Design of a heat recovery system for power generation from dual fuel engines by implementing an ORC system

Abstract

La planta térmica Termonorte se encuentra en el departamento de Magdalena, cuenta con 10 motores con una capacidad de 9.3 MW cada uno, para un total de 93 MW. La planta hace parte de la red nacional funcionando bajo cargo por confiabilidad, por lo que se maneja cierto nivel de incertidumbre en el despacho de energía. De acuerdo con la ficha de sus motores, una fracción considerable del consumo de energía del motor va hacia los gases de escape, por lo que toma validez la opción de usar esta energía para la cogeneración. Una vez definido el problema a tratar, se decidió que la mejor opción para la cogeneración es la implementación de un ciclo Rankine orgánico, el cual usaría los gases de escape para calentar el aceite térmico y finalmente el fluido de trabajo para generar energía. Al examinar el problema, se encontró que la contrapresión admitida por los motores es de 30 mbar, este valor establece la caída de presión que debe tener el recuperador de calor, lo que representa un gran reto para su diseño junto con el poco espacio disponible. Por lo anterior, el proyecto se direcciona a realizar un diseño preliminar del intercambiador de calor, proponiendo dimensiones, áreas de transferencia de calor y configuración de este. Por otro lado, se desea hacer una primera estimación de los costos fijos que representaría este dispositivo y qué porcentaje representan estos del costo total del proyecto. Con los procedimientos realizados, se encontró que el proyecto es factible técnicamente, ya que termodinámicamente es posible transferir el calor requerido al aceite térmico. Así mismo, con la configuración del intercambiador propuesta, se garantiza que la caída de presión no exceda la contrapresión del motor. Sin embargo, la viabilidad del proyecto se ve comprometida debido al factor económico, ya que los costos fijos son muy elevados debido al gran área de transferencia de calor que se debe manejar para lograr los requerimientos del problema.

The Termonorte thermal plant is located in the department of Magdalena, has 10 engines with a capacity of 9. 3 MW each, for a total of 93 MW. The plant is part of the national grid and operates under a reliability charge, so a certain level of uncertainty is handled in the dispatch of energy. According to their engine data sheet, a considerable fraction of the engine's energy consumption goes into the exhaust gases, so the option of using this energy for cogeneration is valid. Once the problem to be addressed was defined, it was decided that the best option for cogeneration is the implementation of an organic Rankine cycle, which would use the exhaust gases to heat the thermal oil and finally the working fluid to generate energy. When examining the problem, it was found that the counter pressure admitted by the motors is 30 mbar, this value establishes the pressure drop that the heat recovery unit must have, which represents a great challenge for its design along with the little space available. Therefore, the project is directed to make a preliminary design of the heat exchanger, proposing dimensions, heat transfer areas and configuration of it. On the other hand, we wish to make a first estimate of the fixed costs that this device would represent and what percentage these represent of the total cost of the project. With the procedures performed, it was found that the project is technically feasible, since thermodynamically it is possible to transfer the required heat to the thermal oil. Also, with the proposed exchanger configuration, it is guaranteed that the pressure drop does not exceed the back pressure of the motor. However, the viability of the project is compromised due to the economic factor, since the fixed costs are very high due to the large area of heat transfer that must be managed to achieve the requirements of the problem.