Simulador CFD de un Recuperador de Calor

Instituto de Investigaciones Eléctricas

Gerencia de sistemas avanzados de capacitación y simulación

Reforma 113, Cuernavaca, México, 62490 www.iie.org.mx

Iván F. Galindo G., Ana K. Vázquez B. y Miguel Rossano R.

1.  Objetivo 2.  Introducción 3.  Metodología 4.  Resultados 5.  Conclusiones

Contenido de la Presentación:

Objetivo: Desarrollar un simulador de un Recuperador de Calor (HRSG) de una Cent ra l de C ic lo C o m b i n a d o q u e p e r m i t a reproduci r los fenómenos internos de flujos, temperaturas y presiones lado gas del HRSG.

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Introducción - Antecedentes •  ElIIEesuncentropúblicodeinves3gacióndelSectorEnergía.Susobje3vos

principalessonlainves3gación,lainnovaciónaplicada,eldesarrollotecnológico,laingenieríaylosserviciostécnicosespecializadosenáreascomolaeficienciaenergé3ca,laplaneaciónyexpansióndelsistemaeléctriconacional,laconfiabilidad,seguridad,simulación,lasenergíasrenovables,laautoma3zación,ylasnuevastecnologíasdeinformación.

•  Enpar3cularlaGerenciadeSistemasAvanzadosdeCapacitaciónySimulacióndelIIEestaenfocadaa:•  DesarrolloypuestaenserviciodeSimuladoresdealcancetotal,paraentrenamientode

operadoresdeprocesosindustriales.

•  Diseño,desarrolloeimplantacióndeEmuladores,3emporeal,parapruebadeequipos(ReguladoresAutomá3cosdeTensión,deVelocidad,etc.).

•  HerramientasAvanzadasdeCapacitación,basadasenMul3media,TutorInteligente,SistemadeAdministracióndeAprendizaje,RealidadVirtualySimulaciónDinámica.

•  Mantenimiento,soportetécnico,actualizacionesymejorasparaCentrosdeEntrenamiento.

•  DesarrollodesimuladoresparaanálisisdeprocesostermohidráulicosusandotécnicasCFD(Computa(onalFluidDynamics)

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I.2Introducción-Generalidades

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En términos generales en una planta de Ciclo Combinado se tienen 3 componentes principales:

Turbina de Gas

Recuperador de Calor

Turbina de Vapor

•  Los Recuperadores de Calor o HRSGs son un componente clave en las centrales eléctricas de ciclo combinado.

•  El HRSG extrae la energía térmica de los gases de combustión provenientes de la turbina de gas y la transfiere al agua que fluye por los tubos de los intercambiadores de calor (sobrecalentador, evaporador y economizador).

•  El vapor producido en el HRSG se suministra a una turbina de vapor acoplada a un generador para producir energía eléctrica.

Introducción:

•  Generalmente los HRSGs se analizan utilizando principios termodinámicos relacionados con el paso del vapor por los distintos componentes sin valorar el lado gases del sistema.

•  El análisis del flujo de gases es importante porque:

v  Permite determinar y garantizar en lo posible un flujo uniforme del gas.

v  Evaluar la distribución del flujo de gas.

v  Determinar algunas causas comunes de fallas en HRSGs (generación de flujos y temperaturas no uniformes, puntos calientes y zonas de altas velocidades).

v  Tubos más susceptibles a corrosión y rotura si la distribución de flujo no es uniforme.

•  La simulación CFD se puede emplear para:

•  Simular situaciones de operación existentes o hipotéticas •  Analizar el comportamiento por cambios en las condiciones de operación,

tales como carga de la turbina de gas, calidad del combustible, etc. • Aquí se presentan simulaciones CFD del flujo de gas en el interior de un HRSG a condiciones de 100% de carga con el fin de demostrar que las simulaciones CFD son una herramienta viable para estudiar el efecto que algunos parámetros tienen sobre la distribución del flujo de gas y temperatura.

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Introducción:

Metodología La metodología empleada consta de:

Especificación del modelo

Simplificaciones y suposiciones

Geometría

Mallado

Modelado CFD

Obtención de la solución / Post-procesamiento

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Especificación del modelo El dominio computacional del Modelo CFD comprende desde la entrada de los gases de escape provenientes de la turbina de gas hasta la salida de los mismos por la chimenea.

