Modelado de un simulador de ciclos combinados y optimización de los niveles de presión de la turbina de vapor en la caldera de recuperación de calor

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(1)Joaquín Corredoyra Alcaraz. MODELADO DE UN SIMULADOR DE CICLOS COMBINADOS Y OPTIMIZACIÓN DE LOS NIVELES DE PRESIÓN DE LA TURBINA DE VAPOR EN LA CALDERA DE RECUPERACIÓN DE CALOR. JULIO 2016. TRABAJO FIN DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE GRADUADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES. Joaquín Corredoyra Alcaraz DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE GRADO:. Rubén Abbas Cámara.

(2) Modelado de un Simulador de Ciclos Combinados y Optimización de los Niveles de Presión de la Turbina de Vapor en la Caldera de Recuperación de Calor. Joaquín Corredoyra Alcaraz Grado en Tecnologías Industriales. Especialidad: Técnicas Energéticas. Tutor: Prof. Rubén Abbas Cámara Dr. Ingeniero Industrial. Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Universidad Politécnica de Madrid. 2016.

(3) Índice general 1. Introducción 1.1. Introducción a los Ciclos Combinados como medio para la producción de Energía Eléctrica en Plantas de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Ciclos Combinados de Turbinas de Gas y Vapor: Principios Termodinámicos . . . . . . . . 1.2.1. Ciclo de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Rendimiento de un Ciclo Combinado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. Ciclo del Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.1. Rendimiento de la Turbina de Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4. Ciclo del Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4.1. Rendimiento de la Turbina de Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.5. Caldera de Recuperación de Calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Introducción a los Algoritmos Genéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Algoritmos Evolutivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2. Algoritmos Genéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.1. Terminología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.2. Ventajas del uso de AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.3. Limitaciones del uso de AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3. Diseño Básico de un Algoritmo Genético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.1. Función Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.2. Individuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.3. Creación de una nueva Población . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.4. Proceso de Selección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.5. Proceso de Reproduccioón, Recombinación o Cruce . . . . . . . . . . . . 1.3.3.6. Proceso de Mutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.7. Proceso de Reemplazamiento: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.8. Finalización de la Búsqueda: Criterio de Convergencia . . . . . . . . . . . 1.3.3.9. Funciones con Restricciones: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Herramientas Utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1. Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2. Tablas de Janaf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3. Diagrama de Mollier: función XSTEAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Justificación del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Objetivos del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Metodoligía seguida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 2 3 4 5 6 9 10 13 16 16 18 18 19 20 21 21 22 22 23 26 28 29 29 30 31 31 31 32 33 34 34. 2. Modelado de Plantas de Ciclo Combinado 2.1. Simulación de la Turbina de Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Desarrollo Termodinámico del Ciclo . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Variables de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Programa CicloGas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.1. Inicialización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas 2.1.3.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.4. Finalización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Ejemplos de Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Simulación de la Turbina de Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Ciclo de Vapor con un nivel de presión, sin desgasificador . . . . . . . 2.3.1. Desarrollo Termodinámico del Ciclo Subcrítico . . . . . . . . . 2.3.2. Desarrollo Termodinámico del Ciclo Supercrítico . . . . . . . . 2.3.3. Variables de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36 36 36 39 40 40 41 42 46 46 47 48 48 51 52. ETSI Industriales. - i-. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. 1. Universidad Politécnica de Madrid.

(4) ÍNDICE GENERAL. 2.4.. 2.5.. 2.6.. 2.7.. 2.3.4. Programa CicloVap_1P_SinDesg para Ciclo Subcrítico . . . . . . 2.3.4.1. Inicialización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . 2.3.4.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.4. Finalización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5. Programa CicloVap_1P_SinDesg para Ciclo Supercrítico . . . . . 2.3.5.1. Inicialización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . 2.3.5.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5.4. Finalización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6. Ejemplos de Simulación del Ciclo Subcrítico . . . . . . . . . . . . 2.3.7. Ejemplos de Simulación del Ciclo Supercrítico . . . . . . . . . . . Ciclo de Vapor con un nivel de presión y desgasificador . . . . . . . . . . . 2.4.1. Desarrollo Termodinámico del Ciclo Subcrítico . . . . . . . . . . . 2.4.2. Variables de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3. Programa CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3.1. Inicialización del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . 2.4.3.3. Representación gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3.4. Finalización del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4. Ejemplos de Simulación del Ciclo Subcrítico . . . . . . . . . . . . 2.4.5. Ejemplos de Simulación del Ciclo Supercrítico . . . . . . . . . . . Ciclo de Vapor con dos niveles de presión en paralelo . . . . . . . . . . . . 2.5.1. Desarrollo Termodinámico del Ciclo Subcrítico . . . . . . . . . . . 2.5.2. Desarrollo Termodinámico del Ciclo Supercrítico . . . . . . . . . . 2.5.3. Variables de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4. Programa CicloVap_2P_Desg_Paralelo para Ciclo Subcrítico . . 2.5.4.1. Inicialización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . 2.5.4.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4.4. Finalización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5. Programa CicloVap_2P_Desg_Paralelo para Ciclo Supercrítico . 2.5.5.1. Inicialización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . 2.5.5.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.6. Ejemplos de Simulación del Ciclo Subcrítico . . . . . . . . . . . . 2.5.7. Ejemplos de Simulación del Ciclo Supercrítico . . . . . . . . . . . Ciclo de Vapor con dos niveles de presión en cascada . . . . . . . . . . . . 2.6.1. Desarrollo Termodinámico del Ciclo Subcrítico . . . . . . . . . . . 2.6.2. Desarrollo Termodinámico del Ciclo Supercrítico . . . . . . . . . . 2.6.3. Variables de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.4. Programa CicloVap_2P_Desg_Cascada para Ciclo Subcrítico . . 2.6.4.1. Inicialización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.4.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . 2.6.4.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.4.4. Finalización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.5. Programa CicloVap_2P_Desg_Cascada para Ciclo Supercrítico . 2.6.5.1. Inicialización del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.5.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . 2.6.5.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.6. Ejemplos de Simulación de Ciclos Subcríticos y Supercríticos . . . Ciclo de Vapor con dos niveles de presión y recalentamiento en paralelo . 2.7.1. Desarrollo Termodinámico del Ciclo Subcrítico . . . . . . . . . . . 2.7.2. Desarrollo Termodinámico del Ciclo Supercrítico . . . . . . . . . . 2.7.3. Variables de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.4. Programa CicloVap_2P_Desg_Rec_Paralel para Ciclo Subcrítico 2.7.4.1. Inicialización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . .. ETSI Industriales. - ii-. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54 54 55 57 60 60 60 61 65 65 65 68 70 70 72 72 72 72 75 75 76 77 80 80 83 85 86 86 86 89 91 91 91 91 93 94 98 100 100 102 103 103 103 103 106 107 107 107 107 109 110 112 112 113 115 116 116. Universidad Politécnica de Madrid.

