ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS TECNOLOGÍAS APLICABLES A UN FOCO FRÍO DE UNA PLANTA DE CICLO COMBINADO

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1 ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS TECNOLOGÍAS APLICABLES A UN FOCO FRÍO DE UNA PLANTA DE CICLO COMBINADO Autor: Andrea Giménez Montejo Director: Cayetano José Prieto Mozo Entidad colaboradora: Empresarios Agrupados A.I.E. Resumen del proyecto Dada la creciente demanda energética actual y la necesidad de aprovechar al máximo los recursos de los que se dispone, dada la creciente escasez de los mismos, el presente proyecto pretende realizar el estudio comparativo de las distintas tecnologías para actuar como foco frío en una central de ciclo combinado, de forma que se optimicen los costes a lo largo de la vida útil de la central. Para realizar el estudio, se ha comenzado por la documentación de las distintas tecnologías existentes para conocer las características de cada una y las ventajas e inconvenientes asociadas a cada tecnología. Una vez adquiridos los conocimientos básicos, de entre los focos fríos típicos en las instalaciones de producción de energía eléctrica (torres de refrigeración, Sistema Heller, aerocondensadores, Agua de circulación en Ciclo Abierto ) se ha reducido el campo de estudio a dos tecnologías, la torre de refrigeración y el aerocondensador, dado que actualmente son los dos métodos más extendidos y, como se verá más adelante, con mayores ventajas económicas y de impacto medioambiental. El emplazamiento ideal de una central térmica exige determinadas prestaciones: disponibilidad de agua para refrigeración; cercanía de los centros de suministro de combustible o, al menos, buenas infraestructuras de accesos; superficie suficiente para albergar los distintos sistemas; protección contra fenómenos naturales (inundaciones) e impacto ambiental reducido. Cuando se dispone de un caudal de agua, la evacuación del calor no aprovechable puede realizarse mediante un circuito abierto o cerrado. En ciclo abierto, el agua se toma del mar o del río, se impulsa hacia el condensador, produciéndose el

2 intercambio de calor. Así, el vapor se condensa, y el agua de refrigeración registra un incremento térmico de entre tres y ocho grados. Realizada su función, el agua se devuelve al mar. El aspecto medioambiental más significativo de esa agua que se devuelve es el incremento de temperatura y los aditivos utilizados para la protección de los equipos. Esto distorsiona el ecosistema existente en el punto de vertido, aunque de una forma muy puntual. El caudal de agua de refrigeración en circuito abierto suele ser importante, mientras que en ciclo cerrado, se tiene un impacto medioambiental menor, por los menores caudales implicados. Si en el circuito abierto el agua se toma del cauce público, realiza su función en el condensador y se devuelve, lo que supone el empleo de un caudal de agua de refrigeración elevado, en el caso de circuito cerrado sólo se necesita aportar la cantidad necesaria para reponer las pérdidas del circuito. Estas pérdidas son cuatro: la cantidad que se evapora, y que mejora la refrigeración, el arrastre, las fugas que pueda haber en el circuito, y las purgas de la torre necesarias para mantener la concentración de sales en el límite requerido. Por lo tanto se descartará la refrigeración en circuito abierto. Dentro las torres de refrigeración, se encuentras los siguientes tipos: - Torre húmeda de tiro forzado - Torre húmeda de tiro natural - Torre híbrida Se realizará el estudio de la torre de refrigeración de tiro forzado, al ocupar las torres de tiro natural un mayor volumen para la misma capacidad de enfriamiento, también se descartarán las torres híbridas ya que al hacer el penacho no visible son más caras y a efectos de uso industrial no suponen ninguna ventaja frente a las de tiro forzado. En cuanto a la refrigeración con el aerocondensador, la ventaja que se obtiene frente a la torre de refrigeración es su menor agresividad con el medio ambiente. Sin embargo como tiene un coste más elevado y provoca en la planta una mayor disminución del rendimiento además de una necesidad de espacio mayor debido a sus dimensiones, ambos factores están determinados por el hecho de que la temperatura del foco frío es la temperatura ambiente.

