Modelización y simulación térmica del precalentamiento del combustible de la turbina de gas en una central Térmica de Ciclo Combinado (CCTC) de tres niveles de presión y optimización de los parámetros de diseño de la planta

Resum

En los escenarios energéticos actuales, donde se está apostando por las tecnologías renovables para la cobertura de la demanda eléctrica y el aseguramiento de la sostenibilidad medioambiental del sistema eléctrico, resulta imprescindible la presencia en el mix energético de tecnologías que aporten estabilidad del sistema, ámbito donde las Centrales Térmicas de Ciclo Combinado (CTCC) constituyen una tecnología clave, por su mayor eficiencia energética, menores emisiones específicas de CO2 y flexibilidad de operación. Un aspecto a considerar en lo que se refiere al incremento de la eficiencia energética de este tipo de centrales es el precalentamiento del gas natural utilizado. El precalentamiento de gas natural en la admisión de la cámara de combustión de las turbinas de gas en ciclo combinado se efectúa teóricamente con el objetivo de evitar condensaciones del mismo y ajustar el índice de Wobbe en los quemadores. Este precalentamiento, en la actualidad, suele efectuarse en su caso con calentadores eléctricos o con agua-vapor de agua proveniente de la caldera de recuperación de calor de la central. El nivel térmico alcanzado con este precalentador deja el gas natural lejos de condiciones de autoinflamación, por lo que es factible en teoría incrementar la temperatura del mismo, y así, disminuir el consumo específico dado que se está trabajando con una temperatura media de aportación de calor mayor. Sin embargo, el nivel térmico final a alcanzar, el origen de la fuente térmica a emplear, y su influencia en la rentabilidad y prestaciones de la planta, está siendo motivo de discusión por parte de los principales tecnólogos en este campo, sin llegar a conclusiones claras sobre cuál es la mejor manera de realizar dicho calentamiento o incluso sobre la conveniencia de realizarlo o no. El objetivo fundamental de esta tesis reside en evidenciar cuál es el óptimo energético en dicho planteamiento del precalentamiento de combustible para la mejora de prestaciones, al igual que poder predecir la variación de los parámetros fundamentales de la central (potencia eléctrica entregada, consumo específico y emisiones incurridas) en función de la temperatura del gas de entrada a los quemadores de la turbina de gas, siempre en condiciones de estabilidad, para a continuación realizar una evaluación termoeconómica de dichos resultados calculando el impacto económico de cada uno de los posibles escenarios de precalentamiento, determinando los principales parámetros económicos a tener en cuenta y cómo su variación influye en los resultados y rentabilidad de la planta. Para ello, en primer lugar se ha simulado una planta completa de referencia y se han validado los resultados obtenidos con datos reales de una planta en operación, utilizando para ello el estándar internacional que constituye la norma ASME PTC 46, asegurando con ello la correcta modelización de la planta realizada. A partir del mismo, se han establecido todos los escenarios de funcionamiento posibles de precalentamiento del gas natural en función de las diferentes fuentes térmicas disponibles en la caldera de recuperación de calor de la central para la realización de dicho calentamiento, discutiendo en cada caso los resultados obtenidos y buscando el óptimo energético, definido éste como aquel que logra un menor consumo de combustible por unidad de energía eléctrica generada. Del mismo modo, se ha evaluado la estabilidad de los distintos escenarios de calentamiento planteados en términos de no autoinflamación del combustible por temperatura del mismo fuera de rango, tiempos de retraso al encendido compatibles con las longitudes de cámara de combustión utilizadas, así como índices de Wobbe adecuados para el logro de una combustión optimizada. Tras esto, se han obtenido las correspondientes ecuaciones de comportamiento que permiten, con un grado de certidumbre estadística elevado, predecir la variación en la potencia eléctrica entregada por la central, el consumo específico de la misma y las emisiones de CO2 para una temperatura del gas natural de entrada dada, al igual que se ha evaluado el impacto económico de las diferentes configuraciones de precalentamiento, a fin de considerar las variaciones en dichos tres parámetros clave, con lo que se han utilizado distintos escenarios de coste de combustible (para considerar la variación del consumo específico), coste de la energía eléctrica exportada (para tener en cuenta la variación de la potencia eléctrica entregada por la planta) y coste de los derechos de emisión de CO2 (para considerar el efecto de la variación de emisiones). Igualmente, se han analizado el conjunto de parámetros necesarios para el dimensionamiento de los equipos auxiliares necesarios para la realización del precalentamiento del combustible indicado. El análisis de los resultados permite concluir cuál es la mejor alternativa para la realización del precalentamiento del combustible en una CTCC de tres niveles de presión y recalentamiento, prediciendo las variaciones en sus parámetros principales así como la repercusión económica de dichas variaciones, ante una variante de ciclo regenerativo mucho menos común, frente a otras como el precalentamiento del aire a la salida del compresor en ciclo Joule-Brayton o el precalentamiento del agua de alimentación de la caldera en el ciclo Rankine.