En los Estados Unidos, el uso de gas natural para la generación de electricidad continúa creciendo. ¿Las fuerzas impulsoras detrás de este desarrollo? Un auge en la producción nacional de gas natural, precios históricamente bajos y un mayor escrutinio sobre las emisiones de carbono de los combustibles fósiles. Aunque el carbóntodavía representa alrededor de un tercio de la generación de electricidad de EE. UU., las empresas de servicios públicos están cambiando hacia un gas natural más limpio para reemplazar las plantas de carbón desmanteladas
Las turbinas de gas de bajo mantenimiento y alta eficiencia están desempeñando un papel importante en esta transición, impulsando el atractivo económico de la electricidad derivada del gas natural. General Electric GE, líder mundial en tecnología de generación de energía industrial y el proveedor más grande del mundode turbinas de gas, considera que la generación de energía a gas es un sector de crecimiento clave de su negocio y un paso práctico hacia la reducción de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Cuando se quema para generar electricidad, el gas natural emite la mitad del dióxido de carbono que el carbón. También requiere menos controles ambientales.
"La tecnología avanzada de turbinas de gas brinda a los clientes uno de los costos de instalación más bajos por kilovatio", dijo Joe Citeno, gerente de ingeniería de combustión de GE Power. "Lo vemos como un elemento básico para una mayor generación de energía en todo el mundo".
Las turbinas de gas de servicio pesado de clase H de GE son actualmente las turbinas de gas más grandes y eficientes del mundo, capaces de convertir combustible y aire en electricidad con una eficiencia de planta de energía de más del 62 por ciento cuando se combinan con un generador de turbina de vapor, una configuración conocidacomo ciclo combinado. En comparación, las plantas de energía de ciclo simple de hoy solo generador de turbina de gas operan con eficiencias que oscilan entre el 33 y el 44 por ciento, según el tamaño y el modelo.
GE busca constantemente formas de mejorar el rendimiento y el valor general de sus productos. Un solo porcentaje de aumento en la eficiencia de las turbinas de gas equivale a millones de dólares en costos de combustible ahorrados para los clientes de GE y toneladas de dióxido de carbono que se ahorran en la atmósfera.Una planta de energía de 1 gigavatio, una mejora del 1 por ciento en la eficiencia ahorra 17.000 toneladas métricas de emisiones de dióxido de carbono al año, lo que equivale a retirar más de 3500 vehículos de la carretera. Al aplicar este aumento de eficiencia en la flota de ciclo combinado de EE. UU. aproximadamente 200 gigavatios ahorraría alrededor de 3,5 millones de toneladas métricas de dióxido de carbono cada año.
En 2015, la búsqueda de mejoras en la eficiencia llevó a GE a abordar uno de los problemas más complejos de la ciencia y la ingeniería: las inestabilidades en las cámaras de combustión de las turbinas de gas. El viaje llevó a la empresa a la supercomputadora Titan en Oak Ridge Leadership Computing Facility OLCF, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias Científicas del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE.
acto de equilibrio
El aumento simultáneo de la eficiencia y la reducción de las emisiones de las turbinas de gas natural es un acto de equilibrio delicado. Requiere una comprensión compleja de estas enormes máquinas de conversión de energía: sus materiales, aerodinámica y transferencia de calor, así como la eficaciaqueman, o queman, combustible. De todos estos factores, la física de la combustión es quizás el más complejo.
En una turbina de gas de clase H, la combustión tiene lugar dentro de cámaras de 6 pies de largo a alta temperatura y presión. Al igual que el motor de un automóvil tiene varios cilindros, las turbinas de clase H de GE poseen un anillo de 12 o 16 cámaras de combustión, cada unacapaz de quemar casi tres toneladas de combustible y aire por minuto a temperaturas de combustión superiores a los 1.500 grados centígrados. Las condiciones extremas lo convierten en uno de los procesos más difíciles de probar en las instalaciones de turbinas de gas de GE en Greenville, Carolina del Sur.
