Anteproyecto de una central de generación de potencia basada en un ciclo combinado a partir de cuatro unidades de turbinas de gas

Abstract

En el presente documento se realiza un anteproyecto sobre una central de ciclo combinado compuesta de cuatro turbinas de gas que emplean gas natural como único recurso y una única turbina de vapor, para dar solución a la demanda energética. De esta manera se pretende abastecer de energía, de la forma más eficiente, fiable y limpia posible garantizando el suministro, independientemente de las condiciones climatológicas. Se plantea una transformación de los sistemas convenciones de producción de energía, basadas en centrales de carbón y centrales nucleares, a una planta de potencia basada en el gas natural, una forma de producción de energía que produce menor contaminación de CO2. En primer lugar, se parte de un diseño incial definido de una planta de potencia compuesta de cuatro turbinas de gas, las cuales se han considerado definidas a la hora de plantear el diseño de la central. A partir de estos datos se desarrolla un anteproyecto de una central de ciclo combinado, caracterizado por una única turbina de vapor y un aerocondensador, como elemento de condensación. En segundo lugar, se presentan los principales equipos que componen una central de ciclo combinado y los principios de funcionamiento sobre los que están basados. Los ciclos termodinámicos empleados en el funcionamiento de una central de ciclo combinado para la turbina de gas, y para la turbina de vapor (Brayton y Rankine), y las mejoras de rendimientos que se pueden plantear en ambos ciclos para llevar a cabo una optimización del proceso, a través del cual se alcanzan elevados rendimientos de trabajo. Seguidamente, se expone el funcionamiento de cada uno de los equipos principales y elementos secundarios necesarios a implantar para obtener un correcto funcionamiento en la central de ciclo combinado. De esta manera, para un proceso eficiente energéticamente, se ha realizado un diseño de la caldera de recuperación HRSG, basado en un sistema de tres niveles de presión con recalentamiento. Se ha planteado un diagrama de procesos de cómo se comporta termodinámicamente cada uno de los fluidos, y las condiciones de trabajo en cada uno de sus puntos en el interior de la caldera, que permite llevar a cabo una optimización de su funcionamiento. Este proceso se ha desarrollado empleando una herramienta llamada “Engineering Equation Solver”, EES, que permite trabajar con las propiedades termodinámicas de cada una de las sustancias presentes en el ciclo. Se ha modelado el comportamiento de la caldera para poder evaluar su comportamiento ante la variación de diferentes parámetros, como la presión y los caudales de trabajo, para obtener finalmente, valores que permitan dimensionar la caldera para maximizar la generación de energía, y dimensionar cada uno de los intercambiadores presentes en el sistema. Tras el diseño del diagrama de procesos de la caldera de recuperación y su dimensionado, se ha procedido a dimensionar los equipos principales que componen la central de ciclo combinado y conocer su funcionamiento, permitiendo obtener dimensiones necesarias de cada uno de los equipos y llevar a cabo una implantación de cada uno de los elementos que componen una central de ciclo combinado. Además, se ha realizado un diseño hidráulico de la planta de potencia, se ha dimensionado las principales líneas de la planta, dimensionando las secciones de conductos y bridas. Se ha hecho una revisión de la implantación definida inicialmente. Se ha realizado un cálculo inicial aproximado de las pérdidas de carga de cada una de las principales líneas de abastecimiento, alcanzando un dimensionamiento preliminar de los grupos de bombeo de la instalación. Para finalizar, una vez definido cada uno de los elementos, se ha planteado un estudio económico de la central de ciclo combinado, ejecutando una hoja costes, para conocer el alcance económico del proyecto y un estudio económico de como acometer las inversiones que hace falta para ejecutar dichas infraestructuras. Se ha realizado un estudio de viabilidad de la planta, en relación con los índices de rentabilidad económicos.

In this document, a preliminary project is being carried out on a combined cycle power plant made up of four gas turbines using natural gas as the only resource and a single steam turbine, in order to provide a solution to the increase in energy demand that currently exists. In this way, the objetive is to supply energy as efficiently and reliably as possible while guaranteeing supply, regardless of weather conditions. A transformation of the conventions systems of energy production, based on coal plants and nuclear power plants, a power plant based on natural gas, a form of energy production that produces less CO2 pollution is proposed. First point, it is based on a defined initial design of a power plant composed of four gas turbines, which have been considered defined when considering the design of the plant. Based on these data, a preliminary draft of a combined cycle power plant, characterized by a single steam turbine and an air condenser, is developed as a condensation element. Second, the main equipment that makes up a combined cycle plant and the operating principles on which they are based are presented. The thermodynamic cycles used in the operation of a combined cycle plant for the gas turbine, and for the steam turbine (Brayton and Rankine), and the performance improvements that can be considered in both cycles to carry out an optimization of the process, through which high work performance is achieved. Next point, the operation of each of the main equipment and secondary elements necessary to be implanted is explained in order to obtain a correct operation in the combined cycle plant. In this way, for an energy efficient process, a design of the HRSG recovery boiler has been carried out, based on a three pressure system with superheat. A process diagram of how each of the fluids behaves thermodynamically, and the working conditions at each of its points inside the boiler, which allows an optimization of its operation, has been proposed. This process has been developed using a tool called “Engineering Equation Solver”, EES, which allows working with the thermodynamic properties of each of the substances present in the cycle. The behavior of the boiler has been modeled to be able to evaluate its behavior in the face of the variation of different parameters, such as pressure and workflows, to finally obtain values that allow the boiler to be sized to maximize energy generation, and to size each one of the exchangers present in the system. After the design of the process diagram of the recovery boiler and its dimensioning, we have proceeded to dimension the main equipment that makes up the combined cycle plant and know its operation, allowing to obtain necessary dimensions of each of the equipment and carry out An implementation of each of the elements that make up a combined cycle plant. In addition, a hydraulic design of the power plant has been carried out, the main lines of the plant have been sized, dimensioning the sections of ducts and flanges. A review of the initially defined implantation has been made. An approximate initial calculation of the load losses of each of the main supply lines has been made, reaching a preliminary sizing of the pumping groups of the installation. Finally, once each of the elements has been defined, an economic study of the combined cycle plant has been proposed, executing a cost sheet, to know the economic scope of the project and an economic study of how to undertake the investments needed to Run said infrastructure. A feasibility study of the plant has been carried out, in relation to the economic indexes.