(5) ÍNDICE GENERAL. 2.7.4.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . . . . . . . . . . 116 2.7.4.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 2.7.4.4. Finalización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 2.7.5. Programa CicloVap_2P_Desg_Rec_Paralel para Ciclo Supercrítico . . . . . . . . 120 2.7.5.1. Inicialización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 2.7.5.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . . . . . . . . . . 120 2.7.5.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2.7.6. Ejemplos de Simulación del Ciclos Subcríticos y Supercríticos . . . . . . . . . . . . 124 2.8. Ciclo de Vapor con dos niveles de presión y recalentamiento en cascada . . . . . . . . . . 127 2.8.1. Desarrollo Termodinámico del Ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 2.8.2. Variables de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 2.8.3. Programa CicloVap_2P_Desg_Rec_Cascada para Ciclos Subcr’iticos y Supercríticos129 2.8.3.1. Inicialización del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 2.8.3.2. Obtención de los puntos principales de los diagramas . . . . . . . . . . . 129 2.8.3.3. Representación Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 2.8.3.4. Finalización del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 2.8.4. Ejemplos de Simulación del Ciclos Subcríticos y Supercríticos . . . . . . . . . . . . 133 2.9. Ciclos caracterizados con Rendimientos Politrópicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2.9.1. Programa CicloGas_Politrop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 2.9.1.1. Compresión politrópica de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 2.9.1.2. Expansión politrópica de gases de combustión . . . . . . . . . . . . . . . 138 2.9.2. Programa CicloVap_1P_SinDesg_Politrop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 3. Programas de Optimización de Ciclos Combinados mediante Algoritmos Genéticos 3.1. Ciclo 1P sin desgasificador: Optimización de la presión de línea y del PP . . . . . . . . . . 3.1.1. Variables de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Programa de AG_1P_SinDesg_sub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Inicialización del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4. Creación de la Población Inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5. Creación de los descendientes de una población . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.6. Reemplazamiento de la población anterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.7. Recalculado de parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.7.1. Critero de convergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.8. Modificaciones para los ciclos supercríticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Ciclo 1P sin desgasificador: Optimización de la presión de línea, el PP y el AP . . . . . . 3.2.1. Variables de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Diferencias entre AG_1P_Sin_Desg_AP y AG_1P_Sin_Desg . . . . . . . . . . . 3.2.2.1. Diferencias en la creación de la generación inicial . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.2. Diferencias en la comprobación de la validez de los individuos . . . . . . 3.2.2.3. Diferencias en la mutación de los individuos . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Ciclo 1P con desgasificador: Optimización de las presiones de línea y de extración y el PP 3.3.1. Inicialización del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1.1. Creación de la Población Inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 142 142 142 143 144 144 149 154 154 155 156 156 156 156 157 157 159 159 159 159. 4. Resultados 4.1. Resultados obtenidos con los programas de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Resultados obtenidos con CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.1. Aclaración de las diferencias entre simulaciones subcríticas y supercríticas 4.1.1.2. Análisis paramétrico de las variables de diseño . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.3. Efecto de la variación conjunta de la presión de línea y el Pinch Point . . 4.1.2. Resultados obtenidos con CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.1. Análisis paramétrico del efecto de la presión de extracción . . . . . . . . 4.1.2.2. Efecto de la variación conjunta de la presión de línea y la presión de extracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3. Resultados obtenidos para los programas 2P sin recalentamiento . . . . . . . . . . 4.1.4. Resultados obtenidos para los programas 2P con recalentamiento . . . . . . . . . . 4.2. Resultados de los Algoritmos Genéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 163 163 163 163 164 169 172 172. ETSI Industriales. -. iii-. 174 177 181 184. Universidad Politécnica de Madrid.

(6) ÍNDICE GENERAL. 4.2.0.1. Resultados obtenidos con AG_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 4.2.0.2. Resultados obtenidos con AG_1P_SinDesg_AP . . . . . . . . . . . . . . 184 5. Gestión del Proyecto 187 5.1. Presupuesto Económico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 5.2. Planificación Temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6. Conclusiones y Líneas Futuras. 192. Bibliografía. 194. ETSI Industriales. -. iv-. Universidad Politécnica de Madrid.

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(8) Índice de figuras 1.1. Ciclo Combinado de un nivel de presión con desgasificador . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Ciclo de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Combinación de dos ciclos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Ciclo Brayton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Comparación de TG para distintas ρCC o Tsal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Evolución de la temperatura de entrada a las TG([Wadley Research Group, 2013]) 1.7. Evolución del incremento de Tentrada turbina y distintas técnicas utilizadas para ello 1.8. Contenido de humedad en el aire en función de la temperatura del punto de rocío . 1.9. TG de Combustión Secuencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.10. Ciclo de de Vapor Simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11. Ciclo Regenerativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.12. Ciclo con Recalentamiento Intermedio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.13. Comparación TV sub y super críticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.14. Ciclo con Regeneración, Recalentamiento Intermedio y dos niveles de presión . . . 1.15. Configuración básica de una CRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16. Diagrama T − Q de una CRC de 1P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.17. Ciclo de dos niveles de presión en paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.18. Comparación CRC Ciclo sub y super crítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.19. Diagrama T − Q de una CRC de 2P y Ciclo con Recalentamiento . . . . . . . . . . 1.20. Ejemplo de espacio de búsqueda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.21. Ejemplo de flujograma de un AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.22. Representación Selección tipo Ruleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.23. Ejemplo Muestreo Universal Estocástico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.24. Logo de Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.25. Diagrama de Mollier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2 3 4 5 7 7 8 8 9 10 11 12 12 13 14 14 16 16 16 18 20 24 26 31 33. 2.1. Diagrama T s de la TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Detalle de los puntos 1 y 1p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Diagrama hs: Ejemplo de Simulación CicloGas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Diagrama T s: Ejemplo de Simulación CicloGas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Configuración del Ciclo de Vapor y la CRC para Un Nivel de Presión Simple Subcrítico 2.6. Diagrama T s del Ciclo de Vapor 1P Sin Desgasificador Subcrítico . . . . . . . . . . . . . 2.7. Diagrama T q de la CRC de un Ciclo de Vapor 1P Sin Desgasificador . . . . . . . . . . . 2.8. Detalle del proceso de compresión entre 7 y 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9. Diagrama T s del Ciclo de Vapor 1P Sin Desgasificador Supercrítico . . . . . . . . . . . 2.10. Diagrama T q de la CRC de un Ciclo de Vapor 1P Sin Desgasificador Supercrítico . . . . 2.11. Detalle de Ciclo Imposible, con t5 > t1g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12. Detalle de Ciclo Supercrítico Imposible, con tagua > tgases comb . . . . . . . . . . . . . . 2.13. Diagrama h s: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_SinDesg en un Ciclo Subcrítico . . 2.14. Diagrama T s: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_SinDesg en un Ciclo Subcrítico . . 2.15. Diagrama T q: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_SinDesg en un Ciclo Subcrítico . . 2.16. Diagrama h s: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_SinDesg en un Ciclo Supercrítico . 2.17. Diagrama T s: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_SinDesg en un Ciclo Supercrítico . 2.18. Diagrama T q: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_SinDesg en un Ciclo Supercrítico . 2.19. Configuración del Ciclo de Vapor y la CRC 1P Subcrítico con Desgasificador . . . . . . 2.20. Diagrama T s del Ciclo de Vapor Subcrítico 1P Con Desgasificador . . . . . . . . . . . . 2.21. Detalle del proceso de compresión entre 7 y 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.22. Diagrama h s: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_ConDesg en un ciclo Subcrítico . . 2.23. Diagrama T s: Ejemplo de simulación CicloVap_1P_ConDesg en un ciclo subcrítico . . 2.24. Diagrama T q: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_SinDesg en un ciclo supercrítico .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36 37 46 46 48 48 49 49 51 51 53 62 66 66 67 69 69 69 70 71 72 76 76 77. ETSI Industriales. -. vi-. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Universidad Politécnica de Madrid.