A temperaturas más altas, las turbinas de gas producen más electricidad. También producen más emisiones, como óxidos de nitrógeno NOx, un grupo de gases reactivos que están regulados a nivel estatal y federal. Para reducir las emisiones, la combustión Dry Low NOx de GELa tecnología mezcla el combustible con el aire antes de quemarlo en la cámara de combustión.
"Cuando el combustible y el aire están casi perfectamente mezclados, tiene las emisiones más bajas", dijo Jin Yan, gerente del laboratorio de combustión computacional del Centro de Investigación Global de GE. "Imagínese 20 tractocamiones llenos de una mezcla combustible-aire.Una cámara de combustión quema esa cantidad cada minuto. En el proceso, produce menos de una taza de té varias onzas de emisiones de NOx ".
Una combustión tan precisa puede provocar otros problemas, específicamente una llama inestable. Dentro de una cámara de combustión, las inestabilidades en la llama pueden causar pulsaciones acústicas ensordecedoras, esencialmente ondas de presión inducidas por ruido. Estas pulsaciones pueden afectar el rendimiento de la turbina. En el peor de los casos,puede desgastar la maquinaria en cuestión de minutos. Por este motivo, cada vez que se detecta una nueva pulsación, comprender su causa y predecir si podría afectar a futuros productos se convierte en una alta prioridad para el equipo de diseño.
límites de prueba
En 2014, una de esas pulsaciones llamó la atención de los investigadores durante una prueba a gran escala de una turbina de gas. La prueba reveló una inestabilidad de combustión que no se había observado durante las pruebas de desarrollo de la cámara de combustión. La compañía determinó que los niveles de inestabilidad eran aceptables para una turbina de gas sostenida.funcionamiento y no afectaría el rendimiento de la turbina de gas. Pero los investigadores de GE querían comprender su causa, una investigación que podría ayudarlos a predecir cómo podrían manifestarse las pulsaciones en diseños futuros.
La empresa sospechaba que las pulsaciones se debían a una interacción entre cámaras de combustión adyacentes, pero no tenían una prueba física capaz de confirmar esta hipótesis. Debido a los límites de flujo de aire de las instalaciones, GE solo puede probar una cámara de combustión a la vez. Incluso si la empresa pudieraprobar múltiples cámaras de combustión, la visibilidad de acceso y la tecnología de cámaras limitan actualmente la capacidad de los investigadores para comprender y visualizar las causas de las inestabilidades de las llamas de alta frecuencia. Por lo tanto, GE apostó por el modelado y la simulación de alta fidelidad para revelar lo que las pruebas físicas no pudieron.
La compañía le preguntó a su equipo de científicos computacionales, dirigido por Yan, para ver si podía reproducir la inestabilidad virtualmente usando computadoras de alto rendimiento. GE también le pidió al equipo de Yan que usara el modelo resultante para determinar si las pulsaciones podrían manifestarse en un nuevoEl motor de GE incorpora tecnología financiada por el DOE y se probará a fines de 2015, a menos de un año de distancia. Luego, GE desafió al equipo de Yan, en colaboración con la compañía de software Cascade Technologies, a entregar estos resultados únicos antes de laPrueba de 2015 para demostrar una capacidad verdaderamente predictiva.
"No sabíamos si podíamos hacerlo", dijo Yan. Primero, necesitábamos replicar la inestabilidad que apareció en la prueba de 2014. Esto requirió modelar múltiples cámaras de combustión, algo que nunca habíamos hecho. Luego, necesitábamospredecir mediante simulación si esa inestabilidad aparecería en el nuevo diseño de la turbina y en qué nivel ".
Dichas capacidades mejoradas de modelado y simulación tenían el potencial de acelerar drásticamente los ciclos de desarrollo de productos futuros y podrían proporcionar a GE nuevos conocimientos sobre el rendimiento del motor de turbina en una etapa más temprana del proceso de diseño en lugar de después de probar los prototipos físicos.
