Capítulo 4 DEFINICIÓN DE LA PLANTA OBJETO DE ESTUDIO

Transcripción

1 Capítulo 4 DEFINICIÓN DE LA PLANTA OBJETO DE ESTUDIO Como ya se comentó en el Capítulo 1, la planta objeto de estudio, en adelante la planta, se trata de una planta termoeléctrica de receptor central en la que se pretende producir una potencia eléctrica de 20 MW (en el punto de diseño), mediante la expansión de vapor sobrecalentado en una turbina. La planta estará compuesta por dos campos solares independientes, el correspondiente al evaporador (receptor en el que se producirá vapor saturado), y el correspondiente al sobrecalentador (en el que se producirá vapor sobrecalentado a partir del vapor saturado obtenido en el evaporador). Ambos receptores se situarán a diferentes cotas en una misma torre. En el presente Capítulo se analizará en primer lugar el por qué de usar vapor sobrecalentado como fluido de trabajo. Posteriormente se indicará con más detalle como es el funcionamiento de la planta, y las diferentes opciones de trabajo que existen. Se definirán los parámetros básicos que definen la planta, y por último se realizará el balance energético de la misma. 4.1 Generación de Vapor Sobrecalentado en Receptores Solares Tradicionalmente en las plantas solares termoeléctricas de receptor central se ha usado el vapor saturado como fluido de trabajo, desarrollándose así una gran experiencia en la producción directa del mismo en los receptores solares. Esto ha sido así debido fundamentalmente a las dificultades encontradas en la generación directa de vapor sobrecalentado en el receptor. Estas dificultades están relacionadas con la variabilidad de la fuente solar de energía, que usualmente conduce al sobrecalentamiento de los paneles absorbedores del receptor a causa de falta de refrigeración, y a continuos cambios que producen en dichos absorbedores gradientes de temperatura excesivamente altos [6]. Pero el uso de vapor sobrecalentado proporciona beneficios económicos y tecnológicos en las plantas solares termoeléctricas, como son los siguientes: 44

2 En el ciclo termodinámico de Rankine pueden ser usadas turbinas más pequeñas, ligeras y baratas. Esto es por lo siguiente: El rendimiento termodinámico del ciclo aumenta cuando se eleva la temperatura del vapor de entrada a la turbina, manteniendo la presión de admisión y la presión de condensación constantes. Esto es así ya que la temperatura termodinámica media (TTM) del ciclo aumenta.. Esto se puede apreciar fácilmente a partir de los ciclos ideales de Rankine representados en la Figura 4.1, definiendo la TTM para cada como sigue: TTM - ciclo vapor saturado s5 Tds = s5 s2 s2 TTM - ciclo vapor sobrecalentado = s5 Tds s5 s 2 s2 Figura 4.1- Ciclo ideal de Rankine con vapor saturado y vapor sobrecalentado El aumento de temperatura a la entrada de la turbina conlleva un aumento del título de vapor en el escape de la misma y por tanto una disminución de la humedad, lo que mejora el rendimiento interno de la misma, ya que se producirán entre otras cosas, menos erosiones en los álabes y menos pérdidas de borde y por choque. Esto hace que los costes de operación y mantenimiento de la turbina sean menores. El almacenamiento energético es más efectivo y sencillo, pudiéndose emplear sistemas más económicos de almacenamiento. 45

3 Muchos de los receptores propuestos en el pasado combinaban en un receptor simple, la generación de vapor saturado y vapor sobrecalentado. Esto hacía que el control de entrada de energía al sistema debiera controlar de forma independiente la parte del receptor generadora del vapor saturado y la parte generadora del vapor sobrecalentado, teniendo en cuenta que ésta última sólo entrara en funcionamiento cuando el vapor saturado estuviera disponible. Esta forma de control fue llevada a cabo en diferentes ensayos (por ejemplo en la planta CESA-1 de la Plataforma Solar de Almería), pero no fue posible operar de forma independiente la parte del receptor generadora de vapor sobrecalentado, teniendo que irradiar la misma a la vez que la parte generadora de vapor saturado para poder producir éste último. De esta forma se producían constantes sobrecalentamientos, deformaciones, fatigas térmicas en los tubos y finalmente grietas [6]. La innovación propuesta para la planta objeto de estudio es aprovechar las ventajas del uso de vapor sobrecalentado, produciendo éste en un receptor independiente del generador de vapor saturado, eliminando de esta manera los problemas mencionados que se presentan al producir vapor saturado y sobrecalentado en el mismo receptor. 46

4 4.2 Funcionamiento de la Planta La planta se representa esquemáticamente en la Figura 4.2. En ella se puede apreciar que la planta está compuesta por dos campos solares (los formados por los campos de heliostatos: campo 1 y 2 y los receptores: evaporador y sobrecalentador) que comparten una misma torre. El evaporador se alimenta de agua saturada procedente del calderín de presión (denominado en al figura CA), produciendo, cuando las condiciones de radiación son adecuadas, vapor saturado, el cuál se va acumulando en el calderín. El vapor saturado se extrae del calderín y es conducido hacia el sobrecalentador, en el cuál se produce el vapor vivo a expandir en la turbina para producir en el generador (G) 20 MW de potencia eléctrica. El vapor expandido en la turbina es condensado y el líquido saturado resultante bombeado de nuevo al calderín. Figura 4.2- Esquema de funcionamiento de la planta objeto de estudio Posibles Opciones de Trabajo de la Planta En la Figura 4.2, la posición relativa del evaporador y el sobrecalentador en la torre, así como la estrategia de apunte de los campos de heliostatos 1 y 2 a uno u otro receptor es 47

