Efecto de los calentadores de agua en la eficiencia de los ciclos de potencia agua-vapor. Effect of feedwater heaters on steam power cycle efficiency

Resum

En el escenario energético mundial actual, una parte importante de la generación de energía eléctrica se produce en plantas en las que la conversión de energía térmica en energía mecánica tiene lugar como resultado de las transformaciones que el agua experimenta al describir un ciclo termodinámico. Uno de los pilares básicos para conseguir el desarrollo sostenible es la mejora de la eficiencia energética, no sólo en las tecnologías de uso final, sino también en los sistemas de transformación energética. Por tanto, es fundamental profundizar en el conocimiento y desarrollar estrategias que permitan mejorar la eficiencia de los ciclos de potencia agua – vapor regenerativos, tanto en su operación a plena carga como a cargas parciales, lo que constituye el objetivo principal de esta Tesis Doctoral. Se ha seleccionado un ciclo de referencia regenerativo subcrítico con una potencia bruta de 565 MW y un consumo específico neto del orden de 7800 kJ/kWh, con una configuración similar a la de los ciclos supercríticos y ultra-supercríticos. Para dicho ciclo, se desarrolló un modelo matemático para simular su funcionamiento a plena carga y en estado estacionario, que está basado en el análisis termodinámico (energético y exergético) y en el empleo del método -NTU para cada zona de cada calentador de agua de tipo cerrado. Para la resolución del sistema de ecuaciones planteado y el estudio paramétrico del ciclo, se empleó el programa comercial Engineering Equation Solver (EES). Además, se ha estudiado si la puesta fuera de servicio de uno o varios calentadores, tanto durante la operación del ciclo a plena carga como a cargas parciales (75%, 50% y 25%), podría emplearse como estrategia para mantener la carga de operación y reducir el consumo específico neto del ciclo (CENC). Los resultados obtenidos a plena carga se generalizaron para ciclos con menor número de extracciones. El estudio del ciclo a cargas parciales se llevó a cabo con el programa comercial THERMOFLEX. Se comprobó que el modelo matemático planteado es adecuado para simular el funcionamiento del ciclo a plena carga. Además, el empleo del método -NTU, a diferencia del uso de valores fijos de la diferencia terminal de temperaturas (TTD) y el grado de aproximación (DCA) para los calentadores, permite analizar el comportamiento de los mismos en condiciones distintas a las de diseño. Se ha visto que el aumento del NTU de una determinada zona de un calentador no siempre mejora el CENC y el rendimiento exergético de la planta, por lo que la capacidad de transferencia de calor de los mismos debe diseñarse de forma adecuada. También se ha concluido que, a plena carga, es posible retirar del servicio el calentador de tipo cerrado que opera a más alta presión sin que ello altere de forma significativa el funcionamiento del ciclo, lo que no sucede con otros calentadores. Además, en determinadas condiciones de funcionamiento, es posible retirar del servicio dicho calentador al objeto de mantener la plena carga y reducir el CENC. Análogamente, a cargas parciales y en ciertas condiciones de funcionamiento, es posible cerrar el calentador o los dos calentadores que operan a más alta presión para conseguir mantener la carga y reducir el CENC, con una repercusión mínima sobre el funcionamiento del ciclo. Por otra parte, se ha determinado en qué condiciones sería interesante aplicar dicha estrategia. El procedimiento utilizado puede emplearse en las plantas reales, para contribuir a llevar a cabo una gestión energética eficaz de las mismas. RESUMEN (en Inglés) Nowadays, in the world energetic scenario, an important fraction of electricity supply is still provided by electrical power plants. In these plants, thermal energy is converted into mechanical power as a result of water transformations when it executes a thermodynamic cycle. One of the mainstays for achieving sustainable development is the improvement of energy efficiency, not only of the end-use technologies but also of the energy conversion systems. Therefore, it is essential to deepen in the knowledge of steam power cycles and develop new strategies for improving their efficiency at both full and partial loads. This is the main objective of this Doctoral Thesis. A subcritical regenerative water-steam cycle with a gross power of 565 MW and a net heat rate around 7800 kJ/kWh was chosen as reference cycle. It has a similar configuration than that of supercritical and ultra-supercritical cycles. For the reference cycle, a mathematical model was developed in order to simulate its full load operation at steady state. This model is based on the thermodynamic analysis (energetic and exergetic ones) and on the effectiveness-number of transfer units (-NTU) method for each zone of each closed feedwater heater. The commercial software Engineering Equation Solver (EES) was selected to solve the system of equations and make the parametric study of the cycle. The suitability of removing from service one or more feedwater heaters as a strategy for maintaining full load or partial load (75%, 50% and 25%) operation and decreasing the net heat rate of steam power cycles was studied. The results at full load were generalized for cycles with a lower number of steam extractions. The study at partial loads was carried out with the commercial software THERMOFLEX. The proposed mathematical model was adequate for simulating the steam cycle performance at full load condition. Moreover, the usage of the -NTU method instead of terminal temperature difference (TTD) and drain cooler approach (DCA) as fixed parameters for the heaters, allow us to analyze their behavior in conditions different from the design ones. From the model, the fact that the net heat rate and the exergy efficiency are not always improved by increasing the NTU of a zone of a closed feedwater heater was observed. Thus, the heat transfer capacity of the heaters must be designed adequately. Al full load, the highest pressure feedwater heater can be removed from service without affecting substantially the performance of the cycle. This does not occur with other heaters. In addition, in certain operating conditions, the removal of this feedwater heater from service can be used for maintaining the full load operation and decreasing the net heat rate. Analogously, at partial loads and in certain operating conditions, only this heater or the two heaters at the highest pressures can be withdrawn in order to maintain the load and reduce the net heat rate, with a small impact on the cycle performance. On the other hand, those conditions for which this strategy would be interesting were studied. The procedure applied in this Doctoral Thesis may contribute to a successful energy management in the actual thermal power plants.