency of their processes. Waste heat recovery (WHR) from the flue gases of gas turbines reduces harmful gases emissions and costs associated with energetic resources as it has been shown in many real life applications. Natural gas compressor stations operating with turbochargers have implemented this kind of projects. However, typical part-load operation as well as different operation modes such as bypass, during which turbochargers are turned off, have shown to affect the WHR potential. The conceptual and basic design of the WHR system looking forward to generate electricity for the national grid and the detailed design of one of the structures supporting the flue gas duct from the turbocharger focusing on technical and economic aspects such as thermal efficiency and the payback period were carried out. As design methodology, three alternatives were evaluated: an ORC module with a heat exchanger and a thermal oil boiler, a steam Rankine cycle with a heat exchanger and an ORC module with a heat exchanger and a WHR boiler. The state of the art and of the technique were reviewed and therefore the first alternative was selected. A net power generation of 575 kWe, using 223 kWe for self-consumption and 352 kWe to sell to the grid were calculated. Without considering tax incentives and considering only an income tax reduction, a payback period of 19,4 and 13,2 years respectively for the best scenario of the dollar price were calculated, reason of which the project is not economically feasible. An elevated cost of the ORC module, as well as insufficient tax incentives and the high dollar price were determined as the causes for this result.

La recuperación de calor residual de los gases de escape de turbinas a gas representa una atractiva oportunidad que permite la reducción de emisiones de gases nocivos y costos asociados a recursos energéticos. En estaciones compresoras de gas natural que operan con turbocompresores se han llevado a cabo proyectos de esta índole. Sin embargo, el comportamiento a carga parcial de estos equipos, así como los distintos modos operativos como el bypass, durante el cual los turbocompresores se encuentran apagados, afectan en gran medida el potencial de recuperación de calor. Para este proyecto el diseño conceptual y básico del sistema de recuperación de calor con el objetivo de vender excedentes de energía a la red eléctrica nacional y el diseño de detalle de uno de los soportes de la tubería de gases de escape fue realizado, todo desde un enfoque que tuviera en cuenta aspectos técnicos como la eficiencia térmica y aspectos económicos como el retorno de la inversión e incentivos tributarios. En la metodología de diseño, tres alternativas fueron evaluadas: la primera consistió en un módulo ORC con un intercambiador de calor y una caldera de aceite térmico, la segunda un ciclo Rankine de vapor con intercambiador de calor y la tercera un módulo ORC con un intercambiador de calor y una caldera de recuperación. Tras una revisión del estado del arte y la técnica la primera alternativa fue seleccionada. Ésta tiene la capacidad de generar 575 kWe netos, de los cuales 223 kWe son para autoconsumo de la planta y 352 kWe para exportar a la red eléctrica. Al realizar el análisis económico se encontró que el retorno de la inversión para el mejor escenario del precio del dólar sin tener en cuenta incentivos tributarios se da en 19,4 años y teniendo en cuenta sólo la deducción en la renta se da en 13,2 años lo cual no es viable. El alto costo del módulo ORC sumado a la falta de más incentivos tributarios y el alto precio del dólar se determinaron como causas de este resultado.