Desarrollo de un modelo de simulación sencillo para la operación de un ciclo combinado

Resumen

Las centrales térmicas de ciclo combinado cuentan con una gran flexibilidad, adaptándose con rapidez a las variaciones de carga. La evolución del sector eléctrico ha hecho que el factor de utilización de estas plantas esté por debajo del 10%, por lo que operan mayoritariamente a carga parcial. El rendimiento global disminuye a carga parcial y es necesario optimizar el funcionamiento a cualquier carga. Los estudios existentes sobre optimización de ciclos combinados se han focalizado en optimizar cada equipo o una parte de la planta. Además son muy complejos por el gran número de variables implicadas. El objetivo de este trabajo, es establecer un modelo sencillo que simule la operación de la planta en su conjunto. Esto permitirá al operador de la planta obtener información útil y contrastarla con los datos tomados por el sistema de control. Además le sirve como herramienta prospectiva para las condiciones demandadas. El modelo se ha diseñado para una planta particular, el grupo Soto 4 propiedad de EDP Energía, integrada por una turbina de gas modelo GT26 de Alstom Power y una caldera de recuperación de calor con tres niveles de presión, recalentamiento intermedio y precalentamiento de agua de alimentación. El modelo simula el ciclo de gas y el ciclo de vapor de forma independiente y utiliza como nexo de unión la caldera de recuperación de calor. Las centrales de ciclo combinado regulan potencia a través del turbogrupo de gas, esto es, a través del caudal de aire que aspira el compresor y el caudal de combustible. La turbina de vapor genera energía en función de los humos que se vierten a la caldera. El modelo para el ciclo de gas, es un modelo iterativo que determina el caudal de aire para cada potencia demandada. A su vez determina el ángulo de apertura de los álabes guía y la dosificación de combustible. Los resultados para diferentes cargas parciales se han comparado con datos de la planta observándose diferencias menores del 15 % El modelo del ciclo de vapor se diseña para la operación a plena carga y se adapta a carga parcial. Se parte de las temperaturas de entrada y salida de la caldera para conocer la energía disponible del lado de gases. Se tendrá en cuenta el calor recuperado en los refrigeradores de aire de la turbina de gas y el calor necesario para el precalentamiento del agua de alimentación. Se fijan las temperaturas de acercamiento en el sobrecalentador y economizador y se establecen las posiciones de los Pinch Points que dividen la caldera en cuatro zonas de absorción de calor. Los valores de pinch determinan las presiones de saturación y las temperaturas para obtener las propiedades termodinámicas. Formulando los balances de masa y energía para cada zona de la caldera resultan las ecuaciones del modelo de simulación, que determinan los caudales de vapor a cada una de las presiones. El sistema se resuelve por un método de aproximaciones sucesivas asumiendo un cierto grado de subenfriamiento en los economizadores que se introduce como variable de simulación. El modelo se ha adaptado para la operación a carga parcial introduciendo las especificaciones propias de regulación de la planta. Se mantienen las temperaturas de entrada y salida de la caldera pero el caudal de gases varía con la carga. Se mantienen los valores de pinch de plena carga y se determinan las posiciones de los pinch a partir de los datos de presión de vapor que se establecen por los criterios de regulación por presión deslizante de la turbina de vapor. De igual manera que a plena carga se formulan los balances de masa y energía en las cuatro zonas de la caldera y se resuelve el sistema por el mismo método Los resultados para diferentes cargas se han contrastado con datos reales suministrados por la planta. La concordancia es muy positiva dadas las restricciones impuestas en aras de la sencillez del modelo.