3 Elegidas las alternativas de estudio, se procede a su comparación. Para ello se calculan primeramente los rendimientos de distintas centrales con dichas tecnologías para condiciones ambientales similares, obteniendo un rendimiento mayor en las que utilizan torres de refrigeración, y posteriormentese sustituirá el aerocondensador por la torre de refrigeración, incrementando el rendimiento de la central con la torre. Esto se debe a que en sistemas de refrigeración líquida, la refrigeración depende del bulbo húmedo de la temperatura ambiente, mientras que en los sistemas de refrigeración por aire, ésta depende del bulbo seco o temperatura ambiente exterior, que es normalmente más elevada que el bulbo húmedo. Se observa también que hay una relación importante entre el rendimiento de una central y la temperatura a la que se encuentra el foco frío. La temperatura a la que el vapor condensa depende en gran parte del foco frío, se trata de un equipo esencial ya que sus condiciones determinan el salto entálpico disponible del vapor y, por ende, la potencia total obtenida, producto del primero por el caudal del vapor expandido. Calculados los rendimientos y analizada la relación entre el rendimiento del ciclo y la temperatura del foco frío del mismo, se procede a la caracterizan dos ciclos, uno con torre de refrigeración y otro con aerocondensador, calculando los factores siguientes para distintas temperaturas de foco frío: - Relación espacio requerido/ Capacidad de generación de la planta. - Servicios /Capacidad de generación de la planta. - Consumo eléctrico/ Capacidad de generación de la planta. Estos factores de peso con solo dos centrales con distintas temperaturas de foco frío, no son representativos de la realidad, ya que daría una relación 1 a 1 (coeficiente de determinación) que no es real, para ello se utiliza un mayor número de centrales con cada tipo de tecnología obteniendo de esta forma unos resultados más representativos. En primer lugar se obtienen los datos necesarios para cada planta, esto es, para el cálculo del primer factor, el espacio ocupado por cada tecnología y la potencia de la planta, en el segundo, el caudal de aporte de agua que sólo se tendrá en cuenta en

4 la torre de refrigeración al ser el aerocondensador refrigerado por aire y por último para el tercer factor, en el consumo eléctrico se tendrá en cuenta en las torres de refrigeración el consumo de las bombas de agua de circulación y el consumo de los ventiladores, y en el aerocondensador el consumo de los ventiladores. A estos factores se les convertirá para que acaben teniendo como magnitud /MW. Se representan estas características consiguiendo los factores que hacen más fiables los resultados. Para finalizar, se calcula una recta de regresión con cada uno de estos factores en función de la potencia generada por cada planta, para obtener el coste de cada tecnología. Para ello es necesario fijar un coste fijo para cada una de ellas, en el caso del aerocondensador se fija el coste fijo del aerocondensador, aproximado para una potencia dada en función de unos datos objetivos, y en la torre de refrigeración el coste fijo se obtendrá del coste de la bomba del agua de circulación y del coste de la propia torre. COMPARATIVE STUDY OF THE TECNOLOGIES APPLIEDTO THE COLD SINKIN A COMBYNED CYCLE POWER PLANT Author: Andrea Giménez Montejo Director: Cayetano José Prieto Mozo In collaboration with: Empresarios Agrupados A.I.E. Summary of the project

5 Given the current increasing energy demand and the need to take the most advantage possible of the resources that are available, due to the scarcity of them, this project aims to study the different possible alternatives to act as a cold sink in a combined cycle power plant with the aim of optimizing the operating costs over the whole life of the power plant. To carry out the study, the first step has been to gather all the information necessary to learn about all the state of the art, to get to know the different characteristics of each alternative; hence know the advantages and disadvantages associated to each of the possible solutions. Once the basic knowledge have been acquired, between the different technologies possible currently,the study has been reduced to only two, both of these are the cooling tower and the air- cooled condenser, given that they are the two most widespread cold sink, and as will be discussed below with even greater economic and environmental advantages. The ideal setting of a power station requires specific services like water availability for cooling; proximity to the centers of supplyof fuel or at least, good infrastructures with direct accesses; enough surface to hold all the different technologies, protection against natural disasters and low environmental impact. When it s possible to have a source of water, the heat dissipation can be done by an open or closed cycle refrigeration. In an open cycle refrigeration, the water is taken directly from the sea or river, the water is driven to the condenser, being the heat exchange. Thus, the watervapor condenses, and the refrigeration water registers an increase of the temperature between three and eight degrees. When the vapor is condensed, the water returns to the sea or river. The most important environmental aspect of the water that is returned is the increase of the temperature and the additives used for the protection of the equipments. This distorts the existing ecosystem at the point where the water is discharged, although in a limited manner. The source of water in an open cycle refrigeration used to be important, while in a closed one, there is a less environmental impact, due to the lower water flows involved. If in the open refrigeration cycle the water is taken from the public waterway, it realizes its function and it is returned, which