5 una de las cuestiones a analizar, tomando como configuración definitiva de la planta aquella que sea técnicamente posible y que tenga asociado un menor LEC global. En la Tabla 4.1 se enumeran las cuatro posibles opciones que existen. Opción Posición en la Torre Campo de Heliostatos Cota Superior Cota Inferior Campo 1 Campo2 1 Evaporador Sobrecalentador Evaporador Sobrecalentador 2 Evaporador Sobrecalentador Sobrecalentador Evaporador 3 Sobrecalentador Evaporador Sobrecalentador Evaporador 4 Sobrecalentador Evaporador Evaporador Sobrecalentador Tabla 4.1- Diferentes opciones de trabajo de la planta En los próximos Capítulos se analizará cuál es la mejor opción de las cuatro anteriores, a partir de los resultados obtenidos con el código WinDelsol

6 4.3 Parámetros que Definen la Planta La planta se sitúa en Sevilla y se toma el mediodía solar del equinoccio de primavera (día Juliano 80) como punto de diseño para la optimización del sistema, tomando como valor aproximado de irradiancia para el punto diseño 900 W/m 2. La planta se diseña por tanto para que en ese día y esa hora solar produzca 20 MW eléctricos de potencia, sin considerar ningún tipo de almacenamiento energético ni apoyo con combustible fósil. El campo global de heliostatos será un campo Norte, siendo las dimensiones de cada heliostato de m en dirección horizontal y 9.51 m en dirección vertical, teniendo por tanto una superficie aproximada de 120 m 2. Los receptores, evaporador y sobrecalentador, se escogerán con configuración de cavidad. En lo que se refiere al fluido de trabajo, éste será agua/vapor. En el calderín el agua y el vapor se encontrarán en equilibrio a 100 bar de presión, de forma que el evaporador tomará el agua saturada del calderín, produciendo el vapor saturado, el cuál tras ser devuelto al calderín, es llevado hacia el sobrecalentador, donde se convertirá en vapor vivo a 500 ºC. Este vapor vivo obtenido en el sobrecalentador será expandido en la turbina del equipo convencional de producción de potencia, produciendo de esta forma la potencia eléctrica de diseño. En la Tabla 4.2 se resumen los parámetros fundamentales que definen la planta: Situación geográfica Punto de diseño Potencia eléctrica de diseño Configuración del campo Configuración del receptor Sevilla, Latitud=37.23º Norte, Longitud=5.59º Oeste, Altitud=20m Día Juliano=81, Hora solar=0 20 MW Campo Norte Evaporador y Sobrecalentador receptores de cavidad Fluido de trabajo Vapor saturado a 100 bar/vapor sobrecalentado a 100 bar y 500ºC Dimensiones de heliostatos Almacenamiento Heliostatos de 120 m 2 (12.87mx9.51m) Sin almacenamiento térmico Tabla 4.2- Parámetros de diseño de la planta 49

7 4.4 Balance Energético en la Planta Para realizar el balance energético en la planta y por tanto conocer la potencia térmica que debe llegar al evaporador y al sobrecalentador procedente de sus respectivos campos de heliostatos, hay que partir de la potencia eléctrica final (P e =20 MW), de las condiciones del vapor saturado (100 bar) y vapor sobrecalentado (100 bar, 500 ºC) y de las siguientes estimaciones e hipótesis: Rendimiento de la conversión térmica en eléctrica: Teniendo en cuenta que para la planta PS10 propiedad de Solúcar S.A. (grupo Abengoa), el rendimiento del grupo turbina y alternador es del orden del 29 % en condiciones de diseño, y teniendo en cuenta que la planta PS10 trabaja con vapor saturado a 40 bar [7], se puede estimar para la planta objeto de estudio que este rendimiento sea del orden del 35 %, por las ventajas, ya comentadas en el apartado 4.1, que supone el uso de vapor sobrecalentado. Pérdidas en conducciones y bombas: se estiman como el 1% de la potencia térmica disponible a la entrada del sistema de producción de potencia eléctrica. Rendimiento del evaporador y sobrecalentador: Se considera igual en ambos y se estima en un 92%. Se considera que el agua a la entrada del evaporador se encuentra en fase de líquido saturado a 100 bar y el vapor de salida es vapor saturado a la misma presión.. Se considera que el vapor de entrada al sobrecalentador es vapor saturado a 100 bar y el vapor de salida es vapor sobrecalentado a la misma presión y 500 ºC de temperatura. A partir de las estimaciones e hipótesis anteriores se plantea el siguiente sistema de ecuaciones: 50

8 Pe= kw η t-e = 0.35 η receptor = 0.92 η conducciones = 0.99 Psat=100 bar Tsob=500 ºC P térmicatotal = η t e η receptor Pe η conducciones ENTHALPY: entalpía (kj/kg) h 1 =ENTHALPY(steam,P=Psat,x=1); x: título de vapor h w2 =ENTHALPY(water,P=Psat,x=0) h ws =h 1 -h w2 ; Calor de vaporización h sob =ENTHALPY(steam,P=Psat,T=Tsob) m: Caudal de vapor (Kg/s) P evap f=m h ws ; Potencia térmica (kw) que se debe aportar al fluido en el evaporador P sobf =m (h sob -h 1 ) ; Potencia térmica (kw) que se debe aportar al fluido en el sobrecalentador P P evap sob Pevapf = ; Potencia térmica (kw) que debe recibir el evaporador η receptor Pevapf = ; Potencia térmica (kw) que debe recibir el sobrecalentador η receptor P = P + P ; Potencia térmica (kw) global que deben suministrar los campos térmicatotal de heliostatos. evap sob Resolviendo el sistema de ecuaciones anterior, con la ayuda del programa EES: Engineering Equation Solver [8], se obtienen los siguientes resultados: m= Kg/s; P evap = MW; P sob = MW; P térmica global = MW 51