Desenvolvimento, modelagem, simulação e otimização de usinas termoelétricas de ciclo Rankine

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta um modelo matemático para o projeto e otimização de usinas de geração de energia de ciclo Rankine a vapor. O modelo assume que as irreversibilidades da planta são predominantes nos trocadores de calor, portanto, a destruição de exergia na turbina, bomba, conexões, tubos e outros componentes internos são desprezados. O método NTU-eficácia foi utilizado para modelar os trocadores de calor e, sem perda de generalidade, a água foi considerada como fluido de trabalho, que muda de fase em ambos os trocadores de calor. Reconhecendo que a entropia é gerada em qualquer sistema físico, o problema de otimização fundamental selecionou a saída de potência líquida adimensional e a eficiência da segunda lei como as funções objetivo a serem maximizadas. Após a identificação dos parâmetros geométricos e operacionais da planta a serem otimizados com base na interseção de método das assíntotas, sujeito a uma restrição física realística da área total fixa dos trocadores de calor, ou seja, para uma planta de tamanho finito. Como resultado, dois níveis de otimização foram identificados: i) o fluido de trabalho, M adimensional e ii) as frações de área dos trocadores de calor: caldeira, xH, e o condensador, xL. Máximos agudos foram obtidos em ambos os níveis, o que é ilustrado com um caso base de ~60% de variação de eficiência da segunda lei em comparação com o máximo obtido para 0,05 < M < 0,25 no primeiro nível de otimização, no caso base considerado neste estudo. A sensibilidade dos resultados ótimos de duas vias para vários parâmetros geométricos e operacionais da planta foi minuciosamente investigada. Os parâmetros otimizados mostraram-se robustos em relação a vários projetos e condições de operação do sistema. Tais descobertas enfatizam a importância dos resultados fundamentais de otimização aqui relatados para qualquer sistema real de usina de ciclo Rankine em análise.

Abstract: This paper introduces a mathematical model for the design and fundamental optimization of steam Rankine cycle power plants. The model assumes that the plant irreversibilities are predominant in the heat exchangers, thus exergy destruction in the turbine, pump, fittings, tubes and other internal components are neglected. The NTU-effectiveness method was utilized to model the heat exchangers, and, without loss of generality, water was considered as the working fluid, which changes phase in both heat exchangers. Acknowledging that entropy is generated in any physical system, the fundamental optimization problem selected the dimensionless net power output, and second law efficiency as the objective functions to be maximized, after the identification of plant geometric and operating parameters to be optimized based on the intersection of asymptotes method, subject to a fixed total heat exchangers area realistic physical constraint, i.e., for a finite size plant. As a result, two levels of optimization were identified: i) the working fluid to hot stream mass flow rate ratio, M, and ii) the boiler, xH, and condenser, xL, area fractions of the plant fixed total heat exchangers area. Sharp maxima were obtained in both levels, which is illustrated with a base case by ~60% second law efficiency variation in comparison to the obtained maximum for 0.05 < M < 0.25 in the first optimization level in the base case considered in this study. The two-way optima results sensitivity to several plant geometric and operating parameters were thoroughly investigated. The optimized parameters are shown to be robust with respect to several system's design and operating conditions. Such findings stress the importance of the herein reported fundamental optimization results for whatever actual Rankine cycle power plant system under analysis.