6 is a high flow cooling water consumption, in the case of a closed refrigeration cycle it is only necessary to provide the quantity of water that replace the losses. These losses are four: the amount of water that is going to be evaporating in the cooling tower, and which improves the refrigeration, the water drag, escaping water can be occur and purges necessaries in the cooling tower to maintain the required salt concentration, that s why an open cycle refrigeration system will not be considered. The following types of cooling tower are: - Natural Draft Wet Cooling Tower - Forced Draft Wet Cooling Tower - Hybrid Cooling Tower The Cooling Tower that is in the scope of this study is the Forced Draft Cooling Tower, given that Natural Draft Cooling Tower occupies more volume of space for the same cooling capacity, Hybrid Cooling Towers will not be considered in this study because it s very expensive to make not visible the plume and for industrial purposes do not constitute advantages over the Forced Draft Cooling Tower. As for the refrigeration with the other technology in study, the air cooled condenser, has an important advantage over the cooling tower that is the lowest aggression for the environment although it has a higher cost and causes a reduction of the efficiency of the power plant, in addition to the need of an increase of space due to its dimensions, both factors determined by the fact that the temperature of the cold sink is the environmental temperature. Chosen the technologies of study, it was possible to compare them. For this purpose, first of all, the performance of each power plant with both technologies are calculated, obtaining a better efficiency in those that use cooling tower under similar environmental conditions. This is because that in systems with liquid refrigeration, the refrigeration depend on the wet bulb temperature of the air, while in systems with air cooling

7 technology the refrigeration depend on the dry bulb temperature of the air or the outside temperature that is normally higher than the temperature of the wet bulb. An important correlation between the performance of a power plant and the temperature of the cold sink has been observed. The temperature at which the water vapor condenses depends on great measureof cold sink, it is therefore,it is an essentialequipment due to the fact that its conditions determine the variation of enthalpyavailable of the vapor, and thus the total power obtained,the variation of enthalpymultiplied by the flow of the expanded water vapor. Once the efficiency of the plants have been calculated and analyzed the correlation between both, the two cycles are going to be characterized, each one using a different technology. For this purpose, the following factors are being considered for different temperatures of the cold sink: - The space required/ Power generated - Services/ Power generated - Electricity consumption/ Power generated These ratioswith only two plants, make the results unrepresentative to reality, that s why it is used an increased number of plants with each technology, obtaining results that can be regarded as representative. Once all the necessary data of the cycles combined in use have been acquired, that is, to conduct the calculation of the first ration, the space required and the power generated, for the second one, the flow of the makeup water, this flow will be only taken into account in the cooling tower as the air cooled condenser is an air cooled system as its name states, and for the third and last factor, the electricity consumption, for the cooling tower, it will be taken into consideration the consumption of the water circulating pumps and the fans, and in the air cooled condenser the consumption of the fans. The magnitude of each factor will be /MW.

8 These characteristics are representedattaining the factors that make the results more reliable. To finalize the study, the regression line is calculated with each factor as a function of the powerof each plant, to obtain the cost of both technologies. For that purpose, it is necessary to identify a fixed, initial cost, for the air cooled condenser the fixed cost of the equipment is estimated for a given power, based on an objectives dates, and in the cooling tower the costs are the sum of the cost of the equipment, in addition to the costs of the water circulating pumps.