GeoSteam.Net: Un simulador de transporte de vapor para optimizar el diseño de las redes de vapor-ductos y la generación de energía eléctrica en un campo geotérmico

Número de proyecto

P14

Título de proyecto

GeoSteam.Net: Un simulador de transporte de vapor para optimizar el diseño de las redes de vapor-ductos y la generación de energía eléctrica en un campo geotérmico

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Mahendra Pal Verma Jaiswal

Institución

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL

Antecedentes y justificación

En los sistemas geotérmicos el recurso primario para la generación de energía eléctrica es vapor, con el que se produce el movimiento de las turbinas. En la mayoría de los campos geotérmicos el fluido producido es una mezcla de agua y vapor. Para obtener solamente vapor útil para las turbinas se usan distintos sistemas de separación en el cabezal de cada pozo. Una vez obtenido el vapor separado se transporta hacia la turbina a través de una red de vapor-ductos que consiste de tubos, codos, válvulas, expansiones, reducciones, etc. El flujo de vapor (fluido) en las redes de vapor-ductos de sistemas geotérmicos es más complejo que en cualquier otro tipo de sistema, debido que la presión, temperatura y el flujo en los pozos geotérmicos son establecidas por las características naturales del yacimiento (Verma et al. 2013). Además, las distancias grandes entre los pozos y la configuración topográfica de un campo geotérmico influyen negativamente en la caracterización del flujo (García et al., 2009). Las condiciones en la apertura del pozo (es decir, el control de su presión, y flujo en la boca del pozo) produce problemas de incrustación (que consisten principalmente en depósitos de sílice y calcita) tanto en el yacimiento geotérmico, como en las redes de vapor-ductos (Verma et al., 2012). De la misma manera, se ha observado inestabilidad en forma de fluctuación de la presión en la red de tuberías geotérmicas (incluso a veces en los pozos), si la apertura de los pozos no está sincronizada. Todo esto afecta la capacidad de producción de un sistema geotérmico. Normalmente este problema se llega a resolver produciendo un exceso de vapor (es decir, vapor sin ningún tipo de uso) y descargándolo a la atmósfera, lo que tiene impactos económicos y ambientales. De ahí la importancia de comprender la complejidad del flujo de vapor en las redes de los sistemas geotérmicos.

Para satisfacer esta necesidad de la industria de energía eléctrica, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) inició un proyecto, "GeoSteamNet: un paquete de cómputo para simular el flujo de vapor en una red de vapor-ductos de campos geotérmicos" en 2006. El resultado de este proyecto fue el programa GeoSteamNet, el cual utiliza el algoritmo de conversación de masa, momento lineal y energía, implementado inicialmente por la NASA en el código de cómputo, "Generalized Fluid System Simulation Program (GFSSP)" (Majumdaret al., 2007). Verma y Arellano (2010) escribieron un componente ActiveX, PipeCalc en Visual Basic 6.0 para el flujo de vapor en vapor-ductos usando el algoritmo modificado de GFSSP. Los componentes ActiveX tenían varios problemas que se describieron como el infierno de DLL. Estos problemas se han resuelto en Visual Studio 2010. Por lo tanto, se escribió una nueva versión del programa como una biblioteca, GeoSteamNet en Visual Basic en Visual Studio 2010 (VB.NET). Verma (2013) determinó que la consistencia interna en las propiedades termodinámicas del agua es de vital importancia. La inestabilidad en el algoritmo se observa como una consecuencia del comportamiento del vapor como gas ideal a baja presión, que se resuelve mediante el ajuste del límite inferior de presión a 2.0x105 Pa. El estudio paramétrico del comportamiento de las variables de presión, temperatura, tasa de flujo másico de vapor y líquido, pérdida de energía térmica, conversión de energía mecánica a térmica por fricción, energía cinética, energía potencial y energía térmica en las tuberías horizontales y verticales, ha demostrado que la exactitud en la medición de la presión es muy importante en las redes de vapor-ductos (Verma et al., 2013). Además, se han observado que los simuladores existentes no arrojan resultados consistentes para los vapor-ductos de diámetro >80 cm. (Comunicación personal, Dr. Sadiq Zarrouk, This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.); no obstante, los sistemas geotérmicos del mundo tienen redes de vapor-ductos de tuberías >80 cm. Así, la ampliación de conocimiento de transporte de vapor en las redes es una necesidad crucial para la industria geotérmica.

Se desarrolló una interfaz gráfica en 3D, escrito en Google SketchUp Pro 8.0, para dibujar las redes de vapor-ductos de los campos geotérmicos (Verma y Gervacio, 2011). En este proyecto se realizará la integración de los programas existentes de cómputo en un Entorno de Desarrollo Integrado (Integrated Development Environment) para volver el uso de software fácil y amigable para el usuario, y así escribir los programas para los diversos componentes de redes de vapor-ductos como son codo, expansión-reducción, válvula, orifico, entre otros.

