Simulación y análisis exergético de una caldera de recuperación de calor en una planta de ciclo combinado

Mccarthy Valderrama, Kieran (2019). Simulación y análisis exergético de una caldera de recuperación de calor en una planta de ciclo combinado. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Simulación y análisis exergético de una caldera de recuperación de calor en una planta de ciclo combinado
Author/s:
  • Mccarthy Valderrama, Kieran
Contributor/s:
  • Arnaiz del Pozo, Carlos Rafael
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: September 2019
Subjects:
Freetext Keywords: Ciclo combinado gas-vapor, Ciclo HRSG, Pinch point, Approach temperature, Rendimiento exergético, Rendimiento térmico, Destrucción exergética
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El siguiente Trabajo Fin de Grado consiste en el análisis exergético y térmico del ciclo de vapor de un ciclo combinado, con caldera de recuperación de calor de tres niveles de presión y recalentamiento. Dicho ciclo se conoce como HRSG, Heat Recovery Steam Generator, por sus siglas en inglés. Para realizar el análisis, se comenzará simulando un caso base y se harán análisis de sensibilidad de ambos rendimientos y del cociente UA/W, que mide el coste de la caldera por la potencia producida. Este parámetro es el cociente del tamaño térmico del HRSG entre el trabajo producido en el ciclo de vapor, y el coste económico que supone. Para recrear los casos, se emplea el programa de simulación de ciclos UniSim R451 de Honeywell, un potente software para simulación de procesos relacionados con la industria química y petroquímica. Permite realizar diseños y simulaciones, entre otras muchas aplicaciones. En primer lugar, en la introducción de este proyecto se presenta los fundamentos teóricos y tecnológicos que rigen las centrales de ciclo combinado gas-vapor. Se dedicará especial atención a los conceptos tecnológicos en los que se basa el ciclo de vapor de las mismas, incluyendo la caldera de recuperación de calor y se estudiará con más detalle aquellos parámetros que influyen sobre el rendimiento de los HRSG. Las centrales térmicas de ciclo combinado gas-vapor son una interesante alternativa a las de carbón tradicionales. Por tanto, se dedicará un apartado a conocer cómo es su impacto ambiental frente a estas, incidiendo en la emisión de gases de efecto invernadero Se definirán así mismo los objetivos de este Trabajo Fin de Grado y se aportará una justificación a los mismos. El principal de los objetivos es la realización de una simulación del ciclo de vapor de un ciclo combinado, en condiciones de trabajo normales para, de este modo, conocer su rendimiento exergético y térmico. Una vez hecho esto, se modificará el pinch point y la approach temperatura para estudiar la sensibilidad del ciclo al variarlos. Se define el pinch point como la diferencia entre la temperatura del vapor a la salida de los economizadores y la temperatura de los gases en esa zona. La approach temperatura es la diferencia entre la tempertaura de saturación en el calderín y la del agua a la salida del economizador, siendo el calderín y los economizadores, elementos del ciclo. Estos parámetros son un factor clave en la eficiencia del ciclo de vapor y estudiarlos de forma aislada contribuye a conocer a fondo su influencia. Por tanto, al realizar la simulación, los demás valores, como son las condiciones de entrada, ambientales y de trabajo de las turbinas y los demás elementos del ciclo, permanecen constantes. Se presentará, del mismo modo, el ciclo combinado básico en el que se basa el ciclo de vapor evaluado, que se desarrollará de forma más detallada en otros apartados. Para conocerlo en profundidad, se describirán los elementos que lo componen y, además, se explicarán una serie de conceptos tecnológicos relacionados con estos elementos. Estos parámetros son los que permitirán modificar los distintos rendimientos y otros resultados esenciales para el correcto funcionamiento de los HRSG. Además, para tener un conocimiento más profundo del ciclo de vapor, se estudiarán las diferentes configuraciones que pueden tener los HRSG y cómo son en la práctica. A continuación, en la sección de la metodología, se presentarán las bases de diseño de la simulación, basados en los valores habituales reales de los ciclos combinados gas-vapor. Se introducirán, por tanto, los parámetros de funcionamiento de cada uno de los elementos que componen el ciclo y el HRSG estudiado. Se indicarán, además, los modelos termodinámicos que se emplean en cada fluido de ciclo. Una vez hecho esto, se describirá de forma detallada el funcionamiento de la caldera de recuperación de calor que se va a simular. De este modo, se podrán comprender las simplificaciones que se deben hacer al introducir el modelo en el simulador UniSim. Estas simplificaciones se realizarán para reducir el tiempo de simulación y a causa de algunas limitaciones que puede presentar el programa. Con una breve explicación del funcionamiento de UniSim, queda cerrado el bloque de la metodología para pasar al de análisis de resultados. Después, se pasará a analizar los resultados devueltos. Para ello, se presentarán los resultados principales en el caso base para posteriormente mostrar el rendimiento exergético y térmico del mismo, haciéndose un desglose de su destrucción exergética, estudiando qué elementos contribuyen en mayor medida a la misma y comparando con las contribuciones habituales en este tipo de centrales. De este modo, se podrá comparar con casos reales el rendimiento exergético y térmico, así como la proporción de destrucción exergética que se ha mencionado. Los distintos casos son comparados analizando la variación del rendimiento exergético y térmico y, el cociente UA/W en cada modelo. Es decir, se realizará un análisis de sensibilidad a los mismos para conocer cómo influyen la modificación que se introduzcan y cómo se aplican a casos reales. De acuerdo con el análisis de los resultados en las distintas simulaciones, se determinará el impacto de este Trabajo Fin de Grado, estudiando las conclusiones obtenidas y las sus aplicaciones. Se proponen así mismo una serie de líneas futuras de estudio del Trabajo Fin de Grado. Se empelará para la creación de unos módulos que, a modo de puzle, podrán facilitar el diseño y compresión de las centrales de potencia para la Unidad Docente de Termodinámica, con fines académicos y de investigación. Estos módulos serán completados con la propuesta de nuevos Trabajos Fin de Grado con distintas configuraciones de la caldera de recuperación de calor. Se pasará, a modo de conclusión, entonces a hacer una reflexión de lo que ha supuesto este Trabajo Fin de Grado y se valorará si se han cumplido los objetivos propuestos.

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Item ID: 56674
DC Identifier: http://oa.upm.es/56674/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56674
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 04 Oct 2019 08:14
Last Modified: 03 Dec 2019 23:30
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