Pero GE enfrentó otro obstáculo. Para cumplir con el marco de tiempo del desafío, Yan y su equipo necesitaban una potencia informática que excedía con creces las capacidades internas de GE.
Un avance informático
En la primavera de 2015, GE recurrió a la OLCF en busca de ayuda. A través del programa de asociaciones industriales Acelerando la competitividad a través de la excelencia computacional ACCEL, el equipo de Yan recibió una asignación discrecional del director en Titan, un sistema Cray XK7 capaz de 27 petaflops,o 27 billones de cálculos por segundo.
El equipo de Yan comenzó a trabajar en estrecha colaboración con Cascade Technologies, con sede en Palo Alto, California, para ampliar el código CHARLES de Cascade. CHARLES es un solucionador de flujo de alta fidelidad para la simulación de grandes remolinos, un modelo matemático basado en ecuaciones de flujo de fluidos conocido como Navier-Ecuaciones de Stokes. Con este marco, CHARLES es capaz de capturar la mezcla de alta velocidad y las geometrías complejas del aire y el combustible durante la combustión. Los algoritmos eficientes del código lo hacen ideal para aprovechar las supercomputadoras de clase líder para producir petabytes de datos de simulación.
El solucionador CHARLES de Cascade puede rastrear sus raíces técnicas hasta el Centro de Investigación de Turbulencia de la Universidad de Stanford y los esfuerzos de investigación financiados a través del programa de Computación y Simulación Avanzada del DOE. Muchos miembros del equipo de ingeniería de Cascade son ex alumnos de estos programas.como la simulación de motores a reacción de alta fidelidad y la predicción de ruido de aviones supersónicos, nunca se había aplicado para predecir la dinámica de combustión en una configuración tan compleja como un sistema de combustión de turbina de gas de GE.
Utilizando 11,2 millones de horas en Titán, los miembros del equipo de Yan y el equipo de ingeniería de Cascade ejecutaron simulaciones que aprovecharon 8.000 y 16.000 núcleos a la vez, logrando una aceleración en el rendimiento del código 30 veces mayor que el código original. Sanjeeb Bose de Cascade, un ex alumnodel Programa de Becas para Graduados en Ciencias Computacionales del DOE, brindó contribuciones significativas al esfuerzo de desarrollo de aplicaciones, actualizando el solucionador de flujo de reacción de CHARLES para que funcione cinco veces más rápido en las CPU de Titan.
Aprovechando las capacidades de generación de cuadrícula masivamente paralelas de CHARLES, una nueva característica de software desarrollada por Cascade, el equipo de Yan produjo una cuadrícula de malla fina compuesta por casi mil millones de celdas. Cada celda capturó instantáneas a escala de microsegundos de la mezcla de aire y combustible durantecombustión turbulenta, incluida la difusión de partículas, reacciones químicas, transferencia de calor e intercambio de energía.
Trabajando con el especialista en visualización de OLCF Mike Matheson, el equipo de Yan desarrolló un flujo de trabajo para analizar sus datos de simulación y ver la estructura de la llama en alta definición. A principios del verano, el equipo había avanzado lo suficiente para ver los resultados: la primera inestabilidad dinámica multicombustorsimulación de una turbina de gas de GE. "Fue un gran avance para nosotros", dijo Yan. "Desarrollamos con éxito un modelo que fue capaz de repetir lo que observamos en la prueba de 2014".
La nueva capacidad les dio a los investigadores de GE una imagen más clara de la inestabilidad y sus causas que no podría obtenerse de otra manera. Más allá de reproducir la inestabilidad, el modelo avanzado permitió al equipo reducir la velocidad, hacer zoom y observar la física de la combustión en el subwoofer.-nivel de milisegundos, algo que ningún método empírico puede igualar.