1. DUCTO DE ENTRADA (GASES SALIDA TURBINA)

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Simplificaciones y Suposiciones

• El modelado de los intercambiadores de calor, los cuales constan de alrededor de 4300 tubos, representa un reto para este tipo de simulaciones, se realizó de dos formas:

• A.- Modelo de medios porosos • B.- Modelando los tubos explícitamente.

• Para el modelo de medios porosos, los bancos de tubos se agrupan en módulos y en cada módulo se aplica el modelo de medios porosos para obtener la caída de presión y la temperatura.

• Para el modelo de tubos explícitos como no se simulan los cabezales, se supone que las condiciones de entrada del agua por cada tubo son iguales en cada tubo de los diferentes intercambiadores.

• No se modelan aletas de tubos, para representar área de transferencia debida a aletas se agrega un término fuente a la ecuación de energía.

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Geometría La geometría del modelo se realizó usando el software Design Modeler (ANSYS) en base a los planos geométricos del Recuperador de calor de la unidad de referencia.

Parámetros Dimensiones

Diámetroentrada 3.54m Longitudducto 20m Alturaintercambiadordecalor 19.2m Seccióntransversaldelint.calor 10.45x6m Alturadelachimenea 45m Diametrodelachimenea 6.24m

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VISTA LATERAL RECUPERADOR DE CALOR

Ducto de entrada

Banco de tubos

Chimenea

Módulos

1 2 3 4

Bancos de tubos

Geometría modelo de medios porosos

Módulo Bancodetubos

1 SobrecalentadorprimarioAP(HPSH1)Recalentadorprimario(RHTR1)Recalentadorsecundario(RHTR2)SobrecalentadorterciarioAP(HPSH3)

2 EvaporadorAP

3 EconomizadorprimarioAPSobrecalentadorPIEvaporadorPISobrecalentadorBPEconomizadorsecundarioAP

4 EconomizadorPIEconomizadorterciarioAPEvaporadorBPPrecalentador

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Geometría modelo con tubos explícitos •  Incluye la adición de los tubos (4352) al modelo CFD anterior •  Se simulan los tubos dentro del HRSG

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Malla •  Para el mallado se buscó cumplir 3 condiciones:

1.  Que el tamaño de la celda permitiera capturar los fenómenos físicos involucrados

2.  Obtener el menor número de celdas para optimizar tiempo de solución

3.  Cumplir los criterios de calidad de mallado (distorsión (Skewnwess), razón de aspecto).

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•  Software – ANSYS Meshing

Malla modelo medios porosos

Características de algunas de las mallas generadas •  Tetraedros

•  Hexaedros

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Tamaño Skewmax Aspectra@o

1’264,736 0.84 10

3’165,736 0.84 12

4,206,497 0.84 15

Tamaño Skewmax Aspectra@o

528,595 0.70 9.1

1’099,652 0.85 10.1

1’985,931 0.69 13.7

2’786,817 0.84 7.86

Mallado modelo con tubos explícitos •  Se genera malla para cada tubo. •  Tamaño: 23 millones de celdas. •  Estrategia para disminuir tamaño de maya: Malla no conformal (Puntos de malla de tubos no coinciden con puntos de zona de gases, el programa interpola de una a otra)

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Modelado CFD

ZonaAgua-vapor flujo(kg/s)Temperaturaentrada(°C)

HPSH1 39.24 461.7RHTR1 48.74 450HPSH2 38.47 388.3RHTR2 47.98 315.6HPSH3 38.47 325.6HPEVAP 38.47 321.1HPECON1 38.47 216.7IPSH 9.6 221.7

IPEVAP 9.6 207.2LPSH 4.26 147.2

HPECON2 38.47 204.4IPECON 9.6 147.8HPECON3 38.47 147.8LPEVAP 4.26 135.6FWHTR 61.73 54.4Partegas 341.26 612.2

1.  Se utilizó un modelo 3D en estado estacionario para flujo incompresible y el modelo de turbulencia k-ε estándar con funciones de pared.

2.  El gas se tomó como un fluido de 1 componente con propiedades en función de la temperatura.

3.  Las condic iones de f rontera se obtuvieron de datos de diseño de la planta real.

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Generalidades del Modelo de Medios Porosos

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•  Los intercambiadores de calor (sobrecalentadores, recalentadores y economizador) se modelan empleando un enfoque de medios porosos.