(9) ÍNDICE DE FIGURAS. 2.25. Diagrama h s: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_ConDesg en un ciclo supercrítico . . 78 2.26. Diagrama T s: Ejemplo de simulación CicloVap_1P_ConDesg en un ciclo supercrítico . . 78 2.27. Diagrama T q: Ejemplo de Simulación CicloVap_1P_SinDesg en un ciclo supercrítico . . 78 2.28. Configuración del Ciclo de Vapor y la CRC para dos niveles de presión en paralelo, con presiones subcríticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.29. Diagrama T s del Ciclo de Vapor 2P Subcrítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.30. Diagrama T q de la CRC de un Ciclo de Vapor 2P Subcrítico . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.31. Diagrama T s del Ciclo de Vapor 2P Supercrítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.32. Diagrama T q de la CRC de un Ciclo de Vapor 2P Supercrítico . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.33. Diferentes resultados según el criterio utilizado para asignar T2g en un ciclo 2P paralelo supercrítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.34. Diagrama h s: Ejemplo 1 de Simulación CicloVap_2P_Desg_Paralelo en ciclos subcríticos; Variación de las presiones de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 2.35. Diagrama T s: Ejemplo 1 de Simulación CicloVap_2P_Desg_Paralelo en ciclos subcríticos; Variación de las presiones de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 2.36. Diagrama T q: Ejemplo 1 de Simulación CicloVap_2P_Desg_Paralelo en ciclos subcríticos; Variación de las presiones de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 2.37. Diagrama T q: Ejemplo 2 de Simulación CicloVap_2P_Desg_Paralelo en ciclos subcríticos; Variación de los PP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 2.38. Detalle del Ejemplo 2 de Simulación CicloVap_2P_Desg_Paralelo en ciclos subcríticos . 97 2.39. Diagrama T q: Ejemplo 3 de Simulación CicloVap_2P_Desg_Paralelo en ciclos subcríticos; Variación de la fracción de caudal másico de alta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 2.40. Diagrama T q: Ejemplo 4 de Simulación CicloVap_2P_Desg_Paralelo; ciclos supercríticos 99 2.41. Distintos casos de ciclo 2P subcríticos en cascada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 2.42. Distintos casos de ciclo 2P supercríticos en cascada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 2.43. Diagrama T q: Ejemplo de Simulación CicloVap_2P_Desg_Cascada; ciclos subcríticos y supercríticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2.44. Diagrama T s: Ejemplo de Simulación CicloVap_2P_Desg_Cascada; ciclos subcríticos y supercríticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2.45. Configuración del Ciclo de Vapor y la CRC para dos niveles de presión en paralelo, con recalentamiento y presiones subcríticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 2.46. Diagrama T q del Ciclo de Vapor 2P Subcrítico con Recalentamiento . . . . . . . . . . . . 113 2.47. Diagrama T q del Ciclo de Vapor 2P Subcrítico con Recalentamiento . . . . . . . . . . . . 113 2.48. Diagrama T q del Ciclo de Vapor 2P Supercrítico con Recalentamiento . . . . . . . . . . . 114 2.49. Diagrama T q del Ciclo de Vapor 2P Supercrítico con Recalentamiento . . . . . . . . . . . 114 2.50. Diagrama T q: Ejemplo de Simulación CicloVap_2P_Desg_Rec_Paralelo; ciclos subcríticos y supercríticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 2.51. Diagrama T s: Ejemplo de Simulación CicloVap_2P_Desg_Rec_Paralelo; ciclos subcríticos y supercríticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 2.52. Distintos casos de ciclo 2P con recalentamiento en cascada (1) . . . . . . . . . . . . . . . . 127 2.53. Distintos casos de ciclo 2P con recalentamiento en cascada (2) . . . . . . . . . . . . . . . . 128 2.54. Diagrama T q: Ejemplo de Simulación CicloVap_2P_Desg_Rec_Cascada; ciclos subcríticos y supercríticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 2.55. Diagrama T s: Ejemplo de Simulación CicloVap_2P_Desg_Rec_Cascada; ciclos subcríticos y supercríticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 2.56. Comparación entre compresión isentrópica y politrópica equivalentes de aire . . . . . . . . 138 2.57. Comparación entre expansión isentrópica y politrópica equivalentes de gases de combustión 139 2.58. Comparación entre expansión isentrópica y politrópica equivalentes de vapor sobrecalentado140 4.1. Variación del rendimiento de un ciclo combinado 1P sin desgasificador en función de la presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 4.2. Comparación de la evolución de temperaturas dentro de la CRC para distintas presiones . 164 4.3. Resultados de la variación del Approach Point en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . 166 4.4. Resultados de la variación del Pinch Point en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . 167 4.5. Resultados de la variación de la diferencia inicial de temperauras en CicloVap_1P_SinDesg167 4.6. Resultados de la variación del Pinch Point en CicloVap_1P_SinDesg para ciclos supercríticos168. ETSI Industriales. -. vii-. Universidad Politécnica de Madrid.

(10) ÍNDICE DE FIGURAS. 4.7. Efecto de la variación conjunta de p y PP sobre la temperatura del vapor sobrecalentado en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 4.8. Efecto de la variación conjunta de p y PP sobre el título de vapor a la salida de la turbina en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 4.9. Efecto de la variación conjunta de p y PP sobre la la relación de caudales másicos en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 4.10. Efecto de la variación conjunta de p y PP sobre el porcentaje de calor absorbido por el economizador en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 4.11. Efecto de la variación conjunta de p y PP sobre el porcentaje de calor absorbido por el evaporador en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.12. Efecto de la variación conjunta de p y PP sobre el porcentaje de calor absorbido por el sobrecalentador en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.13. Efecto de la variación conjunta de p y PP sobre el rendimiento del ciclo de combinado en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.14. Efecto de la variación conjunta de la DI y el PP sobre el rendimiento del ciclo de combinado en CicloVap_1P_SinDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 4.15. Efecto de la variación de la presión de extracción sobre la T5 en CicloVap_1P_ConDesg . 172 4.16. Efecto de la variación de la presión de extracción sobre x6 en CicloVap_1P_ConDesg . . 173 4.17. Efecto de la variación de la presión de extracción sobre M en CicloVap_1P_ConDesg . . 173 4.18. Efecto de la variación de la presión de extracción sobre qcaldera en CicloVap_1P_ConDesg 173 4.19. Efecto de la variación de la presión de extracción sobre ηCC en CicloVap_1P_ConDesg . 173 4.20. Efecto de la variación de la presión de extracción sobre el calor total absorbido por el agua en la CRC, en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 4.21. Efecto de la variación conjunta de p y p_ext sobre la temperatura del vapor sobrecalentado en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 4.22. Efecto de la variación conjunta de p y p_ext sobre el título de vapor a la salida de la turbina en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 4.23. Efecto de la variación conjunta de p y p_ext sobre la fracción másica del caudal de extracción en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 4.24. Efecto de la variación conjunta de p y p_ext sobre la la relación de caudales másicos en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.25. Efecto de la variación conjunta de p y p_ext sobre el porcentaje de calor absorbido por el economizador en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.26. Efecto de la variación conjunta de p y p_ext sobre el porcentaje de calor absorbido por el evaporador en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.29. Efecto de la variación conjunta de p y p_ext sobre el rendimiento del ciclo de combinado en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.27. Efecto de la variación conjunta de p y p_ext sobre el porcentaje de calor absorbido por el sobrecalentador en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 4.28. Efecto de la variación conjunta de p y p_ext sobre el calor total absorbido en la CRC en CicloVap_1P_ConDesg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 4.30. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre las temperaturas de salida de vapor sobrecalentado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 4.31. Representación en 3D de la variación de T5b con las presiones de la línea . . . . . . . . . 178 4.32. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre el título de vapor a la salida de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.33. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre M . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.34. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre qcaldera . . . . . . . . . . . . . . 180 4.35. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre xext . . . . . . . . . . . . . . . . 180 4.36. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre ηCC . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.37. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre T5a en un ciclo 2P con recalentamiento181 4.38. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre T5b en un ciclo 2P con recalentamiento181 4.39. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre x6 en un ciclo 2P con recalentamiento182 4.40. Representación en 3D del efecto de la modificación de las presiones de línea sobre x6 en un ciclo 2P con recalentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4.41. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre M en un ciclo 2P con recalentamiento182. ETSI Industriales. -. viii-. Universidad Politécnica de Madrid.

(11) ÍNDICE DE FIGURAS. 4.42. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre qcaldera en un ciclo 2P con recalentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.43. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre xext en un ciclo 2P con recalentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.44. Efecto de la modificación de las presiones de línea sobre el rendimiento de un ciclo combinado 2P con recalentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.45. Comparación de los resultados obtenidos en AG_1P_SinDesg_sub para distinto número de individuos en cada población . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.46. Evolución de los fitness máximo y medio de cada población durante las iteraciones . . . .. ETSI Industriales. -. ix-. 183 183 183 184 185. Universidad Politécnica de Madrid.

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(13) Índice de cuadros 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7.. Distintas representaciones del mismo individuo en un Ejemplo de Cruce Monopunto . . . . . . . . . . . . . Ejemplo de Cruce Bipunto . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo de Cruce Uniforme . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo de Cruce Barajado . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo de Mutación por Intercambio . . . . . . . . Ejemplo de Mutación por Inversión . . . . . . . . . .. AG . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. 22 27 27 27 28 28 29. 2.1. Resultados de la Simulación de dos Ciclos de Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2. Resultados de la Simulación de tres Ciclos Subcríticos de Vapor con CicloVap_1P_SinDesg 66 2.3. Resultados de la Simulación de tres Ciclos Supercríticos de Vapor con CicloVap_1P_SinDesg 70 2.4. Resultados de la Simulación de dos ciclos subcríticos de vapor con CicloVap_1P_ConDesg 77 2.5. Resultados de la Simulación de dos ciclos superíticos de vapor con CicloVap_1P_ConDesg 79 2.6. Resultados de la Simulación 1 de tres Ciclos Subcríticos de Vapor con CicloVap_2P_Desg_Paralelo 96 2.7. Resultados de la Simulación de cuatro Ciclos Supercríticos de Vapor con CicloVap_2P_Desg_Paralelo 99 2.8. Resultados de la Simulación de Ciclos de Vapor con CicloVap_2P_Desg_Cascada . . . . 111 2.9. Resultados de la Simulación de Ciclos de Vapor con CicloVap_2P_Desg_Rec_Paralelo . 125 2.10. Resultados de la Simulación de Ciclos de Vapor con CicloVap_2P_Desg_Rec_Cascada . 135 2.11. Rendimientos isentrópico y politrópico de compresión y expansión . . . . . . . . . . . . . 136 3.1. Cromosoma del programa AG_1P_Sin_Desg_AP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156. ETSI Industriales. -. xi-. Universidad Politécnica de Madrid.

(14) Nomenclatura Symbol. Meaning. CC TG TV CRC T FC FC cte GG.CC. ρCC Tsal MCI MCE AP PP AG LP HP 1P 2P TFG. Ciclo Combinado Turbina de Gas Turbina de Vapor Caldera de Recuperación de Calor Temperatura Foco Caliente Foco Frío Constante Gases de Combustión Relación de Compresión Temperatura de salida Motor de Combustión Interna Motor de Combustión Externa Approach Point Pinch Point Algoritmo Genético Low Pressure High Pressure Ciclo Combinado de un nivel de presión Ciclo Combinado de dos niveles de presión Trabajo de Fin de Grado. ETSI Industriales. -. xii-. Universidad Politécnica de Madrid.

(15) Agradecimientos A mi familia, y en particular a mi padre, por su incansable paciencia, ayuda y apoyo. A Rubén, por haberme brindado la oportunidad de realizar este TFG y haber despertado en mí el interés por los ciclos combinados y los procesos de optimización. A Carlota, por estar siempre disponible para recibir una charla sobre las dificultades atravesadas durante el desarrollo del TFG y ser capaz de convertirlas en nimiedades.. ETSI Industriales. -. xiii-. Universidad Politécnica de Madrid.

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(17) Resumen Ejecutivo Dada la actual situación energética global, se hace cada vez más necesaria la búsqueda de alternativas fiables y respetuosas con e medio ambiente para satisfacer a partes iguales la demanda de energía y la opinión social, cada vez más preocupada y enterada de la realidad medioambiental del presente y sus posibles consecuencias futuras. Dentro de este marco, y a pesar de usar combustibles fósiles, la generación de energía mediante plantas de ciclo combinado se postula como una de las grandes alternativas para dentro de los métodos existentes de generación de energía eléctrica mediante el uso de combustibles fósiles gracias a que ofrece ventajas como un reducido coste de instalación con respecto a otras plantaas [García and Muñoz, 2006], o el uso de combustibles de alta calidad, que pueden ser líquidos o gaseosos y que reducen drásticamente el nivel de emisiones contaminantes con respecto a otros métodos como las plantas de generación de electricidad que hacen uso del carbón. Los ciclos combinados se diseñaron como alternativa a otros medios de generación de energía buscando una opciónvon un rendimiento superior. Esto se consigue debido a que se basan en el máximo aprovechamiento de la energía disponible, intentando evitar desperdiciarla. Esto se consigue mediante la combinación de un ciclo de gas y uno de vapor, el cual aprovecha los gases aún calientes, que de otra forma serían expulsados al ambiente, para generar vapor que producirá energía al expansionarse en una turbina. En el presente trabajo está encaminado a la obtención de una serie de programas que permitan simular distintos tipos de ciclos combinados y que permitan realizar una optimización de los mismos. Al comienzo del trabajo se lleva a cabo un estudio de los mismo, realizando en primer lugar una extensa introducción sobre el fundamento termodinámico sobre el que se basan estos ciclos, sus parámetros de diseño y las distintas configuraciones existentes para las plantas de ciclo combinado. En esa introducción se sienta la base teórica del método utilizado para llevar a cabo la optimización de los ciclos; los Algoritmos Genéticos. Tras la introducción se analizan detalladamente los programas de simulación llevados a cabo, con una inclusión al final de cada programa de ejemplos de simulación con los resultados arrojados y las gráficas generadas. Estos programas se dividen en los dedicados a simular la turbina de gas y los dedicados a realizar lo propio con el ciclo de vapor, siendo ambas partes imprescindibles para definir el ciclo. Después, se lleva a cabo un proceso similar con el fin de explicar los subprocesos llevados a cabo durante la optimización. Finalmente, se realiza un estudio de los resultados obtenidos por los distintos programas.. Palabras Clave: ciclo combinado, ciclos termodinámicos, ciclos combinados, turbina de gas, turbina de vapor, optimización.. ETSI Industriales. -. xv-. Universidad Politécnica de Madrid.