Verma et al. (2013) observaron que la limitación fundamental en la simulación de transporte de vapor es la calidad de datos termodinámicos del agua (es decir, las tablas de vapor). Verma (2006) demostró que las tablas de vapor violan las leyes termodinámicas. La temperatura (T), la presión (P), el volumen (V), la energía interna (U), la entalpía (H), la entropía (S), la energía libre de Gibbs (G) y la energía libre de Helmholtz (A), incluyendo la conductividad, la solubilidad, el equilibrio constante de una reacción química, etc., son variables de estado. Las funciones de estado U, H, S, G y A son calculadas a partir de las características PVT y los datos de capacidad calorífica (Verma, 2006). El valor de calor específico (Cp) en la región de líquido comprimido aumenta con la temperatura, mientras que disminuye con la presión. Figura 1 demuestra la variación de Cp como función de temperatura para varios valores de presión. Para todos los valores de P no hay una variación significativa de Cp hasta 550°K; sin embargo, hay un aumento drástico en los valores de Cp a partir de T = 550°K.

Figura 1: Datos experimentales de calor específico del agua a presión constante (Cp). Para una presión dada los valores se dividen en dos grupos: (a) para la región de líquido comprimido, que se muestra por el símbolo relleno y la línea sólida y (b) para la región de vapor sobrecalentado, que se muestra por el símbolo vacío y línea de trazos.

Existe un máximo cerca del límite de separación líquido-vapor. Debido a los valores de CP, las propiedades termodinámicas del agua tienen valores múltiples, y esto contradice la definición básica de función de estado. Por ello hay una necesidad crítica de actualizar la medición de los datos termodinámicos del agua para poder simular el transporte de vapor, así como para otros estudios que involucren dichos datos termodinámicos del agua.

Debido a esto se planea realizar mediciones de los datos de calor específico del agua a temperatura y presión que sean de interés para la industria geotérmica.

Objetivos y metas

El objetivo principal del presente proyecto es continuar el desarrollo de GeoSteam.Net. Para alcanzar este objetivo se realizaran las siguientes metas específicas:

  • Mejorar el algoritmo para el nodo de dos o más pozos de producción: El presente algoritmo de GeoSteam.Net valida la presión para diferentes ramas en el nodo de unión de dos o más pozos productores que sea igual; sin embargo, pueden existir diferencias en la temperatura en las diferentes ramales. Para resolver eso, se requiere el desarrollo de un modelo de mezcla de fluidos en el nodo.
  • Desarrollo de algoritmo para los componentes de la red de tuberías: Los componentes de la red de vapor-ductos (por ejemplo, un codo) en software comerciales o científicos existentes se programan como las tuberías equivalentes. En otras palabras, los componentes se sustituyen por las respectivas tuberías equivalentes virtuales durante la simulación de transporte de vapor. Se trabajará para diseñar un algoritmo para diferentes tipos de componentes, incluyendo la conservación del momento angular y su disipación por fricción. La validación del algoritmo se realizará a través de las mediciones de campo en los sistemas geotérmicos.
  • El diseño de la interfaz de usuario: Se diseñará una interfaz gráfica de usuario que puede servir como una herramienta a los ingenieros de campo en la toma de decisiones críticas para la operación óptima del sistema geotérmico, a través de simulaciones de redes de vapor-ductos con el simulador en tiempo real.
  • Nuevas mediciones de las propiedades termodinámicas del agua: En realidad, las condiciones del estado del agua en la mayoría de las redes de vapor-ductos geotérmicos son a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido, por lo tanto no hay violación de las leyes básicas de la termodinámica en los algoritmos actuales. Sin embargo, se ha observado el cambio de estado del agua en la región de vapor sobrecalentado, en las condiciones extremas de operación. En este caso se observó la violación de la conservación de energía debido a las inconsistencias en los datos termodinámicos existentes. Además, el futuro de la industria geotérmica es la explotación de los sistemas geotérmicos mejorados. Esto significa que es verdaderamente importante aprender a simular el transporte del fluido geotérmico en condiciones distintas a la curva de saturación. Por lo tanto, un objetivo de este proyecto es diseñar un montaje experimental para medir la capacidad calorífica del agua y el vapor, y así resolver las anomalías que actualmente existen en las propiedades termodinámicas del agua.

Número de proyecto

P14

Título de proyecto

GeoSteam.Net: Un simulador de transporte de vapor para optimizar el diseño de las redes de vapor-ductos y la generación de energía eléctrica en un campo geotérmico

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Mahendra Pal Verma Jaiswal

Institución

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL