Félix Ignacio Pérez Cicala

La introducción del desaireador da lugar a la necesidad de utilizar dos bombas. Esto se debe a que el desaireador es esencialmente un tanque de gran tamaño, que no solo elimina los gases disueltos sino que adicionalmente actúa de reserva de agua de alimentación. Dado que en el desaireador la presión del agua de alimentación se iguala a la del vapor de la extracción, y el vapor de la extracción está a menor presión que la presión nal del agua de alimentación antes de entrar a la caldera, se necesitan una bomba de alimentación y una bomba de condensador. De esta forma, el salto de presión desde la presión del condensador hasta la presión de la caldera se produce en dos estapas.

La introducción del tren de calentadores da lugar a que el ujo másico que pasa por la turbina disminuya, por lo cual la potencia generada es menor, siendo este efecto más acentuado en las etapas nales de la turbina. Pero esta disminución en la potencia generada se ve contrarrestada por el incremente en el rendimiento del ciclo, resultando al nal en un aumento neto de la energía generada por unidad de combustible quemado.

1.3. Configuración de estudio

En este proyecto, se estudia un ciclo Rankine regenerativo con seis calentadores cerrados. El ciclo cuenta con dos calentadores de alta presión y cuatro calentadores de baja presión. La caldera se considera como una caja negra, es decir, no se modeliza su funcionamiento, sino que solamente se tienen en cuenta las condiciones a la entrada y a la salida de la misma. El generador no está modelizado, por razones que se explican en el Capítulo 2.

En la Figura 1.4 se muestra el ciclo Rankine de estudio tal como se representa en el programa. En el diagrama, la turbina de vapor está separada en tres etapas (alta presión, media presión y baja presión), de acuerdo a la separación de la turbina en tres cuerpos que se utiliza en las centrales modernas.

Figura 1.4: Ciclo Rankine de estudio

La con guración de estudio que se escogió es la que se da como ejemplo de cálculo en el método de Spencer, Cotton y Cannon [1]. En esta con guración de estudio, los componentes del ciclo son los siguientes:

La turbina de vapor está separada en tres cuerpos (alta, media y baja presión). En centrales de alta potencia es común que las turbinas de media y baja presión sean de doble ujo (el

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ujo másico se divide en dos, pasando a dos turbinas simétricas), y pueden darse casos en los cuales haya más de un cuerpo de la turbina de baja presión.

El condensador, a la salida de la turbina de baja presión.

Las bombas de condensado y agua de alimentación están situadas después del condensador y del desaireador respectivamente.

Los feedwater heaters (FWH), separados en un tren de alta presión y un tren de baja presión. El tren de alta presión envía el condensado al desaireador, y el tren de baja presión lo envía al condensador. La turbina de alta presión alimenta un solo FWH, al igual que la turbina de media presión. La turbina de baja presión alimenta a los cuatro FWH de baja presión.

El calentador abierto o desaireador, que tiene como extracción vapor recogido a la salida de la turbina de media presión.

La caldera tiene un circuito primario de calentamiento (HTR en la Figura 1.4) y un circuito de recalentamiento (RHTR en la Figura 1.4). El recalentamiento recoge el vapor de salida de la turbina de alta presión y eleva su temperatura a la máxima del ciclo.

El ejemplo dado en el método de Spencer, Cotton y Cannon [1] se muestra en la Figura 1.5. Se observa en el diagrama que la turbina de baja presión es de doble ujo, con algunas de las extracciones siendo distintas en cada uno de los dos lados. Esto no afecta al modelo utilizado, puesto que la turbina de doble ujo es simétrica respecto al punto de entrada (los dos lados son de idéntico diseño y construcción), y los valores de entalpías son los mismos que si se utilizara una turbina mono ujo.

Figura 1.5: Con guración de ejemplo del método de Spencer, Cotton y Cannon [1]

Existen otras dos diferencias con la Figura 1.4, que son:

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El ultimo calentador de baja presión envía el condensado a una bomba y lo mezcla con el ujo principal. No existen grandes diferencias entre operar de esta forma o enviar el condensado al condensador. En centrales de diseño más moderno se utiliza el segundo método, posiblemente para evitar la pérdida de e ciencia causada por usar una tercera bomba en el ciclo.