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(19) Capítulo 1. Introducción Este Capítulo se dedica a explicar los principios tecnológicos y teóricos utilizados para la realización de este Trabajo de Fin de Grado, así como las distintas herramientas utilizadas durante el desarrollo del mismo, los objetivos buscados y la estructura del trabajo.. 1.1.. Introducción a los Ciclos Combinados como medio para la producción de Energía Eléctrica en Plantas de Potencia. El aumento durante el final del siglo XX de la preocupación por el cambio climático y el medio ambiente, así como la creciente liberalización de los mercados eléctricos, han producido un profundo cambio de las condiciones y fundamentos en los que se basaba la generación de energía eléctrica en los países llamados desarrollados. La liberalización del mercado eléctrico ha permitido volver a sistemas con menores costes de inversi’on como un factor determinante para el diseño de plantas de potencia, a fin de desarrollar plantas lo más competitivas posible. Por otra parte, la preocupación por el medio ambiente y el concepto de desarrollo sostenible han sido plasmados en iniciativas internacionales de importancia global como la Cumbre de Río de Janeiro de 1992, el Protocolo de Kyoto en 1997, y la Cumbre de París durante el presente curso, por nombrar algunos de los eventos más importantes. Esto ha tenido como consecuencia el auge de las hasta entonces desdeñadas energías renovables en gran parte de los países desarrollados, así como la definitiva consolidación de alternativas de produción de energía con residuos fósiles en las que se busca una elevada eficiencia energética y una disminución de las emisiones de gases contaminantes. Entre las formas de generación de electricidad renovables destacan la energía fotovoltaica, energía eólica, energ’ia hidráulica y energía mareomotriz, entre otras. Por otra parte, los ciclos combinados se han asentado como la configuración por excelencia dentro de las plantas que utilizan residuos fósiles pero que buscan aumentar su eeficiencia y sostenibilidad medioambiental. Se pueden considerar como de especial importancia tres tipos principales de generación de energía eléctrica, según la fuente primaria utilizada: hidráulica, nuclear y combustibles fósiles. El agotamiento de los recursos hidráulicos disponible en Europa y EE.UU. y la oposición social generalizada a la construcción de nuevos embalses o a la derivación de ríos pronostican un escaso incremento de la cantidad de electricidad producida con esta fuente de enrgía, a pesar de sus evidentes ventajas como el coste de generación, y la menor cantidad de emisiones contaminantes. La energía nuclear, a pesar de las ventajas que presentan frente a los combustibles fósiles, como sus menores costes variables y casi nula emisión de gases contaminantes, no cuenta con el apoyo social necesario para convertirse en una clara alternativa, debido principalmente a los residuos radiactivos y a los accidentes de Three Mile Island (EE.UU., 1979), Chernobyl (Ucrania, 1986) y Fukushima (Japón, 2011). Por tanto, a no ser que se impulse la búsqueda de una solución definitiva a los problemas que conllevan los residuos radiactivos producidos durante la producción de energía mediante este método, ya sea esta solución una de eliminación, transformación o almacenamiento seguro de estos residuos, es poco probable que llegue a sustituir a las plantas de generación por residuos ocmbustibles. De hecho, solo en pocos países, como China, está teniendo lugar el crecimiento de este tipo de energía. Por tanto, al menos en el futuro medianamente lejano, se prevé que los combustibles fósiles sigan siendo la principal fuente de energía utilizada para la obtención de electricidad, con un probable descenso del uso del carbón en favor del gas natural, con menos emisiones de CO2 y otros gases con compuestos derivados del azufre. Además de estos motivos medioambientales, el gas natural presenta otras ventajas económicas sobre el carb’on, como son: menores costes de inversión; mayor eficiencia energética; mayor flexibilidad de operación; mejor aceptación social a la hora de escoger un emplazamiento para la planta. Las centrales de ciclo combinado, al usar generalmente gas natural u otro combustible gaseoso o líquido ETSI Industriales. - 1-. Universidad Politécnica de Madrid.

(20) INTRODUCCIÓN. de calidad, gozan de estas ventajas, lo que las convierte en una opción viable para la generación masiva de energía eléctrica, además de ser posible su instalación cerca de centros de consumo. En términos de eficiencia y costes, las centrales de ciclo combinado de gas natural alcanzaban en 2006 un rendimiento bruto cercano al 59 % a plena carga y un coste de 500e/kW , mientras que las plantas de carbón, incluso con las últimas mejoras tecnológicas como calderas supercríticas y sistemas de depuración de gases de combustión, solo alcanzan un rendimiento bruto cercano al 45 %, con un coste de inversión de unos 1000e/kW (también en 2006). Esto no implica la desaparición de las plantas de carbón, el cual se prevé que mantenga un papel importante dada la seguridad de abastecimiento que proporciona. De hecho, su importancia aumentará si se desarrollan nuevas tecnologías económicamente viables de captura, confinamiento y valoración del CO2 [García and Muñoz, 2006].. 1.2.. Ciclos Combinados de Turbinas de Gas y Vapor: Principios Termodinámicos. En esta sección se va a dar una visión general de los principios termodinámicos y de funcionamiento de los Ciclos Combinados, así como de sus elementos constitutivos elementales.. Figura 1.1: Ciclo Combinado de un nivel de presión con desgasificador (Elaboración propia) Como su propio nombre indica, un Ciclo Combinado (CC) es, en su visión más generalizada, la combinación de dos ciclos termodinámicos con el objetivo final de obtener de energía eléctrica. Esta combinación de ciclos tiene por fin aumentar el rendimiento que conseguiría cada ciclo individualmente. Más concretamente, el presente Trabajo se basa en la definición más comúnmente utilizada de CC, que se refiere a un ciclo en el que se implementan conjuntamente una Turbina de Gas (TG) y una Turbina de Vapor (TV), conectadas a través de una Caldera de Recuperación de Calor (CRC). De esta forma, se consigue un aumento del rendimiento global del proceso de obtención de energía al aprovechar el calor sobrante de los gases de combustión provenientes de la TG en el ciclo de la TV, que de otra manera sería desaprovechado ETSI Industriales. - 2-. Universidad Politécnica de Madrid.

(21) Ciclos Combinados de Turbinas de Gas y Vapor: Principios Termodinámicos. en el ambiente. En la figura (1.1) puede apreciarse el esquema de una de las configuraciones más típicas de un Ciclo Combinado, comprendiendo: una turbina de gas que consta de un compresor, una cámara de combustión y la propia TG; una turbina de vapor que incluye las bombas necesarias para mantener el flujo de agua líquida, un condensador a la salida de la turbina, un desgasificador, un calderín y la TV. Ambos ciclos se combinan mediante la CRC, como puede apreciarse en la imagen. Más adelante se realizará una explicación de los elementos de cada ciclo con más detenimiento. A continuación se procede a explicar más detalladamente los fundamentos termodinámicos de los ciclos en los cuales se basa el CC:. 1.2.1.. Ciclo de Carnot. Figura 1.2: Ciclo de Carnot (Elaboración propia) Dado que del Segundo Principio de la Termodinámica se desprende que no puede alcanzarse un rendimiento del 100 % en una máquina térmica, es conveniente tener una idea cuantitativa del rendimiento máximo que podría obtenerse, así como de las variables de las que éste depende. Dentro de este marco, Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832) planteó su conocido Ciclo de Carnot, que consta de las siguientes etapas: (i) Etapa de compresión adiabática y reversible. (ii) Etapa de aportación de calor a temperatura (T) constante en el foco caliente (FC ). Que sea un foco implica que su temperatura es constante y su capacidad infinita. (iii) Etapa de expansión adiabática y reversible. (iv) Etapa de cesión de calor a T=cte al foco frío (FF ), con las mismas características que la donación de calor de la etapa (ii). Uno de los principales corolarios que se desprenden de este ciclo ideal es el siguiente teorema: "No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas", siendo una Máquina de Carnot aquella que trabaja según el Ciclo de Carnot. A partir de la definición de entropía podemos calcular el calor aportado en el foco y el cedido al foco: . ETSI Industriales. QC = TC · ∆S3−2 QF = TF · ∆S4−1 - 3-. Universidad Politécnica de Madrid.

(22) INTRODUCCIÓN. Por otra parte, el trabajo producido por la máquina es la diferencia entre ambos calores, lo que equivale al área encerrada en el ciclo de la figura (1.2); WCarnot = QC − QF Teniendo esto en cuenta: ηCarnot =. WCarnot QC − QF QF TF · ∆S4−1 TF = =1− =1− =1− QC QC QC TC · ∆S3−2 TC. (1.1). Por tanto, a pesar de que nunca se llegará a alcanzar el rendimiento predicho por la ecuación (1.1), queda evidenciado que el rendimiento de una máquina será tanto mayor cuanto más grande sea la diferencia entre las temperaturas de los focos (que equivaldrán en un proceso real a las temperaturas máxima y mínima del emisor y del receptor de calor, respectivamente). Algunos de los principales motivos por los que no es posible alcanzar este rendimiento son las pérdidas de calor y las debidas a la diferencia de T al intercambiar calor.. 1.2.2.. Rendimiento de un Ciclo Combinado. En un Ciclo Combinado de gas y vapor se busca obtener una planta de generación de energía con un rendimiento superior al que tendrían independientemente una central térmica convencional de gas y otra de vapor, integrando éstas en un mismo proceso. Por un lado las turbinas de gas actuales rara vez llegan a obtener un rendimiento superior al 35 %, con un rendimiento máximo de Carnot del 45 % (por ejemplo, alcanzando unas temperaturas de unos 1260◦ C, y expulsando el gas expansionado a 500-600◦ C se llega a un ηC = 43 %). En el caso del ciclo de vapor, no es común que sobrepasen el 40 % de rendimiento, para un valor máximo de ηC ≈ 0,55 %. Por tanto, ninguno de los ciclos individuales alcanzarán el 40 %, mientras que si los complementamos entre ellos, se pueden alcanzar unos valores máximos de más del 55 %, ampliamente superiores. No obstante, estos rendimientos son inferiores a los que se obtendrían si existiese un ciclo único que trabajara entre las mismas temperaturas medias máxima y mínima, dado que se eliminarían las pérdidas debidas al acoplamiento de ambos procesos.. Figura 1.3: Combinación de dos ciclos de potencia (Elaboración propia) El rendimiento del ciclo global, suponiendo que no haya pérdidas de calor al realizar los gases de combustión la cesión de energía al agua, puede calcularse apoyándose en la figura (1.3). Siendo: QC el calor tomado del foco caliente; QI el calor sobrante del ciclo del gas; QF el calor cedido al foco frío; Wg la potencia útil generada por la TG y Wv la de la TV; y ηg y ηv los rendimientos del ciclo de gas y de vapor respectivamente, tenemos que: Wg = ηg · QC ; (1.2) Wv = ηv · QI = ηv · (1 − ηg ) · QC ; ETSI Industriales. - 4-. (1.3) Universidad Politécnica de Madrid.

(23) Ciclos Combinados de Turbinas de Gas y Vapor: Principios Termodinámicos. Sumando las ecuaciones (1.2) y (1.3), y teniendo en cuenta que ηCC = expresión el rendimiento del ciclo global; ηCC = ηg + ηv − ηg · ηv. Wg +Wv , QC. llegamos a la siguiente. (1.4). Para ejemplificar la mejora que supone el uso de este tipo de ciclos, se particulariza con los valores ηg = 0,35 y ηv = 0,4 en la ecuación (1.4), que resulta: ηCC = 0,4 + 0,35 − 0,4 · 0,35 = 0,61. Estos niveles de eficiencia no se alcanzan en la realidad debido principalmente a los siguientes motivos [Rapún, 1999]: • El cambiador de calor (la Caldera de Recuperación de Calor) no puede hacerse de área infinita por motivos económicos. Por tanto, hay que buscar una solución de compromiso entre el precio del cambiador y las temperaturas que se alcanzarán en el mismo. • Debido a esto, la transferencia de calor va a realizarse con diferencias de temperatura entre los gases de combustión y el agua, lo que provocará pérdidas exergéticas. • Debido al cambio de estado a temperatura constante que sufre el agua no se alcanzará la temperatura que se desearía , dado que durante la evaporización el calor cedido al agua no se traducirá en un aumento de su temperatura. • La temperatura de los gases de combustión no podrá bajar bajo ninguna circunstancia de cierto valor límite para prevenir problemas de corrosión. De entre estos motivos, uno de los que más reducen el rendimiento es el de la diferencia de temperaturas al realizar la cesión de calor. Las pérdidas exergéticas generadas debido a esta situación se pueden expresar según la siguiente expresión: ZB 1 1 − ·dQ̇ (1.5) IQ = To · TV TG A. En las siguientes secciones se analizan en detalle los ciclos individuales y el cambiador de calor, además de las mejoras más usadas para incrementar sus respectivos rendimientos, que van encaminadas a aumentar las temperaturas máximas y reducir las mínimas en los ciclos, ademas de intentar conseguir minimizar las diferencias de temperatura en la CRC.. 1.2.3.. Ciclo del Gas. El ciclo más simple que puede seguir el gas a lo largo de la TG es conocido como ciclo Brayton, y se escenifica en las siguientes figuras:. (a) Esquema del Ciclo (Elaboración propia). (b) Diagrama del Ciclo, con una relación de compresión=16 y 1750 K de temperatura de los gases de combustión a la entrada de la TG (Elaboración propia). Figura 1.4: Ciclo Brayton En esta figura se ha reflejado el montaje en eje simple, que es el más elemental de los actualmente existentes. Como puede observarse, el ciclo es de tipo abierto y consta de las siguientes etapas: ETSI Industriales. - 5-. Universidad Politécnica de Madrid.