•  Factor de porosidad es la relación entre el volumen ocupado por el gas y volumen total. •  El modelo calcula la caída de presión y la transferencia de calor debida a cada tubo

presente en esa zona. •  La ecuación de momento contiene un término adicional.

•  Los coeficientes para el cálculo de la caída de presión se estimaron a partir de los datos de diseño de la planta a condiciones de operación de 100, 75 y 50 % carga.

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q  Características del Equipo de cómputo

II.5ProcesodeCálculoyConvergencia

1.  Se inició con Flujo y Turbulencia (aproximadamente 200 iteraciones) 2.  Parámetros de zonas porosas, transferencia de calor 3.  Discretización de segundo orden hasta obtener una convergencia de 10e-5 en

residuales de continuidad y de 10e-9 en energía.

q  Proceso de cálculo y convergencia

o  Para obtener una resolución numérica adecuada de flujo de un modelo CFD es recomendable realizar un estudio de sensibilidad del tamaño de la malla, orden de discretización, condiciones de entrada, etc.

o  Para el Modelo CFD del HRSG se realizaron las siguientes 4 pruebas:

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Sensibilidad al tamaño de Malla •  Mallas TETRAEDROS (2, 3 y 4 millones) •  Mallas HEXAEDROS (500 mil, 1, 2 y 3)

Sensibilidad a las Condiciones de Entrada – Perfil de Velocidad del gas

Sensibilidad al Orden del Método de Discretización- 1er y 2o orden

Efecto de Inflación de la malla

Con base en los resultados de sensibilidad se incluirá en el modelo final:

•  Malla con hexaedros de 3 millones •  Con inflación de la malla •  Con perfil de entrada de la velocidad del gas •  Con discretización de segundo orden

q  Estudio de sensibilidad

Resultados

Modelo medios porosos a) Simulaciones a diferentes cargas (100, 75 y 50%)

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Resultados (Modelo medios porosos)

b) Contornos de velocidad del gas a diferentes cargas

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Resultados (Modelo medios porosos)

c) Contornos de presión y temperatura del gas

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Resultados

Modelo tubos explícitos a) Perfiles temperatura, velocidad y presión gas

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Resultados (Modelo tubos explícitos)

b) Temperatura del gas y vectores lado gas

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Resultados (Modelo tubos explícitos)

c) Temperatura del agua/vapor

0

100

200

300

400

500

600HP

SH1

RHTR

1

HPSH

2

RHTR

2

HPSH

3

HPEVA

P

HPECO

N1

IPSH

IPEVA

P

LPSH

HPECO

N2

IPECO

N

HPECO

N3

LPEVA

P

FWHTR

Temperaturasalida(°C)

Tempsalidacalculo(°C)

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Resultados (Modelo tubos explícitos)

d) Temperatura del agua/vapor

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Resultados (Modelo tubos explícitos)

e) Temperatura del agua/vapor en sobrecalentadores

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CONCLUSIONES

•  Se desarrolló un simulador CFD con el software ANSYS-FLUENT en base a la geometría de una central de ciclo combinado en operación.

•  El modelado de los tubos de los intercambiadores de calor se realizó de dos formas: •  (a) mediante un modelo de medios porosos y •  (b) modelando los tubos explícitamente.

•  La validación del modelo se realizó comparando datos de simulación con datos disponibles de planta obteniéndose una comparación relativamente buena, sin embargo, la validación podría mejorar si se contara con más datos de planta.

•  Como resultado de este trabajo se cuenta con un modelo CFD de un Recuperador de Calor que reproduce el comportamiento de la planta y se espera que su uso pueda apoyar a la eficiencia energética de las centrales de ciclo combinado, mejorando la disponibilidad y analizando causas raíz de fallas.

•  El simulador CFD forma parte de una herramienta de simulación integral, que cuenta con

un Simulador en tiempo real de parámetros concentrados con sistemas y controles asociados, para ayudar al usuario a simular dinámicamente diferentes condiciones de operación y establecer una condición en particular a ser simulada con el código CFD.

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Graciasporsuatención

Ins3tutodeInves3gacionesEléctricas

GerenciadeSistemasAvanzadosdeCapacitaciónySimulaciónReforma113Col.Palmira

Cuernavaca,Morelos,México

www.iie.org.mx

Iván Francisco Galindo García Correo electrónico: igalindo@iie.org.mx

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