En el diagrama de la Figura 1.5 se muestra el Steam Seal Regulator (S. S. REG.), que recoge las fugas 2, 5 y 6. EL SSR separa el vapor del condensado procedente de estas fugas, enviando el ujo másico al condensador o a la línea de agua de alimentación según corresponda. En el diagrama de la Figura 1.4, esas fugas se envían directamente al condensador. Aunque en la vida real el SSR es muy importante para el correcto funcionamiento de la turbina, tiene una in uencia limitada en el rendimiento global del ciclo (asumiendo que funciona correctamente), por lo cual la simpli cación tiene poco peso en el resultado nal.

Esta con guración elegida como caso de estudio es representativa de las centrales modernas. Adicionalmente, el programa desarrollado puede funcionar con con guraciones distintas, como distinto número de calentadores cerrados o tipos de turbina distintos.

1.4. Operación de ciclos Rankine a carga parcial

Un ciclo Rankine opera a carga parcial cuando la potencia generada es menor que la potencia de diseño del ciclo. Algunos ejemplos de situaciones en las cuales se opera a carga parcial son:

Durante el arranque y la parada de la planta. Durante el arranque especialmente, es importante conocer en qué estado operará el ciclo, puesto que en ciclos Rankine de gran tamaño la operación de arranque puede durar entre 4 y 6h debido a la inercia térmica de la caldera y del propio ciclo. Adicionalmente, es un caso de estudio complejo puesto que los calentadores cerrados pueden operar en bypass (el agua de alimentación los atraviesa sin calentarse, o directamente se salta el FWH pasando por otra tubería).

En condiciones de operación anormales, por ejemplo con calentadores fuera de servicio o con pérdidas de carga distintas a las de diseño (por ejemplo, con cierre de válvulas).

Por diseño de la central. El caso más común es en centrales termosolares, que están diseñadas con una potencia pico distinta a la potencia de funcionamiento al descargar el almacenamiento térmico.

Para cumplir con exigencias de la red, algunas plantas pueden operar a carga parcial de forma frecuente.

Cuando la planta ya está construida, la manera más común de predecir el funcionamiento a carga parcial del ciclo es mediante el kit térmico de la turbina de vapor, proporcionado por el fabricante de la misma, que contiene la información necesaria para calcular el rendimiento de la turbina. Sin embargo, en la fase de pre-diseño no se suele disponer de esta información. El método de Spencer, Cotton y Cannon [1] proporciona una metodología para predecir el rendimiento de turbinas de vapor a carga parcial, utilizando parámetros de pre-diseño del modelo de turbina a estudiar.

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En el programa desarrollado, la operación a carga parcial queda de nida por el ujo másico máximo que circula en el ciclo (es decir, el ujo másico a través de la caldera). A partir de su valor se calcula la potencia generada por todo el ciclo.

1.5. Rendimiento de ciclos Rankine

El parámetro principal que se utiliza en el programa para medir la e ciencia del ciclo es el rendimiento térmico, según se de ne en [3]. Esta de nición se muestra en la ecuación (1.1), y utiliza las diferencias de entalpías entre entrada y salida de cada equipo para medir las potencias.

Al no utilizar rendimientos del generador, motores eléctricos de las bombas o del generador de vapor, se garantiza que se está evaluando el ciclo independientemente de equipos particulares que no se estudian en este proyecto. De esta forma se puede comparar el efecto especí co de con guraciones distintas en la e ciencia del ciclo Rankine.

Donde:

cyc es el rendimiento térmico del ciclo.

Wtur es la potencia generada por las turbinas, medida como calor cedido por el vapor.

Wpmp es la potencia consumida por las bombas de alimentación y condensado, medida como calor absorbido por el agua.

Qhtr es el calor aportado al agua de alimentación en el circuito economizador-evaporador- sobrecalentador.

Qrhtr es el calor aportado al vapor en el recalentador.