Simulación dinámica de una central termosolar de captadores cilindro-parabólico, mediante thermoflex

i Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex Autor: Eloy de los Ángeles León Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Dep. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería Industrial Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex Autor: Eloy de los Ángeles León Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Profesor Contratado Doctor Dep. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 iv v Trabajo Fin de Grado: Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex Autor: Eloy de los Ángeles León Tutor: Francisco Javier Pino Lucena El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 El Secretario del Tribunal vi vii A mis familiares y amigos A mis docentes viii ix Agradecimientos La realización de este trabajo fin de grado, que se redactó inicialmente como PFC, no habría sido posible sin la ayuda de mi tutor, el profesor Francisco Javier Pino Lucena. Así como del jefe del área de Termotecnia del Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Sevilla, el CAT. José Julio Guerra Macho, el cual inicialmente aceptó el proyecto original. Quisiera mencionar también al profesor Luís Pérez-Lombard Martín de Oliva, quien, pese a no tener relación con el mismo, compartió conmigo durante su realización en el departamento alguna que otra larga tarde de trabajo los viernes. Extiendo también los agradecimientos a otros grandes docentes que tuve la suerte de encontrar a lo largo de mi vida académica, cuya profesionalidad en su trabajo siempre significó una motivación extra. Los profesores Enrique Drake Moyano, Federico París Carballo, Daniel Limón Marruedo, y muy especialmente el Dr. Antonio Quijada Jimeno, cuyas clases formarán siempre parte de mi recuerdo como alumno. Agradecer a mis compañeros José María Gámez Mancera y Eduardo Miguel García Juárez, los cuales siempre prestaron su ayuda desinteresadamente. Al igual que a Pablo Cádiz Monteagudo. También a Javier García Ramos, Pablo Ávila Serrano, y a otros tantos que junto a los primeros hicieron que esta etapa mereciera la pena. Por último, a mi familia, que, a pesar de las dificultades, siempre me apoyó, incluso creyendo más en mí que yo mismo. Con especial cariño a mi abuelo Manuel León Cruz (D.E.P.), al cual le debo muchísimo de lo que hoy soy. Eloy de los Ángeles León Sevilla, 2018 xvii Índice de Tablas Tabla 3.1: Parámetros (ST Group) 19 Tabla 3.2: Variables ST Group 1 21 Tabla 3.3: Variables ST Group 2 23 Tabla 3.4: Variables ST Group 3 25 Tabla 3.5: Variables ST Group 4 27 Tabla 3.6: Variables ST Group 5 29 Tabla 3.7: Variables ST Group 6 31 Tabla 3.8: Variables ST Group 7 34 Tabla 3.9: Parámetros de Precalentadores 36 Tabla 3.10: Parámetros Desaireador 42 Tabla 3.11: Variables Desaireador 43 Tabla 3.12: Parámetros Condensador 44 Tabla 3.13: Parámetros Separador de mezcla 46 Tabla 3.14: Parámetros Intercambiador de calor vapor/vapor 47 Tabla 3.15: Variables Intercambiador de calor vapor/vapor 48 Tabla 3.16: Parámetros Bombas 49 Tabla 3.17: Variables Bomba 14 51 Tabla 3.18: Variables Bomba 17 53 Tabla 3.19: Parámetros Aportes de caudal de agua 54 Tabla 3.20: Parámetros Sumideros de caudal 56 Tabla 3.21: Parámetros Agua de maquillaje 57 Tabla 3.22: Parámetros Válvulas 58 Tabla 3.23: Parámetros Divisores y Mezcladores de corrientes 60 Tabla 3.24: Parámetros Tuberías 61 Tabla 3.25: Variables Campo solar 66 Tabla 3.26: Variables Campo solar (sistema de almacenamiento) 69 Tabla 3.27: Variables Campo solar (colectores) 70 Tabla 3.28: Parámetros Intercambiadores de calor vapor/HTF 72 Tabla 3.29: Variables Intercambiador de calor vapor/HTF 67 74 Tabla 3.30: Variables Intercambiador de calor HTF/vapor 68 76 Tabla 3.31: Parámetros Bomba HTF 77 Tabla 3.32: Variables Bomba HTF 79 Tabla 3.33: Parámetros Elemento HTF Specification 80 Tabla 3.34: Corrientes del ciclo de vapor y del ciclo de HTF 84 xviii Tabla 4.1: Corrientes del ciclo de vapor y del ciclo de HTF al 75% de carga 91 Tabla 4.2: Corrientes del ciclo de vapor y del ciclo de HTF al 50% de carga 95 Tabla 4.3: Corrientes del ciclo de vapor y del ciclo de HTF al 25% de carga 99 Tabla 4.4: Corrientes del ciclo de vapor y del ciclo de HTF en torno al 20% de carga 103 Tabla 4.5: Comparativa de los distintos estados de carga 106 Tabla 4.6: Puntos de ajuste Id - ṁb 107 Tabla 4.7 Puntos de ajuste Id - Pmín 108 Tabla 6.1: Macro resultados de la simulación (1) 117 Tabla 6.2: Macro resultados de la simulación (2) 118 Tabla 6.3: Macro resultados de la simulación (3) 119 Tabla 6.4: Macro resultados de la simulación (4) 120 xix Índice de Figuras Figura 0.1: Central solar de torre 1 Figura 0.2: Central solar de discos Stirling 2 Figura 0.3: Central solar de canal cilindro-parabólico 2 Figura 0.4: Esquema captador cilindro-parabólico 2 Figura 0.5: Esquema tanque almacenamiento de interfaz termoclina 3 Figura 2.1: Interfaz de trabajo del software Thermoflex 12 Figura 2.2: Pantalla de errores 13 Figura 2.3: Pantalla Excel del complemento ELINK 15 Figura 3.1: Esquema del ciclo principal de la central 18 Figura 3.2: Esquema ST Group 1 20 Figura 3.3: Diagrama H-S ST Group 1 20 Figura 3.4: Esquema ST Group 2 22 Figura 3.5 Diagrama H-S ST Group 2 22 Figura 3.6: Esquema ST Group 3 24 Figura 3.7 Diagrama H-S ST Group 3 24 Figura 3.8: Esquema ST Group 4 26 Figura 3.9 Diagrama H-S ST Group 4 26 Figura 3.10: Esquema ST Group 5 28 Figura 3.11 Diagrama H-S ST Group 5 28 Figura 3.12: Esquema ST Group 6 30 Figura 3.13 Diagrama H-S ST Group 6 30 Figura 3.14: Esquema ST Group 7 32 Figura 3.15 Diagrama H-S ST Group 7 33 Figura 3.16: Diagrama pérdidas en el escape ST Group 7 33 Figura 3.17: Esquema Precalentador 8 37 Figura 3.18: Diagrama T-Q Precalentador 8 37 Figura 3.19: Esquema Precalentador 9 38 Figura 3.20: Diagrama T-Q Precalentador 9 38 Figura 3.21: Esquema Precalentador 10 39 Figura 3.22: Diagrama T-Q Precalentador 10 39 Figura 3.23: Esquema Precalentador 11 40 Figura 3.24: Diagrama T-Q Precalentador 11 40 Figura 3.25: Esquema Precalentador 12 41 Figura 3.26: Diagrama T-Q Precalentador 12 41 xx Figura 3.27: Esquema Desaireador 42 Figura 3.28: Diagrama T-Q Desaireador 43 Figura 3.29: Esquema Condensador 45 Figura 3.30: Diagrama T-Q Condensador 45 Figura 3.31: Esquema Separador de mezcla 46 Figura 3.32: Esquema Intercambiador de calor vapor/vapor 47 Figura 3.33: Diagrama T-Q Intercambiador de calor vapor/vapor 47 Figura 3.34: Esquema Bomba 14 50 Figura 3.35: Curva Altura-Caudal Bomba 14 50 Figura 3.36: Esquema Bomba 17 52 Figura 3.37: Curva Altura-Caudal Bomba 17 52 Figura 3.38: Esquema aporte de agua 26 54 Figura 3.39: Esquema Aporte de agua 49 (modelo de vapor de sello) 55 Figura 3.40: Esquema aporte de agua 51 55 Figura 3.41: Sumidero de caudal 25 56 Figura 3.42: Sumidero de caudal 50 56 Figura 3.43: Esquema Agua de maquillaje 57 Figura 3.44: Esquema Válvula 31 58 Figura 3.45: Esquema Válvula 32 59 Figura 3.46: Esquemas Divisor (19) y Mezclador (18) de corriente 60 Figura 3.47: Esquema Tubería 38 61 Figura 3.48: Ciclo de vapor completo 63 Figura 3.49: Esquema Campo solar 66 Figura 3.50: Esquema Campo solar (almacenamiento) 71 Figura 3.51: Esquema Intercambiador de calor vapor/HTF 67 72 Figura 3.52: Diagrama T-Q Intercambiador de calor vapor/HTF 67 73 Figura 3.53: Esquema Intercambiador de calor HTF/vapor 68 75 Figura 3.54: Diagrama T-Q Intercambiador de calor HTF/vapor 68 75 Figura 3.55: Esquema Bomba HTF 77 Figura 3.56: Curva Altura-Caudal Bomba HTF 78 Figura 3.57: Esquema Elemento HTF Specification 80 Figura 3.58: Esquema Circuito HTF 82 Figura 4.1: Curva de ajuste Id - ṁb 107 Figura 4.2: Curva de ajuste Id - Pmín 108 Figura 5.1: Complemento ELINK (pantalla Excel) 110 Figura 5.2: Ejemplo de variables de análisis en Excel 113 xxi Notación A* Conjugado c.t.p. En casi todos los puntos c.q.d. Como queríamos demostrar ∎ Fin de la demostración e.o.c. En cualquier otro caso e número e IRe Parte real IIm Parte imaginaria sen Función seno tg Función tangente arctg Función arco tangente sen Función seno sinxy Función seno de x elevado a y cosxy Función coseno de x elevado a y Sa Función sampling sgn Función signo rect Función rectángulo Sinc Función sinc ∂y ∂x x◦ ó xº Derivadas parciales respecto de x e y Notación de grado, x grados. Pr(A) Probabilidad del suceso A : Tal que ≤ Menor o igual ≥ Mayor o igual \ Barra invertida ⇔ Si y sólo si ~ Del orden de ≈ Aproximadamente igual xxii Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 1 0 Introducción a la Tecnología Termosolar La Energía Solar por Concentración (CSP) consiste en concentrar calor procedente del sol en una cierta superficie. Esta superficie será parte de un ciclo de potencia, bien directamente aportando la energía necesaria a, por ejemplo, un motor térmico, o bien, calentando algún tipo de HTF (fluido de transferencia térmica) que se usa a su vez para calentar agua y generar el vapor que impulsará una turbina. Este tipo de plantas pueden funcionar constantemente, si parte de ese calor es almacenado en momentos de irradiación elevada, es posible seguir produciendo vapor en momentos de ausencia de irradiación solar. Hay diversas tecnologías de concentración solar, pero a día de hoy, existen 3 tipos principales de centrales termosolares: - Centrales de torre: Un conjunto de heliostatos (espejos planos) concentran el calor del sol sobre un receptor central montado en la parte superior de una torre de más de 100 metros de altura. El fluido que circula por el receptor (normalmente sales fundidas) absorbe la radiación solar altamente concentrada y la convierte en energía térmica, para ser utilizada en la generación de vapor, que pone en funcionamiento la turbina para la producción de energía eléctrica. Figura 0.1: Central solar de torre - Centrales de disco Stirling: Una serie de discos concentradores parabólicos dirigen los rayos solares a un motor Stirling localizado en el foco del paraboloide. Cada unidad productora es independiente. Esto hace que esta tecnología tenga algunas similitudes con la forma de generación eléctrica de las placas fotovoltaicas desde el punto de vista de la explotación de la planta, ya que la complejidad de la operación es pequeña, lo que posibilita una automatización completa. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 2 Figura 0.2: Central solar de discos Stirling - Centrales de canal cilindro-parabólico: Reflectores en forma de canal de sección parabólica, dispuestos en hileras horizontales y en cuyos focos están situados unos tubos colectores por los que circula el fluido de transferencia de calor (aceite térmico sintético), concentran la luz solar sobre dichos tubos, lo que eleva la temperatura del aceite. El aceite caliente se emplea para vaporizar agua que, conducida a una turbina de vapor, acciona un generador que inyecta la energía eléctrica a la red. Figura 0.3: Central solar de canal cilindro-parabólico Figura 0.4: Esquema captador cilindro-parabólico Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 3 Las centrales de disco Stirling no son compatibles con el almacenamiento de energía térmica, pero tanto las de torre como las de canal cilindro-parabólico sí. Lo más común es dirigir parte del fluido térmico caliente a un tanque de almacenamiento, y la otra parte, al ciclo. En momentos en los que la irradiación solar sea baja o nula (durante la noche), se descargará el almacenamiento usando la energía térmica que aún conserva el fluido para seguir produciendo vapor que alimente la turbina. Una vez cedida la energía térmica, el fluido “frio” se almacenará en otro tanque, encargado de regular el aporte del HTF al circuito. En ocasiones, se utiliza un solo tanque de almacenamiento para el fluido frío y el caliente. Estos tanques presentan una interfaz termoclina móvil que separa el fluido caliente del frío, valiéndose de la diferencia de densidad entre ambos. Este tipo de tecnología presenta en principio mayores inconvenientes que el almacenamiento en 2 tanques. Sin embargo, supone una mejora de espacio conformando sistemas de almacenamientos más compactos. Figura 0.5: Esquema tanque almacenamiento de interfaz termoclina Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 10 1.4 Modificaciones en el proceso de modelado Los apartados anteriores recogen la memoria descriptiva inicial proporcionada por la empresa a cargo del proyecto. Si bien, durante el proceso de modelado surgieron diversas dudas que fueron consultadas a los responsables del equipo del proyecto que conllevaron modificaciones que se fueron implementando sobre la marcha en nuestro modelo. Incluso a día de hoy, cuya redacción de esta memoria tiene lugar, todavía es posible que tuvieran lugar nuevas modificaciones. Por este motivo, hace unos meses, se tomó la decisión de dar por finalizada la etapa de modelado atendiendo a las decisiones en curso en tal momento. A partir de entonces, se procedió con la parte final de nuestro estudio, que suponía el análisis dinámico de nuestra planta a lo largo de un año tipo. Todas las características de los equipos serán analizadas y detalladas con posterioridad. No obstante, queríamos hacer notar que amén de otras muchas modificaciones secundarias, nuestro modelo del campo solar se ha realizado de acuerdo a la definición de un múltiplo solar igual a 2. Hecho que conlleva que en el punto de diseño con 850 W/m2 de radiación solar, se obtengan 55 MW de potencia bruta y 139 MW reconducidos al almacenamiento. Dato que difiere del inicial, expuesto en la memoria descriptiva (a saber, 154 MW). Similarmente, los cambios relativos al tamaño o número de lazos de canal parabólico serán comentados posteriormente. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 11 2 Software Thermoflex 25 El software en el que trabajaremos es el Thermoflex 25, actualizado en su versión de 2015. Dicho programa permite de forma genérica, mediante una amplia librería de equipos e ítems, diseñar plantas y redes complejas de tránsito y operación de fluidos. Está especialmente indicado para su uso en sistemas termodinámicos, como son los ciclos de potencia. La pantalla básica de operación del software se presenta en la figura 2.1, en la que se señalan los componentes y herramientas básicas del programa. Si bien, entre los propósitos de este documento no se encuentra el de detallar un manual de uso de este software, por lo que no se abordan explicaciones relacionadas con la selección de unidades o tabulación de resultados. No obstante, sí que vamos a resumir los pasos generales para la creación de modelos. 2.1 Análisis Termodinámico y Modo Ingeniería Para construir nuestro modelo empezaremos por seleccionar en la librería de la ficha "Edit Drawing" todos los equipos necesarios de nuestra planta. Por defecto, todos los equipos aparecen operando en el modo Análisis Termodinámico, que es un modo en el que el usuario puede definir aspectos generales de éstos (las opciones variarán de un equipo a otro). El objetivo de este modo no es más que el de simplificar el funcionamiento de los mismos y permitirles operar inicialmente bajo ciertas hipótesis de idealización. Una vez seleccionados todos los componentes, pasaremos a definir las conexiones entre los mismos. El programa no puede operar si el sistema tiene alguna línea abierta o carente de conexión, por lo que, tras el conexionado, el programa comprobará y nos indicará si el "dibujo" es coherente, y podremos pasar a la edición de parámetros en la ficha "Edit Inputs". En este momento ya podríamos intentar realizar una simulación inicial, aunque el programa trabajaría con los parámetros de los equipos predeterminados por defecto. Lo habitual es que los valores de nuestro modelo difieran de ellos, por lo que deberemos establecer los requeridos en el menú correspondiente de cada equipo. Como comentábamos, el modo de análisis termodinámico ofrece limitaciones. Para poder modificar un mayor número de parámetros será preciso seleccionar el Modo Ingeniería. Es posible para un mismo modelo tener equipos trabajando en el modo Análisis Termodinámico y otros en el Modo Ingeniería simultáneamente. Esto será recomendable si desconocemos ciertos parámetros de algún equipo en concreto, o bien, si tenemos poca información sobre él. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 12 Figura 2.1: Interfaz de trabajo del software Thermoflex Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 13 Una de las virtudes de este software es que intentará resolver por sí mismo inexactitudes o contradicciones dadas en el sistema. Por ejemplo, debido a una definición de parámetros que conlleve balances erróneos en algún equipo. Es por ello que en general se nos permitirá establecer prioridades en las corrientes de entrada/salida de los equipos, por lo que, en caso de conflicto, prevalecerá el cálculo asociado a la corriente con mayor prioridad, siendo modificados los demás. Concluida la definición, podremos volver a simular nuestro modelo. Normalmente el programa nos indica que se modificarán ciertos valores inicialmente para poder realizar los cálculos iterativos correspondientes. Por defecto, el programa realizará 60 iteraciones en el cálculo de cada variable, momento en el que, si el valor de dicho parámetro no ha convergido, se solicitará la confirmación del usuario para realizar 60 más. Tal evento puede tener lugar hasta en 5 ocasiones, ya que una vez alcanzadas las 300 iteraciones, el cálculo exacto de dicha variable se detendrá, se aproximará en el último rango determinado por el programa, y mostrará la correspondiente alerta por el suceso. Queremos remarcar que ese límite de 300 iteraciones es para cada variable en los distintos pasos del cálculo, de modo que, si iniciásemos una nueva simulación, el programa partiría de la última acotación del valor de dicha variable, disponiendo de 300 nuevas iteraciones. No obstante, si por algún motivo hay que volver a la ficha "Edit Drawing" para realizar alguna modificación en el "dibujo" del modelo, todos los valores serán actualizados y su cálculo partirá desde el principio de los valores seleccionados por el usuario o presentes en la máquina por defecto. Terminados los cálculos se activará una pantalla en la que se nos detallan los posibles problemas que han existido con las iteraciones. Los cuatro tipos de notificaciones por orden de prioridad son: Errors (Errores), Warnings (Alertas), Advisories (Avisos) y Remarks (Observaciones) (ver figura 2.2). Mientras que las observaciones son admisibles en la mayoría de los casos, las otras notificaciones deben ser analizadas y corregidas, ya que normalmente implican cálculos erróneos en el sistema, inexactitudes, y, en definitiva, que nuestro modelo no es válido. Se puede remarcar que este menú de notificaciones aparecerá de forma similar, aunque distinto formato, incluso cuando operamos el fichero desde el complemento ELINK, el cual se explica más más adelante. Una vez concluidos y revisados los cálculos, el programa permite crear tablas para presentar todos los datos requeridos, tanto los definidos por el usuario como los calculados por la máquina. Estas tablas son interactivas y se actualizarán automáticamente tanto si se realizan modificaciones en este modo, o en el que se explica en el siguiente apartado. Llegados a este punto, ya dispondremos de un modelo completo en cuanto a la operación de nuestro sistema en el punto de diseño. No obstante, para poder estudiar cómo opera el sistema en condiciones fuera del punto de diseño, deberemos pasar al modo Off-design. Figura 2.2: Pantalla de errores Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 14 2.2 Modo Análisis Off-design Como ya se ha indicado varias veces, la utilidad de este modo radica en la posibilidad de estudiar cómo se comporta nuestro sistema ante condiciones distintas de las de diseño. Para ello podremos modificar nuevos parámetros de algunos de los equipos que no estaban disponibles con anterioridad, con la salvedad de que no podrán cambiarse aquellos relativos al diseño intrínseco del sistema. En otras palabras, ahora podremos variar aquellos parámetros que sería posible modificar en la realidad mientras nuestro sistema esté en funcionamiento, y también aquellos parámetros asociados a las condiciones de entrada externas, tales como pueden ser la disponibilidad de combustible, o la temperatura ambiente. Uno de sus usos es la posibilidad de analizar el funcionamiento de sistemas de potencia trabajando a carga parcial. Éste será el caso en el objetivo que persigue nuestro estudio. Debido a las posibilidades de ajuste de parámetros que aún existe en los equipos, así como a los valores que el usuario puede imponer sobre el sistema, como por ejemplo, cierta presión a la entrada de un determinado elemento, es habitual que durante los cálculos en este modo aparezcan de nuevo las notificaciones de irregularidades en el cálculo iterativo detalladas en el apartado previo. Otra de las virtudes de este software es que los equipos de la librería se ajustan a los límites de equipos reales, como por ejemplo que no es posible alcanzar relaciones de compresión infinitas con un compresor. Si bien, aunque no hemos investigado a fondo el software, entendemos que los límites son acordes en general sólo a los límites que establecen los principios termodinámicos, y no tanto a los que marca la tecnología actual. Hecho que en cualquier caso tiene sentido, ya que, de otro modo ante mejoras futuras, este software quedaría rápidamente obsoleto. Concluido el análisis en Off-design, podemos establecer correlaciones "experimentales" que nos permitan analizar posteriormente y con mayor celeridad el funcionamiento de nuestro sistema ante condiciones de entrada dinámicas. Para ello, será de gran utilidad el complemento ELINK para Excel del que dispone nuestro software. El cual se detalla a continuación. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 15 2.3 Complemento ELINK Este complemento permite en primera instancia exportar a Excel cualquier tabla de parámetros desde cualquier programa de la gama de Thermoflow, y en concreto, del nuestro, Thermoflex 25, así como realizar cálculos y operaciones, editar entradas y obtener resultados sin necesidad de abandonar el entorno de Excel. El complemento opera directamente sobre nuestro fichero .tfx y está pensado para realizar análisis en nuestro modelo provocados por una serie de parámetros que podemos preseleccionar, así como visualizar los resultados de otras variables también elegidas. Otra ventaja de este complemento, además de la celeridad en el análisis de variables en régimen de condiciones de entrada dinámicas a nuestro sistema, se encuentra precisamente en su capacidad de trabajar directamente con el motor de cálculo de Thermoflex desde una interfaz sencilla, en la que, incluso si dicha interfaz predeterminada resultase compleja, sería posible programar en Visual Basic otra más adecuada para el uso de un operario con conocimientos limitados en la materia. En la figura 2.3 se muestra una pantalla de ejemplo de dicho complemento. Figura 2.3: Pantalla Excel del complemento ELINK Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 16 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 17 3 Modelado en el Punto de Diseño Para el modelado del ciclo de vapor, partimos de un esquema facilitado por la empresa a cargo del proyecto, el cual está realizado usando el software "System Advisor Model (SAM)". Este esquema se muestra en la figura 3.1. Usando este esquema como base y las indicaciones de la memoria descriptiva, debemos proceder a introducir todos los equipos y elementos que formarán parte del mismo. En el caso de nuestro proyecto, existen 2 circuitos claramente diferenciados: el circuito del vapor/agua, y el circuito del HTF. Es por ello que serán presentados por separado. Nuestra tarea por tanto será adaptarnos al esquema suministrado, tratando de conseguir la mayor similitud posible respecto a todas las corrientes que aparecen en dicho esquema. El desglose inicial de los distintos elementos se realiza explicando brevemente el funcionamiento de cada uno de ellos, y acto seguido se adjunta una tabla en la que se detallan el número de elementos similares, así como las características que fueron definidas en primera aproximación para iniciar el cálculo. A continuación de ello se exponen los resultados del cálculo llevado a cabo por el software en forma de tablas y/o gráficas cuando corresponde. Nótese que al modelar nos tomamos la licencia de definir elementos inexistentes con tal de simular la realidad, y de la misma forma, se omiten otros que ciertamente no aportan nada a nuestro diseño. Es por ello a partir de aquí, en este apartado, sólo se referirán los equipos y elementos con la disposición que se ha usado en la realización de este proyecto. Se excluyen de igual forma explicaciones relativas al porqué se usan ciertos elementos en lugar de otros, ya que se escapa del alcance de este documento por no ser el propósito de este estudio el constituir un manual explicativo de un proceso general de modelado, sino el documentar el trabajo realizado respecto a este proyecto en concreto. 3.1 Modelo del ciclo de vapor El circuito de vapor presenta a su vez 2 partes principales con sus correspondientes conexiones entre sí: la turbina y el tren de precalentadores, además de por supuesto todos los demás elementos auxiliares, los cuales se definirán a lo largo de éste apartado. El software numera los elementos en función del orden en que han sido agregados a la plantilla de trabajo. Es por esto que en las tablas que se presentan seguidamente, en ocasiones aparecen numeraciones discontinuas para elementos del mismo grupo. Sin embargo, esto no representa mayor problema, ya que, al no ser un modelo excesivamente grande, localizarlos en las plantillas de los correspondientes archivos .tfx es tarea sencilla. El número total de elementos de modelado (entre el ciclo de vapor y el de HTF) usados es de 78 unidades. Igualmente, se definen 78 conexiones que interconectan todos los elementos. En adelante nos referiremos a ellas también como "corrientes" (streams). Se detallarán al final del capítulo. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 18 Figura 3.1: Esquema del ciclo principal de la central Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 19 Equipos y elementos auxiliares del ciclo de vapor: - Cuerpos de turbina (ST Group): Los cuerpos de turbina se modelan mediante el elemento "ST Group". Tenemos un cuerpo de alta con una extracción, y un cuerpo de baja con 4 extracciones. El cuerpo de alta se modela por tanto con 2 items y el de baja con 5. Tabla 3.1: Parámetros (ST Group) ST group Specify inlet enthalphy Design point pressure [bar] Inlet pressure control Inlet pressure drop [%]* Mass flow especified... Inlet fixed flow 1 On 100,00 Sliding pressure 0 Directly No 2 On 42,90 Sliding pressure 0 Directly No 3 On 18,00 Sliding pressure 0 Directly Yes** 4 On 9,95 Sliding pressure 0 Directly No 5 On 4,31 Sliding pressure 0 Directly No 6 On 1,29 Sliding pressure 0 Directly No 7 On 0,433 Sliding pressure 0 Directly No *La caída de presión a la entrada se modelará mediante el ítem "tubería" (pipe). ** Nuestro parámetro de referencia en este modelo será el flujo de vapor (kg/s) a la entrada del cuerpo de baja de la turbina. Se comentará con más detalle al final de este apartado. El conjunto de cuerpos de turbinas compone otro sistema auxiliar que suministra el vapor de sello a la turbina. Dicho vapor de sello se recoge posteriormente y se usa como un paso previo al tren de precalentamiento del vapor. Es por ello que los 7 elementos ST group, se ensamblan (ST Assembly) y se enlazan con un elemento "fuente de agua" (water source) que se definirá posteriormente. Se muestra a continuación para cada grupo un esquema básico, una gráfica H-S de la expansión del vapor y una tabla resumen con todos los balances. Además de otra gráfica solo para el último grupo de las pérdidas a la salida de la turbina. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 26 ST Group 4 Figura 3.8: Esquema ST Group 4 Figura 3.9 Diagrama H-S ST Group 4 5 6 7 8 9 10 2300 2600 2900 3200 3500 Entropy [kJ/kg-C] Enthalpy [kJ/kg] ST Group [4] - ST Expansion Path 0,95 Wilson 0,97 200 C 300 C 400 C 9,952 bar 4,311 bar THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros 2431 05-18-2016 00:48:11 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 27 Tabla 3.5: Variables ST Group 4 Off-design Heat Balance Results ST Group [4] Dry step efficiency 89,13 % Group overall efficiency 89,76 % Group blading efficiency 89,76 % Expansion power 8467 kW Shaft power 8446 kW Mechanical loss 21,16 kW Turbine Inlet Type of inlet control Sliding Pressure 9,952 bar Temperature 317 C Massflow 46,51 kg/s Enthalpy 3088,02 kJ/kg Pressure after inlet loss 9,952 bar HP End Leakage Leak in massflow 0,0398 kg/s Leak in enthalpy 2717,84 kJ/kg Expansion Line Expansion massflow 46,55 kg/s Expansion line initial pressure 9,952 bar Expansion line initial enthalpy 3087,71 kJ/kg Expansion line end pressure 4,311 bar Expansion line end enthalpy 2905,83 kJ/kg Turbine Outlet Pressure 4,311 bar Temperature 222,1 C Massflow 46,55 kg/s Enthalpy 2905,83 kJ/kg Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 28 ST Group 5 Figura 3.10: Esquema ST Group 5 Figura 3.11 Diagrama H-S ST Group 5 5 6 7 8 9 10 2300 2600 2900 3200 Entropy [kJ/kg-C] Enthalpy [kJ/kg] ST Group [5] - ST Expansion Path 0,95 Wilson 0,97 200 C 300 C 4,311 bar 1,29 bar THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros 2431 05-18-2016 00:48:11 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 29 Tabla 3.6: Variables ST Group 5 Off-design Heat Balance Results ST Group [5] Dry step efficiency 91,67 % Group overall efficiency 92,34 % Group blading efficiency 92,34 % Expansion power 9391 kW Shaft power 9368 kW Mechanical loss 23,47 kW Turbine Inlet Type of inlet control Sliding Pressure 4,311 bar Temperature 222,1 C Massflow 43,18 kg/s Enthalpy 2905,83 kJ/kg Turbine Outlet Pressure 1,29 bar Temperature 107,8 C Massflow 43,18 kg/s Enthalpy 2688,32 kJ/kg Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 30 ST Group 6 Figura 3.12: Esquema ST Group 6 Figura 3.13 Diagrama H-S ST Group 6 5 6 7 8 9 10 2200 2400 2600 2800 3000 Entropy [kJ/kg-C] Enthalpy [kJ/kg] ST Group [6] - ST Expansion Path 0,95 0,9 Wilson 0,97 200 C 1,29 bar 0,4331 bar THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros 2431 05-18-2016 00:48:11 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 31 Tabla 3.7: Variables ST Group 6 Off-design Heat Balance Results ST Group [6] Dry step efficiency 92,11 % Group overall efficiency 91,22 % Group blading efficiency 91,22 % Expansion power 6571 kW Shaft power 6555 kW Mechanical loss 16,42 kW Turbine Inlet Type of inlet control Sliding Pressure 1,29 bar Temperature 107,8 C Massflow 40,81 kg/s Enthalpy 2688,32 kJ/kg Pressure after inlet loss 1,29 bar Expansion Line Expansion massflow 40,81 kg/s Expansion line initial pressure 1,29 bar Expansion line initial enthalpy 2688,32 kJ/kg Expansion line end pressure 0,4331 bar Expansion line end enthalpy 2527,32 kJ/kg Turbine Outlet Pressure 0,4331 bar Temperature 77,78 C Massflow 40,81 kg/s Enthalpy 2527,32 kJ/kg Steam quality 0,9516 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 32 ST Group 7 Figura 3.14: Esquema ST Group 7 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 33 Figura 3.15 Diagrama H-S ST Group 7 Figura 3.16: Diagrama pérdidas en el escape ST Group 7 5 6 7 8 9 10 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Entropy [kJ/kg-C] Enthalpy [kJ/kg] ST Group [7] - ST Expansion Path 0,95 0,9 0,85 Wilson 0,97 200 C 0,4331 bar 0,04 bar THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros 2431 05-18-2016 00:48:11 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx 0100 200 300 400 500 0 40 80 120 160 200 Exhaust Annulus Velocity m/s Exhaust Loss kJ/kg ST Group [7] - Exhaust Loss THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros 2431 05-18-2016 00:48:11 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 34 Tabla 3.8: Variables ST Group 7 Off-design Heat Balance Results ST Group [7] Dry step efficiency 70,65 % Group overall efficiency 60,26 % Group blading efficiency 66,4 % Expansion power 7395 kW Shaft power 7376 kW Mechanical loss 18,48 kW Turbine Inlet Type of inlet control Sliding Pressure 0,4331 bar Temperature 77,78 C Massflow 38,21 kg/s Enthalpy 2527,32 kJ/kg Expansion Line Expansion massflow 38,21 kg/s Expansion line initial pressure 0,4331 bar Expansion line initial enthalpy 2527,32 kJ/kg Expansion line end pressure 0,04 bar Expansion line end enthalpy 2314,05 kJ/kg LP End Leakage Leak in massflow 0,0504 kg/s Leak in enthalpy 2743,73 kJ/kg Turbine Outlet Pressure 0,04 bar Temperature 28,97 C Massflow 38,26 kg/s Enthalpy 2334,31 kJ/kg Steam quality 0,9098 Exhaust End Exhaust loss 19,72 kJ/kg Dry exhaust loss 19,72 kJ/kg Annulus velocity (before Exhaust Loss) 189 m/s Volumetric flow per end (before Exhaust Loss) 1197,5 m^3/s Number of ends 1 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 35 Last stage rotor exit angle 64,24 degre es Blade length 808,3 mm Pitch diameter 2494,5 mm Annulus area per end 6,334 m^2 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 42 - Desaireador (Deareator): Este equipo se encarga de extraer el aire o cualquier tipo de gas que puede aparecer debido a filtraciones o que simplemente acompañan al agua de aporte disueltos. Tabla 3.10: Parámetros Desaireador Deaerator DA pressure specificaion mode Design pressure Heating flow priority 13 Specified by user 9,476 Weak Este elemento precisará una curva de ajuste propia para adecuar su funcionamiento cuando modelemos el régimen dinámico. Se presenta su esquema, una tabla resumen con los balances y su diagrama T-Q. Figura 3.27: Esquema Desaireador Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 43 Figura 3.28: Diagrama T-Q Desaireador Tabla 3.11: Variables Desaireador Off-design Heat Balance Results Deaerator [13] Pressure 9,476 bar Saturation temperature 177,6 C Feedwater storage 27640 l Feedwater Inlet Pressure 10,67 bar Temperature 139,8 C Enthalpy 588,5 kJ/kg Mass flow 46,52 kg/s Additional water head at inlet 12,19 m H2O Heating Stream Pressure 9,481 bar Temperature 306,1 C Enthalpy 3066 kJ/kg Mass flow 2,706 kg/s Pegging stream Pressure 19,47 bar Temperature 211 C Enthalpy 902,5 kJ/kg Mass flow 0 kg/s -1000 1000 3000 5000 7000 9000 100 150 200 250 300 350 Heat Transfer [kW] Temperature [C] Deaerator [13] - TQ Diagram THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros File = 2431 05-18-2016 21:36:25 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 44 Flash in Pressure 19,16 bar Temperature 210,2 C Enthalpy 898,8 kJ/kg Mass flow 9,316 kg/s Feedwater Outlet Pressure 10,67 bar Temperature 177,6 C Enthalpy 752,4 kJ/kg Mass flow 58,58 kg/s Additional water head at outlet 12,19 m H2O - Condensador (Water-cooled condenser): Fija la presión de salida de la turbina en 0,04 bar. Precisa de una corriente de agua de refrigeración que será modelada posteriormente, aunque en el esquema ya se presentan sus balances. Tabla 3.12: Parámetros Condensador Water-cooled condenser Design point pressure [bar] Design point cooling water Tª rise [ºC] Design point minimun pinch [ºC] 15 0,04 8 2 Esquema y diagrama T-Q se exponen a continuación. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 45 Figura 3.29: Esquema Condensador Figura 3.30: Diagrama T-Q Condensador 020000 40000 60000 80000 100000 10 14 18 22 26 30 Heat Transfer [kW] Temperature [C] Water-cooled Condenser [15] - TQ Diagram THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros File = 2431 05-18-2016 21:36:25 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 46 - Separador de mezcla (Moisture Separator (Water)): Este elemento presenta ligeras diferencias en cuanto al funcionamiento respecto al suministrado por la empresa a cargo del proyecto. Una de las razones principales es que nuestro criterio de control de este modelo ha sido el de tomar como referencia el caudal de entrada en la turbina de baja. Los cálculos que realiza el software por tanto priorizan la corriente principal de este elemento que es predecesora inmediata de nuestra corriente de referencia (ver capítulo 2, página 11). Tabla 3.13: Parámetros Separador de mezcla Moisture Separator (Water) Type of moisture separator dP/P across the moisture separator Liquid drain flow priority selection 18 Moisture removal only 0,015 Priority propagated from inlet or outlet El esquema del elemento es el siguiente. Figura 3.31: Esquema Separador de mezcla Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 47 - Intercambiador de calor (General HX-S): En la planta real se encuentra tras la bomba a la salida del condensador. En nuestro modelo además aparece previo a estos dos elementos el ítem makeup (agua de maquillaje) que se define más adelante. Aunque los intercambiadores vapor-HTF se modelan con el mismo elemento, se presentarán en el siguiente apartado por claridad. Tabla 3.14: Parámetros Intercambiador de calor vapor/vapor General HX-S HX S Specification A outlet state (Temperature) [ºC] A outlet state (Quality) Minimun pinch [ºC] 16 Specify A outlet state 94,34 Subcooled 2,78 A continuación, se muestra el esquema, el diagrama T-Q y los datos del balance. Figura 3.32: Esquema Intercambiador de calor vapor/vapor Figura 3.33: Diagrama T-Q Intercambiador de calor vapor/vapor 040 80 120 160 200 240 0 30 60 90 120 150 Heat Transfer [kW] Temperature [C] General HX-S [16] - TQ Diagram THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros File = 2431 05-18-2016 21:36:25 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 48 Tabla 3.15: Variables Intercambiador de calor vapor/vapor Off-design Heat Balance Results General HX-S [16] A Path - Water Molecular weight 18,02 Inlet pressure 1,007 bar Inlet temperature 133,5 C Inlet flow 0,0827 kg/s Inlet enthalpy 2743,7 kJ/kg Exit pressure 1,007 bar Exit temperature -273,2 C Exit enthalpy 395,8 kJ/kg Pressure drop 0 bar B Path - Water Molecular weight 18,02 Inlet pressure 11,55 bar Inlet temperature 28,72 C Inlet flow 46,52 kg/s Inlet enthalpy 121,4 kJ/kg Exit pressure 11,33 bar Exit temperature -273,2 C Exit enthalpy 125,5 kJ/kg Pressure drop 0,2266 bar Performance Heat transfer 194,2 kW Heat loss 0 kW Current UA 2,738 kW/C Design point UA 2,738 kW/C Pinch 65,76 C Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 49 - Bombas (General Pump): Son las encargadas de mover el condensado/vapor por los conductos del ciclo. Se encuentran en la parte del tren de precalentadores, ya que en el tramo de la turbina el vapor avanza por simple diferencia de presión. Los datos de los que disponemos para ajustar nuestro modelo son insuficientes para realizar definiciones previas relevantes respecto a este elemento, con lo que permitiremos que el software calcule sus parámetros. Tabla 3.16: Parámetros Bombas General Pump Pump type 14 Multistage centrifugal 17 Multistage centrifugal Queremos incidir por tanto en que los resultados que se presentan para los elementos listados son la propuesta que el propio software realiza en función del resto de indicaciones dadas por el usuario. Si bien, sería sencillo establecer condiciones adicionales sobre las bombas. No obstante, en cualquier caso, el empleo de un equipo de bombeo u otro no tendría un impacto en los resultados más allá del de afectar al consumo eléctrico de los mismos. En las páginas siguientes se muestran el esquema básico de los elementos de bombeo, sus curvas características Altura-Caudal y datos de sus balances. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 50 General Pump 14 Figura 3.34: Esquema Bomba 14 Figura 3.35: Curva Altura-Caudal Bomba 14 General Pump [14] (Water/Steam) A A B B C C D D E E F F 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 Thermoflow, Inc. Date: 05/19/16 Company: AICIA - Escuela Superior de Ingernieros User: Carmina Drawing No: General Pump [14] (Water/Steam) 50 100 Efficiency (%) 500 1000 1500 2000 Head (m) Nameplate Min flow Max flow Current 020 40 60 80 Flow (kg/s) No. per station 1 No. operating per station 1 Nameplate flow 61,63 kg/s Nameplate head 1248 m Nameplate flow (nominal) 4164 lpm Nameplate head (nominal) 1280,2 m Nameplate RPM 3000 Current pump flow 58,58 kg/s Current head 1282,5 m Current head after valve 1123,6 m Current RPM 3000 Minimum continuous flow 12,33 kg/s Maximum continuous flow 80,12 kg/s THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros 2431 05-18-2016 21:36:25 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 51 Tabla 3.17: Variables Bomba 14 Off-design Heat Balance Results - Network determines flow General Pump [14] Type Fixed RPM Number per station 1 Number operating 1 Suction Side (each) Pressure 10,67 bar Temperature 177,6 C Mass flow 58,58 kg/s Enthalpy 752,4 kJ/kg Density 889,7 kg/m^3 Delivery Side (each) Pressure 108,7 bar Temperature 180,2 C Mass flow 58,58 kg/s Enthalpy 769,3 kJ/kg Performance Data (each) Pump pressure rise 111,9 (1282,5) bar (m) Pressure rise after valve pressure drop 98,03 (1123,6) bar (m) Pump shaft speed 3000 RPM Pump isentropic efficiency 74,73 % Pump apparent isentropic efficiency 65,47 % Pump hydraulic work 985,9 kW Pump mechanical efficiency 96,95 % Pump shaft work 1016,9 kW Recirculation ratio 0 Recirculation cooling load 0 kW Motor efficiency 96,49 % Electricity consumption 1053,9 kW Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 58 - Válvulas (Valve): El modelado de válvulas puede omitirse en algunos casos, si bien, aunque en nuestro esquema solo era absolutamente necesario modelar la primera válvula del tren de precalentamiento (Valve[32]), se ha optado por definir las 5 por precisión, respecto al esquema suministrado por el equipo del proyecto, y claridad. Téngase en cuenta que en todo momento, tratamos de adaptarnos al esquema de funcionamiento provisto, con lo que las pérdidas de presión en las válvulas ha sido ajustadas para conseguir los parámetros indicados en cada corriente de forma práctica. Es por ello, que sobre algunas se define una pérdida de carga nula, ya que, en tales casos, es el propio ítem del recalentador el que regula dicha presión. Tabla 3.22: Parámetros Válvulas Valve Valve Function dP/P @VWO* [%] Downstream set point [bar] 28 Wide open 0 - 29 Wide open 0 - 30 Wide open 0 - 31 Wide open 2 - 32 Downstream set point pressure 0 0,04 * @VWO: Referido a Valve Wide Open (Válvula Completamente Abierta) Los esquemas de las válvulas 28, 29 y 30 no aportan información relevante, ya que no modifican los parámetros de las corrientes que pasan por ellas. Por este motivo se omite presentar su esquema. Los correspondientes a las válvulas 31 y 32 sí se muestran a continuación. Valve 31 Figura 3.44: Esquema Válvula 31 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 59 Valve 32 Figura 3.45: Esquema Válvula 32 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 60 - Divisores y mezcladores de corrientes (Splitter/Mixer): Estos elementos modelan cualquier división o mezcla de caudal. Se usan entre otras funciones para representar las extracciones entre los diferentes cuerpos de turbina. Aunque en la realidad tal proceso diste mucho de una simple bifurcación de tuberías, la posibilidad de definir pérdidas de carga asociadas a tal separación los convierte en unos elementos muy versátiles. Por supuesto, ya que la prioridad del flujo se establece como "débil", la fracción deseada por cada nodo es simplemente una indicación aproximada y serán en general recalculadas. No obstante, definirlas implica la realización de un menor número de iteraciones. Tabla 3.23: Parámetros Divisores y Mezcladores de corrientes SP/MX Tipo Desired flow fraction of 1st clockwise node Desired flow fraction into 1st clockwise node Flow fractions priority 19 Splitter 0,9 - Weak 20 Splitter 0,94 - Weak 21 Splitter 0,9455 - Weak 22 Splitter 0,9 - Weak 23 Splitter 0,94 - Weak 24 Splitter 0,93 - Weak 48 Mixer - 0,5 (default value) Weak 52 Mixer - 0,5 (default value) Weak No obstante, en la realización de este proyecto se ha optado por usar un modelo ideal de estos elementos e implementar las pérdidas de carga asociándolas a los elementos "Tubería" (Pipe). Por ello, simplemente se presentan a modo ilustrativo los esquemas correspondientes a los dos tipos (Mixer y Splitter). La información relativa a las corrientes que los atraviesan en cada caso queda definida en la sección "Corrientes (Streams)" de este mismo capítulo. Modelo Splitter (19) y Mixer (48) Figura 3.46: Esquemas Divisor (19) y Mezclador (18) de corriente Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 61 - Tuberías (Pipe): Este elemento se encarga de modelar tramos de conductos, en los que se definen pérdidas de carga o pérdidas térmicas importantes. En algunos sectores del modelo se omite cuantificar las pérdidas mediante el ítem debido a que otro elemento se encarga de modelar tales pérdidas, como por ejemplo la valvulería del tren de precalentamiento definida anteriormente. En general, tampoco se van a incluir pérdidas térmicas, ya que no tenemos información precisa sobre ellas. En cualquier caso, éstas son prácticamente despreciables. Tabla 3.24: Parámetros Tuberías Pipe Pipe heat loss [kJ/kg] dP/P across pipe 35 0 0,024 36 0 0,028 37 0 0,03 38 0 0 39 0 0 40 0 0,01 41 0 0,05 42 0 0,05 43 0 0,03 44 0 0,03 45 0 0,076 46 0 0 47 0 0 Similarmente a los elementos Mixer/Splitter, los ítems "Pipe" se presentarán con un esquema tipo, y sus entradas y salidas son definidas en la sección "Corrientes (Streams)". Modelo Pipe (38) Figura 3.47: Esquema Tubería 38 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 62 Estos serían todos los elementos que forman parte del ciclo de vapor. Se presenta a continuación el esquema de nuestro modelo creado en Thermoflex figura 3.2. Las corrientes 7, 24, 25 y 35 son las entradas y salidas (respectivamente 2 a 2) a los intercambiadores vapor/HTF. El icono anaranjado sobre el ST Group 1 representa que todos los grupos señalados con un punto naranja forman parte del mismo bloque (ST Assembly 1). Por su parte, el icono G1 conectado al último cuerpo de turbina (ST Group 7) nos indica la potencia bruta que desarrolla nuestro ciclo (54.767 MW). Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 63 Figura 3.48: Ciclo de vapor completo Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 64 3.2 Modelo del ciclo de HTF De igual modo que con el ciclo de vapor, se definirán los elementos del ciclo del HTF. En esta sección se incluyen los intercambiadores vapor/HTF de los que el ciclo de vapor obtiene la energía que hace funcionar la turbina. Se ha de remarcar que se ha obviado la parte relativa a las calderas auxiliares de aceite térmico, ya que puesto que el objetivo de nuestro proyecto ha sido en todo momento el de simular el funcionamiento dinámico de esta planta en un año tipo. Las calderas simplemente representan una protección frente a la congelación del HTF y no influyen de forma directa en el funcionamiento del ciclo. Es preciso mencionar una vez más que el diseño del campo solar atiende a una decisión tomada en el transcurso del modelado, y que no coincide en todos los casos con lo especificado en la memoria descriptiva (ver capítulo 1). Si bien, como se comprobará posteriormente, de plantearse un modelo de "caja negra", nuestro modelo funciona de forma similar al esquema suministrado por el equipo del proyecto en el punto de diseño establecido. Equipos y elementos auxiliares del ciclo de HTF: - Campo solar con almacenamiento (Solar field w/ Storage): Este elemento es el más complejo de todo el modelo, ya que simula el comportamiento de varios equipos con distintas funciones. Las decisiones a las que hacíamos mención en el apartado 1.4 (Modificaciones en el proceso de modelado) son relativas a este ítem. Si bien, aunque es posible definir una gran cantidad de parámetros, no es sencillo acomodar el funcionamiento a un esquema previsto. Adelantamos que no ha sido posible satisfacer todas las condiciones redactadas en la memoria descriptiva. De modo que nuestro objetivo será aproximarnos todo lo posible a las condiciones de trabajo establecidas por el equipo del proyecto, y en menor medida, adaptarnos a la física de los equipos reales, tales como pueden ser el número de lazos o las medidas de los mismos. Los parámetros predefinidos por el usuario se presentan en esta ocasión en formato de lista, y no en formato de tabla como se ha hecho en el resto del documento. Solar field w/ Storage [66]: · ED Main Inputs - Desired mass flow: 620 kg/s - Desired solar multiple: 2 - Desired exit temperature: 393 ºC - Flow priority: Strong Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 65 · Irradiance* - Irradiance Specification: User-defined at aperture - Aperture Normal Direct Irradiance: 850 W/m2 · Collector Design - Reflector aperture width: 5,77 m - Reflector focal length: 1,71 m - Number reflector row per flow path: 2 - Number reflector row banks: 12 · Flow path hardware - Flow path hardware design: Automatic · Storage - Hours of storage: 9,3 h - Cold tank temperature - Network return temperature: 1 ºC - Field exit temperature - Hot tank temperature: 13 ºC Se exponen a continuación el esquema del ítem, todos los datos de balances y características de los equipos modelados por el elemento y un diagrama del funcionamiento del sistema de almacenamiento. Se omiten no obstante los esquemas de la distribución del campo y los de la morfología de los captadores, ya que, aunque funcionan de forma equivalente a los del diseño real, no son fieles en cuanto al resto de características. No obstante, si adjuntamos una tabla informativa con los valores de los parámetros con los que trabaja el programa. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 66 Modelo Figura 3.49: Esquema Campo solar Tabla 3.25: Variables Campo solar Off-design Heat Balance Results Solar Field w/ Storage [66] Heat transfer fluid type DOWTHERM A LIQUID HTF concentration 100 % 1. Irradiance Irradiance specification: User-defined aperture irradiance Aperture normal direct irradiance 850 W/m^2 2. Heat Balance Heat transfer to network 139203 kW Percent of heat supplied by field 100 % Percent of heat supplied by storage 0 % Network inlet: Mass flow 620 kg/s Pressure 21,04 bar Temperature 303,6 C Enthalpy 1013,8 kJ/kg Network exit: Mass flow 620 kg/s Pressure 15 bar Temperature 393 C Enthalpy 1238,3 kJ/kg Inlet Header: Mass flow 1255,8 kg/s Pressure 21,04 bar Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 67 Temperature 304,9 C Enthalpy 1016,8 kJ/kg Heat loss in header 2190,6 kW Collector Inlet: Mass flow 1255,8 kg/s Pressure 19,45 bar Temperature 304,1 C Enthalpy 1015 kJ/kg Inlet tube velocity 2,206 m/s Collector Exit: Mass flow 1255,8 kg/s Pressure 16,59 bar Temperature 394,3 C Enthalpy 1241,8 kJ/kg Tube velocity at collector exit 2,57 m/s Exit Header: Mass flow 1255,8 kg/s Pressure 15 bar Temperature 393 C Enthalpy 1238,3 kJ/kg Heat loss in header 4381 kW Storage HX Inlet - Field side: Mass flow 635,8 kg/s Pressure 24,21 bar Temperature 393,7 C Enthalpy 1240,1 kJ/kg Storage HX Exit - Field side: Mass flow 635,8 kg/s Pressure 21,04 bar Temperature 306,1 C Enthalpy 1019,7 kJ/kg Storage HX Inlet - Storage side: Mass flow 1224,9 kg/s Pressure 6,728 bar Temperature 304,8 C Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 74 Tabla 3.29: Variables Intercambiador de calor vapor/HTF 67 Off-design Heat Balance Results General HX [67] Main Path - Water Molecular weight 18,02 Inlet pressure 104,5 bar Inlet temperature 247,5 C Inlet flow 58,58 kg/s Inlet enthalpy 1073,7 kJ/kg Exit pressure 102,4 bar Exit temperature 384,8 C Exit enthalpy 3043 kJ/kg Pressure drop 2,048 bar Secondary Path - Heat Transfer Fluid Heat transfer fluid DOWTHERM A LIQUID HTF concentration 100 % Inlet pressure 15 bar Inlet temperature 393 C Inlet flow 530,7 kg/s Inlet enthalpy 1238,3 kJ/kg Exit pressure 14,71 bar Exit temperature 305,7 C Exit enthalpy 1018,7 kJ/kg Pressure drop 0,294 bar Performance Heat transfer 115360 kW Heat loss 1165,2 kW Current UA 4337 kW/C Design point UA 4337 kW/C Pinch 7,663 C Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 75 General HX - S 68 Figura 3.53: Esquema Intercambiador de calor HTF/vapor 68 Figura 3.54: Diagrama T-Q Intercambiador de calor HTF/vapor 68 010000 20000 30000 160 220 280 340 400 460 Heat Transfer [kW] Temperature [C] General HX [68] - TQ Diagram THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros File = 2431 05-24-2016 10:45:40 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 76 Tabla 3.30: Variables Intercambiador de calor HTF/vapor 68 Off-design Heat Balance Results General HX [68] Main Path - Water Molecular weight 18,02 Inlet pressure 19,28 bar Inlet temperature 210,5 C Inlet flow 48,43 kg/s Inlet enthalpy 2719,3 kJ/kg Exit pressure 18,9 bar Exit temperature 385 C Exit enthalpy 3217 kJ/kg Pressure drop 0,3779 bar Secondary Path - Heat Transfer Fluid Heat transfer fluid DOWTHERM A LIQUID HTF concentration 100 % Inlet pressure 15 bar Inlet temperature 393 C Inlet flow 89,29 kg/s Inlet enthalpy 1238,3 kJ/kg Exit pressure 14,71 bar Exit temperature 283 C Exit enthalpy 965,5 kJ/kg Pressure drop 0,2949 bar Performance Heat transfer 24111 kW Heat loss 243,5 kW Current UA 648 kW/C Design point UA 647,9 kW/C Pinch 7,991 C Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 77 - Bomba de HTF (General Pump): Este elemento es el mismo que usamos para el ciclo de vapor. La definición del fluido de trabajo se realiza mediante el ítem que se explica a continuación de éste. Una vez más, carecemos de información con la que elegir parámetros determinantes de la bomba, con lo que permitiremos que el software se encargue de seleccionar sus características. Tabla 3.31: Parámetros Bomba HTF General Pump Pump type 71 Single stage centrifugal Se muestra a continuación su esquema básico, los datos de balance y la correspondiente curva AlturaCaudal. Figura 3.55: Esquema Bomba HTF Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 78 Figura 3.56: Curva Altura-Caudal Bomba HTF General Pump [71] (Heat Transfer Fluid) A A B B C C D D E E F F 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 Thermoflow, Inc. Date: 05/24/16 Company: AICIA - Escuela Superior de Ingernieros User: Carmina Drawing No: General Pump [71] (Heat Transfer Fluid) 50 100 Efficiency (%) 100 200 Head (m) Nameplate Min flow Max flow Current 0500 1000 1500 2000 Flow (kg/s) No. per station 1 No. operating per station 1 Nameplate flow 1240 kg/s Nameplate head 156,7 m Nameplate flow (nominal) 94635 lpm Nameplate head (nominal) 167,6 m Nameplate RPM 1500 Current pump flow 620 kg/s Current head 196 m Current head after valve 78,38 m Current RPM 1500 Minimum continuous flow 248 kg/s Maximum continuous flow 1488 kg/s THERMOFLEX Version 25.0 Revision: June 9, 2015 Carmina AICIA - Escuela Superior de Ingernieros 2431 05-24-2016 14:36:09 file= C:\Users\Carmina\Desktop\Eloy\Curso 2015-2016\PFC\Modelo Central Ingeteam\Modo 2\Modelo Central_modo2_design_model.tfx Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 79 Tabla 3.32: Variables Bomba HTF Off-design Heat Balance Results - Network determines flow General Pump [71] Type Fixed RPM Number per station 1 Number operating 1 Suction Side (each) Pressure 14,71 bar Temperature 302,5 C Mass flow 620 kg/s Enthalpy 1011,1 kJ/kg Density 804,2 kg/m^3 Delivery Side (each) Pressure 20,89 bar Temperature 303,6 C Mass flow 620 kg/s Enthalpy 1013,8 kJ/kg Performance Data (each) Pump pressure rise 15,46 (196) bar (m) Pressure rise after valve pressure drop 6,182 (78,38) bar (m) Pump shaft speed 1500 RPM Pump isentropic efficiency 71,05 % Pump apparent isentropic efficiency 28,41 % Pump hydraulic work 1677,2 kW Pump mechanical efficiency 96,17 % Pump shaft work 1743,9 kW Recirculation ratio 0 Recirculation cooling load 0 kW Motor efficiency 96,5 % Electricity consumption 1807,3 kW Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 80 Selección del fluido de transmisión de calor (HTF Specification): Este elemento se usa simplemente para definir el fluido de trabajo en un ciclo. No afecta en ningún momento a los parámetros de la corriente ya que no se corresponde con ningún equipo físico. En nuestro caso el fluido usado es el Dowtherm A. Este fluido está diseñado para trabajar con una temperatura máximas de 427,6 ºC y una mínima de 12,78 ºC. El resto de características pueden consultarse en un manual especializado. Tabla 3.33: Parámetros Elemento HTF Specification HTF Specification Fluid definition Function Flow priority 74 Pick fluid from library Enforce continuity Very weak El esquema de este ítem es el siguiente: Figura 3.57: Esquema Elemento HTF Specification Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 81 - Tuberías HTF (Pipe): Este elemento es el mismo que se utilizó para el ciclo de vapor. Si bien, aunque se implementaron desde el principio para poder tener en cuenta las pérdidas de calor y/o presión que se produjesen en este circuito, no hemos tenido acceso a datos que nos permitiesen definirlas. Es por ello, que se han considerado ideales en el desarrollo del proyecto, y a todos los efectos, es como si no existieran. No obstante, entendemos que cualquier pérdida de presión producida en los conductos, podría ser suministrada por la bomba. A tal efecto, podemos considerar que los datos del consumo de la bomba (General Pump [71]) están subvalorados y, por consiguiente, los valores del rendimiento del sistema son ligeramente superiores a los reales. En el modelado, no obstante, aparecen gráficamente representados sus iconos, coincidentes en cualquier caso con el modelo presentado para el ciclo de vapor. Su numeración corresponde a los elementos: Pipe 72, 73, 75, 76, 77 y 78. Los flujos que circulan por ellos se representan en el apartado Corrientes (Streams). Una vez presentados todos los elementos que forman parte del modelo del ciclo de HTF, mostramos el esquema de dicho circuito figura 3.3. Las etiquetas de las corrientes 7, 24, 25 y 35 conectan directamente con el ciclo de vapor. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 82 Figura 3.58: Esquema Circuito HTF Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 83 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 90 El procedimiento de ajuste será equivalente para cada situación. En primer lugar, ajustamos el caudal de vapor que circula por la turbina. Como se ha explicado anteriormente, nuestra regulación la realizamos modificando el flujo másico de entrada al cuerpo de baja, con lo que tendremos que ir probando hasta conseguir los 44,43 kg/s en la entrada al cuerpo de alta de la turbina. Acto seguido desconectamos el sistema de almacenamiento del campo solar, abrimos todos los lazos de los receptores y vamos disminuyendo la irradiación solar (con una precisión de 1W/m2) hasta lograr la potencia bruta indicada. Llegados aquí, comprobamos si existen errores en el sistema. Normalmente, una vez ajustada la potencia, el caudal de vapor vivo se ve afectado, ya que el programa trata de mantener las condiciones iniciales de trabajo de la turbina, con lo que recalcula el agua de aporte de las fuentes disponibles. Por otro lado, si las condiciones de trabajo de alguno de los equipos distan demasiado de las calculadas para el punto de diseño, el programa nos lo notificará y el cálculo se detendrá. En cualquiera de los dos casos, deberemos volver a ajustar el caudal e iterar en el procedimiento. Nuestra prioridad es conseguir que la turbina trabaje al 75% de la carga con el menor nivel de radiación posible, lo que implica a la postre alcanzar el mayor rendimiento posible en el sistema. El ajuste óptimo para nuestro modelo trabajando a dicho porcentaje de carga se obtiene para los siguientes valores de los parámetros listados a continuación: - Stream 26 (Caudal de entrada al cuerpo de baja): 37,35 kg/s - *Pmín (Presión mínima de trabajo en el desaireador): 6,633 bar - Id (Irradiación mínima necesaria para este régimen de trabajo): 369 W/m2 *Este parámetro no se ve modificado respecto a la situación de trabajo al 100% de la carga en este supuesto, pero sí será necesario en los siguientes. Las condiciones conseguidas para nuestro modelo son las siguientes: · ṁvv = 44,44 kg/s · pvv = 74,15 bara · Tvv = 342,4 ºC · Pbruta = 41,35 MWe Tales condiciones se valoran como suficientemente aproximadas a las de referencia, con la salvedad de la temperatura, que como se comprobará también en las siguientes situaciones de carga, será sensiblemente menor. No obstante, lejos de suponer un inconveniente (siempre que se no existan problemas de condensación en los escalonamientos de turbina), la disminución de la temperatura resulta favorable. Es por ello que consideramos el ajuste para esta situación concluido satisfactoriamente. A continuación, se exponen una tabla con los parámetros principales de todas las corrientes en este supuesto de carga: Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 91 Tabla 4.1: Corrientes del ciclo de vapor y del ciclo de HTF al 75% de carga Nº Corriente Fluido P [bar] T [ºC] M [kg/s] H [kJ/kg] 1 Water 0,3923 25,34 36,15 106,2 2 Water 74,14 342,3 44,43 2980,3 3 Water 32,44 238,5 43,95 2804,2 4 Water 32,44 238,5 4,447 2804,2 5 Water 31,78 237,3 4,447 2804,2 6 Water 77,39 233,2 44,43 1006,3 7 Water 75,9 343,9 44,43 2980,3 8 Water 32,44 238,5 39,51 2804,2 9 Water 15,35 199,4 39,38 2679,5 10 Water 15,35 199,4 1,981 2679,5 11 Water 14,95 198,2 1,981 2679,5 12 Water 78,59 194 44,43 828,1 13 Water 31,78 237,1 4,447 1023,6 14 Water 15,35 199,4 37,39 2679,5 15 Water 15,35 199,4 37,39 2679,5 16 Water 31,78 237,1 4,447 1023,6 17 Water 14,95 198,2 6,428 844,1 18 Water 14,95 198,2 6,428 844,1 19 Water 8,665 167,6 44,43 708,6 20 Water 79,82 171,2 44,43 728,3 21 Water 15,12 198,7 0,044 846,5 22 Water 15,12 198,7 0,044 846,5 23 Water 15,12 198,7 37,35 2681,8 24 Water 77,39 233,2 44,43 1006,3 25 Water 14,69 388,7 37,35 3232 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 92 26* Water 13,99 387,2 37,35 3230 27 Water 7,775 321,1 37,8 3102 28 Water 7,775 321,1 1,736 3102 29 Water 7,469 305,5 1,929 3070 30 Water 8,665 132,7 36,03 558 31 Water 7,775 321,1 36,07 3102 32 Water 3,386 226,5 36,1 2918,6 33 Water 3,386 226,5 2,429 2918,6 34 Water 3,302 226,3 2,429 2918,6 35 Water 14,98 198,2 37,35 2681,8 36 Water 3,302 136,8 2,429 575,6 37 Water 8,793 95,34 36,03 400,1 38 Water 3,386 226,5 33,67 2918,6 39 Water 3,302 136,8 2,429 575,6 40 Water 1,018 111,4 33,67 2699 41 Water 1,018 111,4 1,652 2699 42 Water 0,9949 111,3 1,652 2699 43 Water 1,018 111,4 32,02 2699 44 Water 0,3399 71,99 32,02 2536,7 45 Water 0,3399 71,99 2,089 2536,7 46 Water 0,315 70,22 2,089 2536,7 47 Water 0,9949 99,47 4,081 416,8 48 Water 0,9845 99,17 4,081 416,8 49 Water 8,924 67,86 36,03 284,8 50 Water 0,3399 71,99 29,93 2536,7 51 Water 0,0334 25,88 29,98 2346,5 52 Water 0,0334 25,88 29,98 2346,5 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 93 53 Water 1,014 12,62 2536 53,02 54 Water 0,1168 18,98 2536 79,55 55 Water 0,315 30,23 6,17 126,6 56 Water 0,0334 25,88 6,17 126,6 57 Water 0,0334 25,88 36,15 1967,5 58 Water 0,3923 25,34 36,03 106,2 59 Water 9,193 25,76 36,03 108,8 60 Water 9,057 26,57 36,03 112,2 61 Water 1,007 133,5 0,0466 2743,7 62 Water 1,007 29,86 0,0466 125,2 63 Water 7,775 174,8 0,1936 2781,3 64 Water 7,775 305,8 1,929 3070 79 HTF 15 393 390,8 1238,3 80 HTF 15 393 390,8 1238,3 81 HTF 15 393 390,8 1238,3 82 HTF 15 393 314,7 1238,3 83 HTF 15 393 76,17 1238,3 84 HTF 15 393 314,7 1238,3 85 HTF 15 393 76,17 1238,3 86 HTF 14,9 279,2 314,7 956,7 87 HTF 14,79 283 76,17 965,5 88 HTF 14,9 279,2 314,7 956,7 89 HTF 14,79 283 76,17 965,5 90 HTF 14,79 279,9 390,8 958,4 91 HTF 15,7 281,6 390,8 962,3 92 HTF 15,7 281,6 390,8 962,3 *El flujo másico de esta corriente es nuestro parámetro de control del ciclo y está fijado. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 94 4.1.2 Funcionamiento al 50% de carga Condiciones del vapor vivo y potencia pretendidas: · ṁvv = 29,67 kg/s · pvv = 50,80 bara · Tvv = 360,7 ºC · Pbruta = 27,50 MWe El procedimiento de ajuste es equivalente al del caso anterior, con la salvedad de que ahora además debemos incluir la presión mínima del desaireador como variable. En primer lugar, ajustamos el caudal de vapor que circula por la turbina. Análogamente, modificamos el flujo másico de entrada al cuerpo de baja, desconectamos el sistema de almacenamiento del campo solar, abrimos todos los lazos de los receptores y vamos disminuyendo la irradiación solar (con una precisión de 1W/m2) hasta lograr la potencia bruta indicada. Llegados aquí, comprobamos posibles errores en el sistema. En este caso, el programa devuelve un error relativo a un balance de energía erróneo. Se debe a que la presión mínima fijada para el desaireador en el punto de diseño es demasiado alta para ser satisfecha con las condiciones de presión permitidas por el nuevo caudal másico que circula por esa parte del circuito. Una vez incluida esta nueva variable continuamos con el proceso iterativo. De nuevo, nuestra prioridad es conseguir que la turbina trabaje al 50% de la carga con el menor nivel de radiación posible. El ajuste óptimo para nuestro modelo trabajando al 50% de la carga se obtiene para los siguientes valores de los parámetros listados a continuación: - Stream 26 (Caudal de entrada al cuerpo de baja): 25,55 kg/s - Pmín (Presión mínima de trabajo en el desaireador): 4,761 bar - Id (Irradiación mínima necesaria para este régimen de trabajo): 273 W/m2 Las condiciones conseguidas para nuestro modelo son las siguientes: · ṁvv = 29,68 kg/s · pvv = 48,98 bara · Tvv = 305,3 ºC · Pbruta = 27,56 MWe Tales condiciones se valoran como suficientemente aproximadas a las de referencia, de nuevo, con la salvedad de la temperatura. Se presenta seguidamente la tabla con los parámetros principales de todas las corrientes en este supuesto de carga: Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 95 Tabla 4.2: Corrientes del ciclo de vapor y del ciclo de HTF al 50% de carga Nº Corriente Fluido P [bar] T [ºC] M [kg/s] H [kJ/kg] 1 Water 0,3861 21,94 24,92 91,96 2 Water 49,03 305,3 29,68 2945,6 3 Water 21,89 217 29,36 2778,3 4 Water 21,89 217 2,514 2778,3 5 Water 21,58 216,3 2,514 2778,3 6 Water 51,15 213,9 29,68 916,7 7 Water 50,19 306,6 29,68 2945,6 8 Water 21,89 217 26,84 2778,3 9 Water 10,57 182,3 26,75 2659,7 10 Water 10,57 182,3 1,167 2659,7 11 Water 10,38 181,5 1,167 2659,7 12 Water 51,69 178,8 29,68 759,9 13 Water 21,58 216,3 2,514 926,4 14 Water 10,57 182,3 25,59 2659,7 15 Water 10,57 182,3 25,59 2659,7 16 Water 21,58 216,3 2,514 926,4 17 Water 10,38 181,5 3,681 769,8 18 Water 10,38 181,5 3,681 769,8 19 Water 6,424 153,5 29,68 647,5 20 Water 52,23 158,6 29,68 672,3 21 Water 10,42 181,7 0,0358 770,6 22 Water 10,42 181,7 0,0358 770,6 23 Water 10,42 181,7 25,55 2662,4 24 Water 51,15 213,9 29,68 916,7 25 Water 10,12 391 25,55 3245 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 96 26* Water 9,646 389,7 25,55 3243 27 Water 5,395 324,5 25,85 3114 28 Water 5,395 324,5 1 3114 29 Water 5,228 298,2 1,194 3060 30 Water 6,424 122,1 24,77 513 31 Water 5,395 324,5 24,85 3114 32 Water 2,363 230,2 24,87 2930,1 33 Water 2,363 230,2 1,524 2930,1 34 Water 2,316 230,1 1,524 2930,1 35 Water 10,32 181,3 25,55 2662,4 36 Water 2,316 124,9 1,524 524,7 37 Water 6,485 87,04 24,77 365 38 Water 2,363 230,2 23,35 2930,1 39 Water 2,316 124,9 1,524 524,7 40 Water 0,7135 114,4 23,35 2708,5 41 Water 0,7135 114,4 1,061 2708,5 42 Water 0,6995 114,4 1,061 2708,5 43 Water 0,7135 114,4 22,29 2708,5 44 Water 0,2383 63,9 22,29 2546,5 45 Water 0,2383 63,9 1,333 2546,5 46 Water 0,2242 62,54 1,333 2546,5 47 Water 0,6995 89,91 2,585 376,6 48 Water 0,6958 89,77 2,585 376,6 49 Water 6,546 61,04 24,77 256 50 Water 0,2383 63,9 20,95 2546,5 51 Water 0,0272 22,47 21,01 2369,8 52 Water 0,0272 22,47 21,01 2369,8 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 97 53 Water 1,014 12,62 2536 53,02 54 Water 0,1168 17,15 2536 71,91 55 Water 0,2242 24,68 3,918 103,4 56 Water 0,0272 22,47 3,918 103,4 57 Water 0,0272 22,47 24,92 2013,6 58 Water 0,3861 21,94 24,77 91,96 59 Water 6,674 22,56 24,77 95,18 60 Water 6,609 22,77 24,77 96,03 61 Water 1,007 123,8 0,0081 2724,1 62 Water 1,007 22,57 0,0081 94,66 63 Water 5,395 167,4 0,1936 2781,3 64 Water 5,395 298,4 1,194 3060 79 HTF 15 393 230,4 1238,3 80 HTF 15 393 230,4 1238,3 81 HTF 15 393 230,4 1238,3 82 HTF 15 393 175,2 1238,3 83 HTF 15 393 55,14 1238,3 84 HTF 15 393 175,2 1238,3 85 HTF 15 393 55,14 1238,3 86 HTF 14,97 250,2 175,2 891,2 87 HTF 14,89 283 55,14 965,5 88 HTF 14,97 250,2 175,2 891,2 89 HTF 14,89 283 55,14 965,5 90 HTF 14,89 258,2 230,4 909 91 HTF 15,31 260,5 230,4 914,2 92 HTF 15,31 260,5 230,4 914,2 *El flujo másico de esta corriente es nuestro parámetro de control del ciclo y está fijado. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 98 4.1.3 Funcionamiento al 25% carga Condiciones del vapor vivo y potencia pretendidas: · ṁvv = 15,98 kg/s · pvv = 27,80 bara · Tvv = 351,9 ºC · Pbruta = 13,75 MWe El procedimiento de ajuste es equivalente al del caso anterior, incluyendo también la presión mínima del desaireador como variable. Una vez más ajustamos el caudal de vapor que circula por la turbina actuando sobre el flujo másico de entrada al cuerpo de baja. Desconectamos el almacenamiento del campo solar, abrimos los lazos y vamos disminuyendo la irradiación solar (con una precisión de 1W/m2) hasta lograr la potencia bruta indicada. Finalmente, comprobamos posibles errores en el sistema e iteramos tantas veces como sea necesario. En este punto se vuelve especialmente difícil el ajuste, ya que nuestro sistema trabaja en condiciones muy distintas de las de diseño. Esto implica que al intentar realizar cálculos, el software supere el límite de las 300 iteraciones tras el que se detiene y nos muestra un mensaje de error. No obstante, guarda los valores de los parámetros alcanzados, por lo que iniciando el cálculo de nuevo simplemente continúa desde la última iteración realizada. Un error común es que los intercambiadores no pueden satisfacer las condiciones UA de diseño. Esto se debe a que estamos actuando al mismo tiempo sobre el caudal que circula por ellos y sobre la irradiación recibida, la cual se relaciona directamente con el calor transferido en los intercambiadores. Este hecho vuelve el proceso iterativo lento y tedioso. Hecho que se reflejará en el proceso de simulación dinámica llevado a cabo en el complemento ELINK en un mayor número de iteraciones a realizar por el software cuando nuestra turbina trabaja en condiciones de carga parcial muy baja. El ajuste óptimo para nuestro modelo trabajando al 25% de la carga se obtiene para los siguientes valores de los parámetros listados a continuación: - Stream 26 (Caudal de entrada al cuerpo de baja): 14,20 kg/s - Pmín (Presión mínima de trabajo en el desaireador): 1,014 bar (atmosférica) - Id (Irradiación mínima necesaria para este régimen de trabajo): 180 W/m2 Las condiciones conseguidas para nuestro modelo son las siguientes: · ṁvv = 15,99 kg/s · pvv = 25,39 bara · Tvv = 240,3 ºC · Pbruta = 13,98 MWe Tales condiciones se valoran como suficientemente aproximadas a las de referencia, de nuevo, con la salvedad de la temperatura. Se presenta seguidamente la tabla con los parámetros principales de todas las corrientes en este supuesto de carga: Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 99 Tabla 4.3: Corrientes del ciclo de vapor y del ciclo de HTF al 25% de carga Nº Corriente Fluido P [bar] T [ºC] M [kg/s] H [kJ/kg] 1 Water 0,381 18,53 14,03 77,7 2 Water 25,39 240,3 15,99 2851,2 3 Water 11,72 186,9 15,79 2703,1 4 Water 11,72 186,9 1,053 2703,1 5 Water 11,62 186,5 1,053 2703,1 6 Water 26,47 185,5 15,99 788,2 7 Water 25,98 241,4 15,99 2851,2 8 Water 11,72 186,9 14,74 2703,1 9 Water 5,916 158,3 14,69 2599,4 10 Water 5,916 158,3 0,4524 2599,4 11 Water 5,866 158 0,4524 2599,4 12 Water 26,62 156,7 15,99 662,4 13 Water 11,62 186,5 1,053 792,1 14 Water 5,916 158,3 14,23 2599,4 15 Water 5,916 158,3 14,23 2599,4 16 Water 11,62 186,5 1,053 792,1 17 Water 5,866 158 1,505 666,7 18 Water 5,866 158 1,505 666,7 19 Water 4,181 133,4 15,99 560,7 20 Water 26,78 142,1 15,99 599,5 21 Water 5,829 157,7 0,0337 665,6 22 Water 5,829 157,7 0,0337 665,6 23 Water 5,829 157,7 14,2 2603,9 24 Water 26,47 185,5 15,99 788,2 25 Water 5,671 392,6 14,2 3256 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 106 4.2 Correlaciones Una vez tenemos las condiciones de trabajo en 5 situaciones diferentes de carga, es hora de obtener correlaciones para las variables involucradas. La tabla resumen con los valores obtenidos queda de la siguiente forma: Tabla 4.5: Comparativa de los distintos estados de carga Carga Parámetros Fijados Parámetros Calculados Stream 26 [kg/s] Pmín [bar] Id [W/m2] Gross Power [MWe] Stream 2 [kg/s] Pvv [bar] Tvv [ºC] 100% Sin almac. 48,43 6,633 461 54,66 58,59 99,78 380,9 75% 37,35 6,633 369 41,35 41,25 44,43 44,44 74,15 75,00 342,4 373,7 50% 25,55 4,761 273 27,56 27,50 29,68 29,67 48,98 50,80 305,3 360,7 25% 14,20 1,014 180 13,98 13,75 15,99 15,98 25,39 27,80 240,3 351,9 ≈20% 11,75 1,014 160 11,01 11,00 13,12 N/A 20,57 N/A 221,8 N/A En letra a color, los valores de referencia enviados por la empresa. - Stream 26: Caudal de entrada al cuerpo de baja (vapor vivo). - Pmín: Presión mínima a la que puede trabajar el desaireador. - Id: Irradiación directa. - Gross Power: Potencia eléctrica bruta. - Stream 2: Caudal de entrada al cuerpo de alta. - Pvv: Presión de vapor vivo. - Tvv: Temperatura de vapor vivo. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 107 Queremos encontrar por tanto 2 curvas de ajuste. La primera que relaciones el flujo másico entrante al cuerpo de baja (Stream 26) en función del nivel de irradiación solar (Id), y la segunda que relaciones la presión mínima necesaria en el desaireador para garantizar un correcto funcionamiento de este (Pmín) también en función del nivel de radiación. Como disponemos de 5 puntos, nuestra curva de ajuste ṁb(Id) será polinómica de grado 4: Tabla 4.6: Puntos de ajuste Id - ṁb Carga Id [W/m²] ṁb [kg/s] 100% 461 48.43 75% 369 37.35 50% 273 25.55 25% 180 14.20 20% 160 11.75 Figura 4.1: Curva de ajuste Id - ṁb La ecuación del ajuste es la siguiente: ṁb(Id) = -0.000000000348498445596271·(Id)4 + 0.000000383692797478741·(Id)3 - 0.000150677306030023·(Id)2 + 0.147298138575707·(Id) - 9.30357689491234 En la cual, aunque no fuese necesario, se han tomado todas las cifras significativas que el programa suministraba. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 108 Para el caso de la presión mínima en el desaireador no dispondremos de 5 puntos. Para situaciones de carga superiores al 75% el mínimo requerido son 6,633 bar, y para valores menores del 25%, la pmín es la atmosférica, con lo que nuestra curva de ajuste se construirá solo a partir de 3 puntos. Se usará por tanto una curva de ajuste de grado 2: Tabla 4.7 Puntos de ajuste Id - Pmín Carga Id [W/m²] Pmín [bar] 75% 369 6.633 50% 273 4.761 25% 180 1.014 Figura 4.2: Curva de ajuste Id - Pmín La ecuación del ajuste es: Pmín(Id) = -0.000110001706775899·(Id)2 + 0.0901210957501275·(Id) - 11.6437419354838 Pese a que lo lógico sería pensar que este segundo ajuste representa una aproximación menos precisa que en el caso del caudal, se notificaron durante la simulación dinámica en Thermoflex diversos errores asociados a este parámetro, para cuyo ajuste inicialmente se había trabajado sin decimales. Tomamos la decisión entonces de, igual que para el caso del ajuste del flujo másico, considerarlos todos. Una vez obtenidas ambas correlaciones, pasamos a implementarlas en el complemento ELINK para llevar a cabo la simulación dinámica. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 109 5 Simulación Horaria (Complemento ELINK) Como se ha explicado anteriormente, el complemento ELINK es una programación basada en Visual Basic que permite realizar cálculos en un fichero .tfx de forma secuencial. Trabajaremos con una serie de variables de entrada y salida para analizar el comportamiento de nuestro modelo en las distintas situaciones de trabajo a lo largo de un año. En nuestro caso, disponemos de datos de irradiación solar relativos a un año tipo. Esta será nuestra primera variable de entrada. Por otro lado, hemos obtenido correlaciones que nos permiten interpolar el flujo másico que debe circular por el ciclo y la presión mínima a la que debe trabajar el desaireador, en función de dicho nivel de radiación (y del nivel de almacenamiento). Serán nuestras 2ª y 3ª variables. No obstante, debemos tener en cuenta el nivel del almacenamiento. Nuestro sistema funcionará a plena carga siempre que el nivel de radiación o de almacenamiento lo permita. Esto se regulará controlando el nivel del tanque de sales caliente que será nuestra 4ª variable. Además, necesitaremos controlar el apagado de cada grupo de la turbina en las situaciones en las que no disponiendo de energía suficiente en el almacenamiento, el nivel de radiación cae por debajo de mínimo necesario para mantener la turbina trabajando al menos al 20% de la carga. Por ello necesitaremos 7 variables extra, una por cada grupo de turbina en nuestro modelo. Por su parte, el almacenamiento no suministrará energía en ningún caso si el nivel está por debajo del 11% de capacidad. Esta medida previene que durante un ciclo horario se vacíe por completo. Estará desactivada la carga del mismo si el nivel de radiación no es superior al que garantiza el funcionamiento a plena carga. Se modelará con una variable binaria. Finalmente, se usará una variable que garantice la operación de todos los lazos de colectores en todo momento. Además, se incluirán 6 variables de salida. La primera de ellas, el nivel del tanque caliente del almacenamiento al finalizar el periodo, seguida de la potencia eléctrica bruta, la eficiencia del ciclo, la tasa de calor bruta, la potencia entregada a la red y la energía de entrada al almacenamiento. Para crear el fichero de Excel, seleccionamos la herramienta "Run from Excel", la cual nos ofrece la opción de elegir las variables de entrada y salida que aparecerán en el fichero .xlsx, además de permitirnos seleccionar el número de casos a simular. Ya que la simulación se realizará mes a mes, deberemos crear 12 ficheros cada uno con tantos casos como número de horas tiene cada mes. Se mostró una pantalla general de trabajo de este complemento en la figura 2.3 del apartado 2.3. No obstante, en la figura 5.1 se puede ver como ejemplo una correspondiente a nuestro propio modelo para el mes de mayo. El caso base se trata del caso previamente guardado en el fichero original. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 110 Figura 5.1: Complemento ELINK (pantalla Excel) Seguidamente pasamos a explicar con más detalle la implementación de cada una de las 13 variables de entrada. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 111 5.1 Definición de variables de entrada 1) Irradiación Solar Directa (DNI): Se han realizado mediciones de radiación en un año tipo hora a hora. Tenemos por tanto 8760 valores de radiación. Cada uno supondrá un caso. El software realizará las 8760 simulaciones en 12 tramos, uno por cada mes, cada uno en un archivo .xlsx distinto (en el apartado 7.3 se explican algunos problemas surgidos durante las simulaciones y las soluciones que se les dieron). Dicho archivo de datos se adjunta con el nombre: Datos solares.xlsx. 2) Flujo másico de entrada al cuerpo de baja (Stream 26): Esta variable (ṁb) dependerá por tanto del nivel de radiación (Id) y del nivel del tanque caliente con el que terminó el periodo previo (Lalm). Su definición se resume en función de las siguientes condiciones: { 𝑚󰇗𝑏=48,43𝑘𝑔 𝑠 𝑠𝑖 𝐼𝑑≥461 𝑊 𝑚2 ∩ 𝐿𝑎𝑙𝑚 ≥11% 𝑚󰇗𝑏=𝑚󰇗𝑏(𝐼𝑑) 𝑠𝑖 461𝑊 𝑚2>𝐼𝑑≥160 𝑊 𝑚2 ∪ 𝐿𝑎𝑙𝑚 <11% 𝑚󰇗𝑏=0 𝑠𝑖 𝐼𝑑<160 𝑊 𝑚2 ∪ 𝐿𝑎𝑙𝑚 <11% Donde ṁb(Id) es la 1ª correlación obtenida en el apartado 4.2. Dichas condiciones se implementan en excel con la siguiente funcione anidada: =SI(D23>=11; 48.4300003051757; SI(E8>=160;SI(E8<=461;-3.48498445596271E-10*(E8)^4 + 3.83692797478741E-07*(E8)^3 - 0.000150677306030023*(E8)^2 + 0.147298138575707*(E8) - 9.30357689491234; 48.4300003051757); 0)) Siendo D23 la celda correspondiente al nivel de almacenamiento al final del periodo anterior, y E8 la del nivel de radiación de la hora en curso. 3) Presión mínima de trabajo en el desaireador: Análogamente, esta variable (Pmín) dependerá de un modo similar del nivel de radiación y del almacenamiento: { 𝑃𝑚í𝑛 =6,633 𝑏𝑎𝑟 𝑠𝑖 𝐼𝑑≥369 𝑊 𝑚2 ∪ 𝐿𝑎𝑙𝑚 ≥11% 𝑃𝑚í𝑛 =𝑃𝑚í𝑛(𝐼𝑑) 𝑠𝑖 369 𝑊 𝑚2>𝐼𝑑≥180 𝑊 𝑚2 ∩ 𝐿𝑎𝑙𝑚 <11% 𝑃𝑚í𝑛 =1,014 𝑏𝑎𝑟 𝑠𝑖 𝐼𝑑<180 𝑊 𝑚2 ∩ 𝐿𝑎𝑙𝑚 <11% Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 112 La expresión Pmín(Id) es la 2ª correlación del apartado 4.2. La función anidada en Excel para esta variable es: =SI(D23>=11; 6.63320112228393; SI(E8<180; 1.0141794681549; SI(E8>369; 6.63320112228393; -0.000110001706775899*(E8)^2 + 0.0901210957501275*(E8) - 11.6437419354838))) Donde D23 y E8 siguen siendo el nivel de almacenamiento al final del periodo anterior y el nivel de radiación del periodo en curso respectivamente. 4) Nivel del almacenamiento al final del periodo previo. 5 - 11) Variables binarias de arranque o parada de los cuerpos de turbina: Si ṁb = 0, valdrá 2 (out-of-service), en otro caso, valdrán 0 (working). 12) Variable binaria de funcionamiento del sistema de almacenamiento: El almacenamiento no suministrará energía en ningún caso si el nivel está por debajo del 11% de capacidad. Esta medida previene que durante un ciclo horario se vacíe por completo. Estará desactivada la carga del mismo si el nivel de radiación no es superior al que garantiza el funcionamiento a plena carga: =SI(E$9=0; 1; SI(E$8>=461; 0; SI(D23<11; 1; 0))) Donde E$9 es ṁb, E$8 es Id y D23 el nivel de almacenamiento del periodo previo. 13) Número de lazos activos: Siempre estarán todos activos, por lo que esta variable tendrá un valor cte. igual a 216. Una vez definidas todas las variables, se procede a iniciar la simulación. Cada uno contiene los datos relativos a un mes y se denominan como: [3 primeras letras del mes]_sim_modo2.xlsx En general, el primer caso de cada archivo de cada mes está vinculado al último del mes previo, por lo que, a todos los efectos, la simulación es "continua". Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 113 5.2 Análisis de las simulaciones Una vez concluidos los cálculos, queremos realizar un análisis de los resultados. Para ello se crea una hoja nueva en cada archivo Excel (Analysis) cuyo ejemplo para mayo se presenta en la figura 5.2 Figura 5.2: Ejemplo de variables de análisis en Excel El análisis realizado se centra en una serie de valores generales, y simplemente pretenden verificar el correcto funcionamiento del programa durante la simulación, amén de obtener algunos macro resultados. En esta sección, aunque son sencillas, se detallaran las fórmulas implementadas en Excel. Y será en el capítulo 6 donde se presentarán los resultados propiamente. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 114 Fórmulas para el análisis de resultados: - Radiación máxima [W/m2]; =MAX(ELINK!E8:ABT8) - Radiación media [W/m2]; =MEDIA.ACOTADA(ELINK!E8:ABT8;0) - Almacenamiento máximo [% llenado tanque caliente]; =MAX(ELINK!E11:ABT11) - Almacenamiento mínimo [% llenado tanque caliente]; =MIN(ELINK!E11:LYD11) - Horas de luz (Irradiación solar > 0) [h]; =CONTAR.SI(ELINK!E8:ABT8; ">0") - Horas de funcionamiento de la turbina [h]; =CONTAR.SI(ELINK!E12:ABT12;0) - Horas con la turbina parada [h]; =744 - CONTAR.SI(ELINK!E12:ABT12;0) Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 115 - Potencia bruta máxima alcanzada [kW]; =MAX(ELINK!E24:ABT24) - Potencia eléctrica media [kW]; =MEDIA.ACOTADA(ELINK!E24:ABT24;0) - Potencia eléctrica mínima con la turbina arrancada [kW] (fórmula matricial); {=MIN(SI(SI(ELINK!E24:ABT24>10;ELINK!E24:ABT24)=SI(ELINK!E24:ABT24<56000;E LINK!E24:ABT24)=VERDADERO;ELINK!E24:ABT24))} - Potencia máxima entregada a la red [kW]; =MAX(ELINK!E27:ABT27) - Potencia media entregada a la red [kW]; =MEDIA.ACOTADA(ELINK!E27:ABT27;0) - Potencia máxima entregada a la red [kW] (fórmula matricial); {=MIN(SI(SI(ELINK!E27:ABT27>10;ELINK!E27:ABT27)=SI(ELINK!E27:ABT27<56000;E LINK!E27:ABT27)=VERDADERO;ELINK!E27:ABT27))} Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 122 Inicio Código close all clear all clc A=xlsread('zenit_azimut'); zenit=A(:,1)*pi/180; azimut=A(:,2)*pi/180+pi/2; %%Superficie aux1=zenit~=pi/2; zenitS=zenit(aux1); azimutS=azimut(aux1); X=sin(zenitS).*cos(azimutS); Y=-sin(zenitS).*sin(azimutS); Z=cos(zenitS); F = TriScatteredInterp(X,Y,Z, 'natural'); %Interpolador (los datos X,Y no forman una malla) x=linspace(min(X),max(X),300); y=linspace(min(Y),max(Y),300); [XX3,YY3]=meshgrid(x,y); %Malla X,Y ZZ3=F(XX3,YY3); %Valor de Z por interpolacion % surf(XX3,YY3,ZZ3) % shading interp %flat % colormap(hot) % caxis([0,0]); hold on [X,Y,Z] = sphere(50); shading interp; [ Aa Bb ] = find(X>=0 & Y<=0 & Z>=0); colormap(gray); surfl(X(Aa,Bb),Y(Aa,Bb),Z(Aa,Bb)); shading flat; axis equal; %%Trayectorias diarias xlabel('Sur'),ylabel('Este'), zlabel('z') axis([-1 1 -1.5 1 0 1.1]) view(55,25) %Angulo de vision orange=[0.8,0.5,0.]; %(Definir un color cualquiera para los plot) mes=['Enero ';'Febrero ';'Marzo ';'Abril ';'Mayo ';'Junio ';... 'Julio ';'Agosto ';'Septiembre';'Octubre ';'Noviembre ';'Diciembre ']; tic for i=15:30:365 zenitaux=zenit(24*(i-1)+1:24*(i-1)+24); azimutaux=azimut(24*(i-1)+1:24*(i-1)+24); Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 123 aux=(zenitaux~=pi/2); azimutaux=azimutaux(aux); zenitaux=zenitaux(aux); X=sin(zenitaux).*cos(azimutaux); Y=-sin(zenitaux).*sin(azimutaux); Z=cos(zenitaux); n=length(X); nv=1:n; nvv=1:0.2:n; %Interpolacion datos diarios (movimiento continuo) XX=interp1(nv,X,nvv); YY=interp1(nv,Y,nvv); ZZ=interp1(nv,Z,nvv); nvp=length(XX); for j=2:nvp title(mes(ceil(i/30),:)) h1=plot3(XX(1:j),YY(1:j),ZZ(1:j),'color',orange,'LineWidth',1.5); %h1=plot3(XX(j-1:j),YY(j-1:j),ZZ(j1:j),'color',grey,'LineWidth',1.5); h2=plot3(XX(j),YY(j),ZZ(j),'or','LineWidth',2); pause(0.01) delete(h2) %Borrar para que el punto rojo no deje estela %delete(h1) %Borra estela diaria end %pause(0.01) % %Estela fugaz % for j=10:nvp % h1=plot3(XX(j-9:j),YY(j-9:j),ZZ(j9:j),'color',grey,'LineWidth',1.5); % h2=plot3(XX(j),YY(j),ZZ(j),'or','LineWidth',2); % pause(0.02) % delete(h2) %Borrar para que el punto rojo no deje estela % delete(h1) % end end toc Fin Código Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 124 Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 125 Anexo B: Justificaciones en torno a la toma de decisiones 1) Diferente diseño del campo solar relativo al multiplo solar y número de lazos: Como se explicó con anterioridad, el objetivo del modelo era el de obtener datos orientativos ante la ingeniería básica del proyecto. El software Thermoflex 25 es una herramienta compleja de gran potencia que requiere un alto grado de conocimientos para poder aprovechar al máximo todos sus recursos. La realización de este proyecto incluía el aprendizaje en el uso de la herramienta, por lo que desde el inicio se realizaron algunas pequeñas modificaciones con el fin de poder progresar a buen ritmo tanto en el aprendizaje, como en la consecución del objetivo final, que era la simulación anual. El diseño del campo solar recibió algunas de estas simplificaciones, que, no obstante, no han llegado a suponer una pérdida importante de precisión. 2) Temperatura de vapor vivo menor que la de los datos provistos por la empresa encargada del proyecto a carga parcial: Debido a los pocos datos suministrados por la empresa, el ajuste del modelo a carga parcial se complica. Se planteó la inclusión de nuevas variables de control del modelo, pero se desechó la idea por suponer una gran complejidad de trabajo a cambio de una muy pequeña mejora en términos de precisión. Con el consenso de mi tutor, el profesor Javier Pino, se decidió validar el funcionamiento de los modelos pese a esta variación en la temperatura. De cualquier forma, considerando el mismo en modo "caja negra", la relación entre los valores de Radiación Normal Directa y potencia bruta producida son prácticamente idénticos. 3) No inclusión de ángulos solares: Desde el inicio, la inclusión de ángulos solares supuso un problema. El cálculo llevado a cabo por el programa en relación a los ángulos solares se realiza de un modo similar al de elementos finitos. El software malla la superficie de los captadores y aplica el algoritmo correspondiente trozo a trozo. Por defecto, cada uno de los lazos está dividido en 10, con lo que aproximadamente el tiempo de cálculo para cada caso de la simulación se multiplicaba por 5. Por su parte, el mayor número de iteraciones que debía realizar el programa conllevaba que en la mayoría de ocasiones se sobrepasase el límite máximo de 300 iteraciones por cada caso. Esto significaba, como se ha explicado con anterioridad, que el cálculo se detenía y dicho tramo horario quedaba sin resultado. Al estar acoplados los casos siguientes, el resultado a partir de ese tramo se volvía inconsistente. Por este motivo, y siempre con la aprobación de mi tutor, se decidió no incluir el efecto de los ángulos solares. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 126 4) Simulación realizada en 12 archivos distintos (mensuales): Inicialmente, la simulación final estaba pensada para ser realizada en un solo archivo .xlsx. Si bien, el software presentaba algunos problemas en la manipulación de un archivo de tal tamaño. Se intentó realizar tal simulación en distintos ordenadores para asegurarnos de que el problema no residía en las capacidades de los mismos. No obstante, en todos aparecieron los mismos problemas. Una vez fragmentado el archivo original en 12 tramos mensuales, la simulación se llevó a cabo con mayor facilidad. Hacemos notar en todo caso, que aun así se encontraron ciertas irregularidades. Sin embargo, las mismas fueron más fácilmente localizables y reparables gracias al reducido tamaño de los ficheros. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 127 Referencias - Manual electrónico software Thermoflex (suministrado con el programa) - Tutoriales software Thermoflex: https://www.thermoflow.com/tf_videos.html - Manual MATLAB r2006 http://www.sisoft.ucm.es/Manuales/MATLAB_r2006b.pdf - Otros documentos consultados: · Artículo: Application of phase change materials for thermal energy storage in concentrated solar thermal power plants: A review to recent developments. Applied Energy, Volume 160, 15 December 2015, Pages 286-307 Ben Xu, Peiwen Li, Cholik Chan · Documento: Recent developments on application of phase change materials for thermal storage. ----------------------- · Artículo: Investigation of solar parabolic trough power plants with and without integrated TES (thermal energy storage) and FBS (fuel backup system) using thermic oil and solar. Energy, Volume 88, August 2015, Pages 292-303 T.E. Boukelia, M.S. Mecibah, B.N. Kumar, K.S. Reddy · Documento: Configurations for solar parabolic trough power plants (with and without Thermal Energy Storage). Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 128 · Artículo: Parametric Study of Two-tank TES Systems for CSP Plants Energy Procedia, Volume 69, May 2015, Pages 1049-1058 S. Torras, C.D. Pérez-Segarra, I. Rodríguez, J. Rigola, A. Oliva · Documento: Parametric study 2 tanks TES CSP. Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 129 Glosario Bara: Bar absolutos (presión absoluta) CSP: Concentrated Solar Power HP: High Pressure HTF: Heat Transfer Fluid LFR: Linear Fresnel Reflector LP: Low Pressure MWe: Megavatios en forma de energía eléctrica MWt: Megavatios en forma de energía térmica PDS: Parabolic Dish System PMC: Phase Change Material PTC: Parabolic Through Collector SCA: Solar Collector Assemblies SCE: Solar Collector Elements SPT: Solar Power Tower SPTC: Solar Parabolic Trough Collector TES: Thermal Energy Storage Simulación Dinámica de una Central Termosolar de Captadores Cilindro-Parabólicos Mediante Thermoflex 130