(24) INTRODUCCIÓN. (1) Etapa de compresión, en la cual se eleva la presión del fluido de combustión después de filtrado. Tiene lugar en la máquina térmica conocida como compresor, la cual se define principalmente por su rendimiento 1 y por su relación de compresión, que es la relación entre las presiones de entrada · y de salida del fluido. En esta etapa se introduce generalmente un caudal aire (ma ) en condiciones ambientales. (2) Etapa de aportación de calor a presión constante. Esta aportación suele ser mediante la combustión · del fluido presurizado y de un combustible, líquido o gaseoso (mf ) que se introduce normalmente directamente en la cámara de combustión. Al ser un ciclo de combustión interna, el fluido motor (aquél encargado de transformar la energía térmica en mecánica, que en este caso no es otro que los gases de combustión) sufre un proceso químico irreversible que imposibilita la reutilización del mismo en el ciclo. Por el mismo motivo, es imprescindible que el combustible utilizado sea de calidad a fin de prolongar la vida útil de los componentes de la planta, en especial de la turbina de gas. Los combustibles usados pueden ser gaseosos (gas natural, propano o hidrógeno) o líquidos (gasóleos, gasolinas, GLP, etc.). Otras formas de introducir calor evitando la combustión sería aportando gas a altas temperatura y presión, obtenido de procesos externos como pueden ser la gasificación del carbón, o mediante lechos fluidos presurizados. (3) Etapa de expansión por parte de los gases resultantes de la combustión previa, en una turbina de gas, la cual transforma en energía mecánica la energía contenida en los gases de combustión (GG.CC.) en forma de presión y temperatura. Esta energía mecánica se utiliza para accionar el compresor y para generar energía eléctrica a través del alternador. (4) Etapa de cesión de calor. Al salir de la TG, los GG.CC. aún disponen de una temperatura elevada que puede ser aprovechada. En el caso de un CC, esta temperatura se utilizará para generar vapor en la caldera de recuperación de calor. 1.2.3.1.. Rendimiento de la Turbina de Gas. De forma análoga al Ciclo de Carnot y teniendo en cuenta que en este caso las temperaturas no se mantienen constantes durante los procesos de aportación y cesión de calor:  Z3     Q = T · dS = T C · ∆S3−2 C    2. Z4       QF = T · dS = T F · ∆S4−1  1. Siendo T C y T F las temperaturas medias de foco caliente y frío, respectivamente, que son aquellas a las cuales la aportación o cesión de calor es la misma que para el proceso real, para una misma variación de entropiá. De esta forma, llegamos a la primera expresión del rendimiento del ciclo de gas, análoga a la expresión de la ecuación (1.1): TF (1.6) ηC = 1 − TC Como ya se ha visto, el rendimiento será mayor cuanto mayor sea T C o menor sea T F , por lo que se intentará aumentar la temperatura media de foco caliente y minimizar la de foco frío. La T C será mayor cuanto mayor sean la relación de compresión ( ρCC )y la temperatura de salida de la cámara de combustión. Sin embargo, un aumento de la relación de compresión es contraproducente para el ciclo de vapor dado que la temperatura de salida de la turbina de gas de los GG.CC., disminuye, como puede apreciarse en la figura (1.5a), por lo que, a pesar de aumentar el rendimiento de la planta, disminuye la 1 Tanto los compresores como las turbinas pueden definirse por su rendimiento iséntrópico o politrópico, sobre los que se profundizará más adelante. ETSI Industriales. - 6-. Universidad Politécnica de Madrid.

(25) Ciclos Combinados de Turbinas de Gas y Vapor: Principios Termodinámicos. producción de vapor de agua al poder aportar menos calor, y disminuye la potencia que la central puede proporcionar.. (a) Variación de ρCC (Elaboración propia). (b) Variación de Tsal (Elaboración propia). Figura 1.5: Comparación de TG para distintas ρCC o Tsal (Elaboración propia) Por otra parte, aumentando la temperatura de salida de los gases de combustión de la cámara de combustión (Tsal ) se consigue aumentar tanto T C como la temperatura con la que los GG.CC. saldrán de la turbina para entrar en la CRC, por lo que es recomendable buscar este incremento. El límite máximo de temperatura alcanzable lo sitúan los materiales de ciertos componentes como la cámara de combustión o los álabes de la TG, dado que a partir de cierta temperatura su tiempo de vida pasa a ser demasiado corto y no compensa económicamente. En la figura 1.6 se pueden observar las distintas mejoras introducidas y sus efectos sobre la temperatura de admisión de gases en la TG. Puede apreciarse que la introducción de distintas técnicas como el film cooling, que consiste en realizar pequeños orificios realizados en los álabes para permitir una refrigeración por aire [Bogard, 2006] (fig. 1.7a) o la implementación en los álabes de Thermal Barrier Coatings, o TBC [Karaoglanli et al., 2013] (fig. 1.7b), que se basa en proteger los mismos con un revestimiento que actúa como una de barrera térmica aislante, han permitido aumentar en el pasado esta temperatura hasta los 1500 ◦ C. También es común utilizar álabes monocristales y/o solidificados direccionalmente en función de la dirección con que se enfrenten al flujo.. Figura 1.6: Evolución de la temperatura de entrada a las TG([Wadley Research Group, 2013]) En los últimos años se ha logrado acrecentar aún más esta temperatura mediante la introducción del closed-loop cooling o refrigeración por lazo cerrado, que aprovecha el vapor producido en la CRC para refrigerar los álabes [Mod].. ETSI Industriales. - 7-. Universidad Politécnica de Madrid.

(26) INTRODUCCIÓN. (a) Film Cooling ([Bogard, 2006]). (b) Thermal Barrier Cooling ([Karaoglanli et al., 2013]). Figura 1.7: Evolución del incremento de Tentrada turbina y distintas técnicas utilizadas para ello Actualmente se espera incrementar la mencionada temperatura en mayor medida mediante el uso de materiales compuestos de matriz cerámica, capaces de soportar altas temperaturas manteniendo un buen funcionamiento. Por otra parte y volviendo a la expresión (1.6), se recuerda que la otra forma de aumentar el rendimiento es bajando la temperatura media del proceso en el que se cede calor. Esto Está condicionado principalmente por las condiciones ambientales de presión y temperatura, que dictaminará tanto la presión mínima a la que se puede condensar el vapor en la TV (afectando al rendimiento de la misma) como la temperatura a la cual condensan los gases de combustión. Esta última, conocida como Trocío , es el límite legal por debajo del cual en ningún caso puede llegar a estar la temperatura de estos gases. Este límite tiene una motivación medioambiental y de mantenimiento de los componentes, ya que si condensa la humedad presente en los GGCC se fórmarán óxidos sulfurosos y ácido sulfúrico, contaminantes y dañinos para los materiales [Jecht, 2004]. Esta T también depende de la humedad relativa en el ambiente, como puede apreciarse en la siguiente figura:. Figura 1.8: Contenido de humedad en el aire en función de la temperatura del punto de rocío (1013 mbar) Fuente: [Jecht, 2004] El rendimiento de la TG puede ser expresado también atendiendo a su condición de motor de combustión interna (MCI); en función de la potencia obtenida y del concepto de trabajo máximo, que se refiere a la diferencia de exergía entre reactivos y productos, y que se aproxima utilizando el concepto de Poder. ETSI Industriales. - 8-. Universidad Politécnica de Madrid.