"Estas simulaciones son en realidad más que un experimento", dijo Citeno. "Proporcionan nuevos conocimientos que, combinados con la creatividad humana, permiten oportunidades para mejorar los diseños dentro del ciclo práctico del producto".
Con el modelo avanzado y los nuevos métodos de simulación en la mano, el equipo de Yan se acercó a la línea de meta de su objetivo. Al aplicar sus nuevos métodos a la turbina de gas de 2015, el equipo predijo un bajo nivel de inestabilidad en el último diseño que era aceptable para la operación yEstos resultados se confirmaron durante la prueba de la turbina de gas a gran escala, validando la precisión predictiva de los nuevos métodos de simulación desarrollados en Titán. "Fue muy emocionante", dijo Yan. "El liderazgo de GE depositó mucha confianza ennosotros."
Con las dudas iniciales del equipo computacional ahora en un recuerdo lejano, GE ingresó a un mundo de nuevas posibilidades para evaluar motores de turbina de gas.
El camino a seguir
La validación de su modelo de alta fidelidad y la precisión predictiva de sus nuevos métodos de simulación están dando a GE la capacidad de integrar mejor la simulación directamente en su ciclo de diseño de productos. "Ha abierto nuestro espacio de diseño", dijo Yan. "Podemos miraren todo tipo de ideas en las que nunca antes habíamos pensado. La cantidad de diseños que podemos evaluar ha crecido sustancialmente ".
Junto con los avances en otros aspectos del diseño de turbinas de gas, Citeno proyecta que el resultado final será una ganancia total de puntos porcentuales en eficiencia. Esto es importante para el objetivo de GE y DOE de producir una planta de energía de ciclo combinado que opere al 65 por ciento.eficiencia, un salto que se traduce en miles de millones de dólares al año en ahorros de combustible para los clientes. Se estima que una ganancia de eficiencia del 1 por ciento en toda la flota de ciclo combinado de EE. UU. ahorrará más de $ 11 mil millones en combustible durante los próximos 20 años.
"El mundo necesita desesperadamente turbinas de gas de mayor eficiencia porque el resultado final son millones de toneladas de dióxido de carbono que no van a la atmósfera", dijo Citeno, y señaló que en los últimos 2 años, más del 50 por ciento de las turbinas de gas fabricadasen la planta de GE en Greenville se exportaron a otros países. "Cuanto más eficiente se vuelve la tecnología, más rápido se adopta a nivel mundial, lo que ayuda aún más a mejorar la huella de carbono del mundo".
Internamente, la experiencia de GE con los recursos y conocimientos informáticos de clase mundial de OLCF ayuda a la empresa a comprender y evaluar el valor de la computación de alto rendimiento a gran escala, lo que respalda el caso de inversiones futuras en las capacidades internas de GE ". Acceso a OLCF"Systems nos permite ver lo que es posible y eliminar el riesgo de nuestras decisiones de inversión en computación interna", dijo Citeno. "Podemos mostrar ejemplos concretos a nuestro liderazgo de cómo el modelado y la simulación avanzados están impulsando el desarrollo de nuevos productos en lugar de gráficos hipotéticos".
Aprovechando su éxito con Titan, GE continúa desarrollando sus capacidades de simulación de combustión bajo una asignación de 2016 otorgada a través del programa Desafío de Computación de Liderazgo de la Oficina de Investigación en Computación Científica Avanzada ASCR del DOE, o ALCC. Como parte del proyecto,El socio proveedor de GE, Cascade, continúa mejorando su código CHARLES para que pueda aprovechar los aceleradores de GPU de Titan.
"Hace un año, estos eran cálculos que brillaban en el ojo", dijo Citeno. "No los haríamos porque no pudimos hacerlos en un marco de tiempo razonable para afectar el diseño del producto. Titan colapsó eso, comprimiendonuestro ciclo de aprendizaje por un factor de más de 10 y dándonos respuestas en un mes que nos habría llevado un año con nuestros propios recursos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Oak Ridge . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
cite esta página :