Diseño de una unidad de recuperación de calor basada en un ciclo rankine orgánico para Termonorte Axia

Abstract

Termonorte is a triple fuelled thermal power station with 93 MW of installed capacity, located in troncal del caribe, Santa Marta, Magdalena. The electrical dispatch of this power plant is subject to the stock selling price of their kW. Their operation is characterized by fluctuating dispatch due to the high costs of the used fuels, their most frequent values for their dispatch in the last year were 0 MW, 72 MW and 27 MW respectively with an operating time of 39,9%, 24,32% and 19,48%. 3 alternatives were proposed in order to increase the efficiency of their operation using the waste heat from a boiler in operation. The available space and the initial costs are presented as the main aspects to focus when evaluating alternatives as a result from the QFD process. Three ORC alternatives are proposed: a first one using air cooling and toluene as working fluid, a second one using air cooling and n-penthane as working fluid and a third one using a cooling tower and solkatherm as a working fluid and as a result of the AHP process the second alternative was chosen. This alternative is composed by a shell and tube heat exchanger, air coolers to avoid the unavailability of water, a chemical resistant pump, a closed pipe circuit and a refrigerant compatible turbine. The results obtained from the Aspen HYSYS simulations and a brief economic analysis showcases the non-viability of the project as recovering 354.3kW as the net energy gain and increasing the efficiency of the whole process by 2,8% is not enough. all of the above is reflected in the IRR of -16% calculated for a 20-year base. It is suggested to revisit the project when the technology has advanced and the necessary investment have dropped due to the massification.

Termonorte es una termoeléctrica a base de gas natural, diesel y hfo con una capacidad instalada de 93 MW, ubicada en la troncal del caribe, Magdalena. El despacho eléctrico de esta planta está sujeta al precio de su energía eléctrica producida. Por los altos costos del combustible empleado su operación se caracteriza por una fuerte fluctuación, siendo los valores frecuentes en el último año 0MW, 72MW y 27MW con un porcentaje del tiempo de operación de 39,9%, 24,32% y 19,48% respectivamente. Se busca mejorar la eficiencia de su operación identificando alternativas que reduzcan sus costos operacionales a través de la recuperación de calor de una caldera en operación. Aplicando la metodología QFD se determinó la disponibilidad espacial y el costo inicial como las características principales sobre las que se plantea un ciclo Rankine orgánico con 3 variaciones como alternativas de respuesta: la primera utilizando un sistema enfriado por aire y tolueno como fluido de trabajo, la segunda con un sistema enfriado por aire y n-pentano como fluido de trabajo y la tercera utilizando una torre de enfriamiento y solkatherm como fluido de trabajo. Y a través de la metodología AHP resulta la segunda como la alternativa escogida. Esta alternativa se encuentra compuesta principalmente por un intercambiador de tubo y coraza, enfriadores por aire para evitar la indisponibilidad de agua, una bomba de fluidos resistente a químicos, circuito cerrado de tuberías y una turbina compatible con refrigerante. A través de simulaciones termodinámicas con el software Aspen HYSYS se llegó a la conclusión de que, si bien el ciclo propuesto fue capaz de recuperar 354.3kW después de gastos de equipos y aumentar la eficiencia neta en 2.8%, presenta una TIR de -16% para 20 años convirtiendo el proyecto en algo inviable en la actualidad. Se sugiere revisar su viabilidad en un futuro en el que esta tecnología se encuentre más desarrollada y sus costos hayan disminuido por la masificación.