(27) Ciclos Combinados de Turbinas de Gas y Vapor: Principios Termodinámicos. Calorífico Inferior a presión constante (PCI): ·. ηT G = ·. ·. WT − WC ·. ·. =. ·. ·. (ma + mf )(h30 − h40 ) − ma (h20 − h10 ) ·. m f · HC. (1.7). mf · HC. ·. donde W T y W C son las potencias generada por la TG y requerida por el compresor respectivamente, · · ma y mf son los caudales másicos de aire y de combustible por unidad de tiempo, HC es el PCI del combustible, y las distintas hi0 son las entalpías de parada 2 del fluido en los puntos reflejados en la figura (1.4). Esta fórmula pone de relieve la importancia de la optimización del compresor con el fin de que consuma la mínima energía posible para alcanzar el nivel de presión deseado. El porcentaje de la energía consumida por el compresor de la total producida en la turbina asciende actualmente a valores alrededor del 40-60 %. La optimización del rendimiento interno de la turbina también desemboca en un aumento del rendimiento, dado que se consigue extraer un mayor nivel de potencia. Además del montaje en eje simple visto hasta ahora, hay otro tipo de configuraciones de la TG que permiten aumentar el rendimiento. Algunas de estas posibles configuraciones son: turbina de gas con precalentamiento del combustible, la cual ha sido estudiada en profundidad en [Duvison, 2016]; o las turbinas de gas de combustión secuencial, en las cuales se mantiene o incluso se mejora el rendimiento de la TG, y se incrementa el del Ciclo Combinado [García and Muñoz, 2006; Report, 1999]. Este tipo de TG se utilizan para compensar la bajada de Tsal que se produce si quieren aumentar el valor de ρCC .. (a) Esquema de una TG de Combustión Secuencial (Elaboración propia). (b) Diagrama de una TG de Combustión Secuencial (Elaboración propia). Figura 1.9: TG de Combustión Secuencial. 1.2.4.. Ciclo del Vapor. Existen gran cantidad de ciclos que puede seguir el agua a lo largo de una TV. Entre ellos, el más sencillo es conocido como ciclo Rankine, que es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot en el caso de que el fluido motor sea condensable. En la actualidad no se utiliza este ciclo, si no que el más básico empleado es el mostrado en la figura (1.10). Este ciclo se diferencia del de Rankine en que cuenta con un sobrecalentamiento, para obtener un mayor salto entálpico. En este ciclo básico, la evolución del fluido sigue las distintas etapas: (1) Etapa de aportación de calor a presión constante a través de la caldera de recuperación de calor, exceptuando las pérdidas de carga, que suelen estar en el orden de decenas de mbar. En la CRC, el fluido sufre un proceso de calentamiento hasta el punto de inicio del cambio de fase. Se completa 2 La entalpía de parada es un concepto que se utiliza cuando la velocidad del fluido estudiado no es despreciable, y se refiere a la energá de un fluido de entalpía h y velocidad v ;. h0 = h +. ETSI Industriales. - 9-. v2 2. Universidad Politécnica de Madrid.

(28) INTRODUCCIÓN. (b) Diagrama T s Ciclo de vapor simple (Elaboración propia). (a) Esquema ciclo de vapor simple (Elaboración propia). Figura 1.10: Ciclo de de Vapor Simple la evaporación y a continuación se sobrecalienta con el objetivo de aumentar el salto entálpico en la turbina. (2) Etapa de expansión del vapor sobrecalentado en la turbina de vapor, de la forma más isentrópica posible para aumentar la potencia específica obtenida. Es importante que el título de vapor del fluido a la salida de la turbina (punto 3 en la figura (1.10)) sea mayor de 0.85, a fin de prolongar la vida útil de los álabes de la turbina. 3 (3) Etapa de cesión de calor a presión y temperatura constantes en el condensador hasta alcanzar el punto de líquido saturado (punto 4 en la figura (1.10)). Esta presión está limitada, como se ha dicho anteriormente, por la temperatura ambiental (no por la presión ambiental). (4) Etapa de elevación de presión hasta alcanzar la deseada para el ciclo. Este proceso tiene lugar en una o varias bombas. 1.2.4.1.. Rendimiento de la Turbina de Vapor. De forma similar al procedimiento seguido para la TG, y recordando que la cesión de calor tiene lugar a presión constante, obtenemos la expresión del rendimiento de la TV en función de las temperaturas medias de los focos frío y caliente: TF ηC = 1 − (1.8) TC También puede calcularse el rendimiento en función de los saltos de entalpías del fluido en el ciclo, que teniendo en cuenta que se trata de una motor de combustión externa (MCE) queda: ·. ηT G =. ·. WT − WB ·. ·. =. ·. mv (h2 − h3 ) − mv (h1 − h4 ) ·. QC. (1.9). QC. En el caso de las TV, el fluido motor no alcanza temperaturas tan extremas como en las TG, por lo que no existe el problema de la compatibilidad entre la temperatura de entrada a la turbina y la fiabilidad de los materiales. Para conseguir aumentar el rendimiento del ciclo de vapor existen múltiples variaciones posibles sobre el ciclo Rankine de la figura (1.10). Entre estas variaciones, las más utilizadas son las siguientes; 3 De ser dicho título de vapor mayor de 0.85, los efectos de cavitación de las gotas de fluido condensado sobre los álabes provocará que estos se erosionen a un nivel por encima de lo recomendado por los fabricantes [Rapún, 1999].. ETSI Industriales. - 10-. Universidad Politécnica de Madrid.

(29) Ciclos Combinados de Turbinas de Gas y Vapor: Principios Termodinámicos. Ciclos regenerativos (fig. 1.11): Es una de las modificaciones más frecuentes.. La variación consiste en que se extrae parte del vapor de la turbina antes de que complete su expansión. Este vapor se lleva a un desgasificador al cual irá a parar el líquido condensado, precalentándolo antes de introducirlo a la CRC. Aunque la extracción aumenta el rendimiento de la TV, disminuye el rendimiento global del CC dado que existe una menor diferencia entre la temperatura del agua de aporte a la CRC y los gases de combustión, podiendo obtener por tanto un menor salto de entalpías4 . Por tanto, en ciclos combinados, la funcón de las extracciones no es tanto modificar el ciclo termodinámico como eliminar el oxígeno y otros gases disueltos en el agua [García and Muñoz, 2006].. (a) Esquema Ciclo (Elaboración propia). Regenerativo. (b) Diagrama T s Ciclo Regenerativo (Elaboración propia). Figura 1.11: Ciclo Regenerativo Ciclos con recalentamientos intermedios (fig. 1.12): El recalentamiento del vapor consiste en realizar una primera expansión de vapor en la turbina hasta cierta presión (mayor que la final a la que se va a condensar el fluido), tras la cual se extrae el vapor de la TV para volver a introducirlo en la CRC y calentarlo, pero esta vez a una presión menor. Tras este recalentamiento se reintroduce el vapor en la turbina y completa la expansión. La finalidad de este proceso es aumentar el título de vapor que tendrá el agua al final de la compresión, dado que, para una temperatura fija, cuanto menor sea la presión desde la que se expansiona mayor será el título de vapor. En el caso de las CC, se suele introducir un recalentamiento intermedio solo en el caso de que compense económicamente, dado que supone complicar la instalación y por tanto a incrementar el precio de la planta. 4 No sucede lo mismo con el rendimiento exergético del ciclo, que, como veremos más adelante, aumenta cuanto menor es la diferencia entre agua y GGCC en la caldera.. ETSI Industriales. - 11-. Universidad Politécnica de Madrid.