RECUWATT Conference - Joan Salvadó lecture

Institut de Recerca en Energia de CatalunyaMataró, 25 de marzo de 2011

“Ciclos de alto rendimiento en valorización energética de residuos”RECUWATT

Joan SalvadóCatedráticotic de Ingeniería Química de la Universitat Rovira I Virgili (Tarragona)

Jefe del área de bioenergía i biocombustibles del IREC

Contexto (desde el punto de vista de rendimiento energético)

2

donde:Ep: Energía producida (Eléctrica x 2.6 + Térmica x 1.1)Ef: Energía del combustible de soporteEi: Otras energías importadasEw: Energía total del combustible (poder calorífico x cantidad)

EE > 0.60 para plantas en operación antes del 1 de Enero de 2009EE > 0.65 para plantas en operación después del 31 de Diciembre de 2008

Ciclo de Rankine Simple

3

WT

WP

Qin

Qout

Turbina

Caldera

Bomba

Condensador

MEJOR SOLUCIÓN

4

COGENERACIÓN(electricidad + calor)

Configuración de corrientes en la caldera

5

Eco5

C-2

1

23

4

15

75 6

9

10

11

12 E26

E17

SH8

16

1 3

T1

P-3

B-4

En rojo: recorrido de gases calientes

Perfiles de temperatura

6

Configuración no optimizada (… pero robusta)

7

Diagrama T-S

8

Puntos de mejora (sin cambiar el diseño del ciclo)

9

• Parámetros termodinámicos del ciclo: aumentar T i/o P. OJO! El incremento de presenta ventajas e inconvenientes:

o ↑T mejora el rendimiento del ciclo termodinámicoo↑T aumenta la corrosión:

• Disminución de la fiabilitat en la operación de la planta.• Aumento de horas dedicadas al mantenimiento.• Materiales más caros

• Mejorar la recuperación de calor en los intercambiadores de calor (consecuencia: reducción de la temperatura de los gases de salida)

• Disminuir la temperatura de condensación (baja la calidad de vapor a la salida de la turbina).

• Utilizar turbinas de alto rendimiento.

PRECAUCIÓN: Utilizando alguna de las mejoras propuestas se podría dar un título de vapor demasiado bajo a la salida de la turbina

Resultados si se consigue mejorar los parámetros propuestos

10

Paràmetres de disseny Resultats

T[1] p[1] T[13] eff[1] EE eff x[2] [C] [bar] [C] [-] [-] [-] [-] 365 36 250 0,72 0,47 0,176 0,94 400 45 250 0,72 0,49 0,185 0,95 380 61 250 0,72 0,51 0,19 0,92 400 45 220 0,8 0,57 0,213 0,92 380 61 220 0,8 0,59 0,219 0,88 400 45 220 0,85 0,61 0,226 0,9 380 61 220 0,85 0,63 0,233 0,86 400 45 200 0,85 0,62 0,232 0,9 380 61 200 0,85 0,64 0,239 0,86

Situación inicial

EE>0.60 Título de vapor bajo

Diseño alternativo A:Recalentamiento

11

WT

WP

Qin

Qout

Turbina

BombaCondensador

Generadorde vapor

Secció de reescalfament

Turbina dealta pressió

Turbina debaixa pressió

1

2

3

4

56

Expansión del vapor con recalentamiento intermedio

Configuración alternativa A

12

C-3

12

5

6

16

9

7 8

10

11

13

14 E26

E17

SH18

17

15

P-4

B-10

SH29

3

4

12

T1 T2

Eco5

Esquema de corrientes con un sobrecalentador adicional (SH2)


13

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,00

100

200

300

400

500

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

110 bar

55 bar

25 bar

6 ,22 bar

0 ,2 0 ,4 0 ,6 0,8

1

2

3

45, 64'

Diagrama T-s del ciclo Rankine con recalentamiento


14

Esta opción está típicamente reservada para potencias relativamente elevadas.

Está por ver si los fabricantes de turbinas detectan una buena línea de negocio y realizan propuestas interesantes para producciones de entre 10-15 MW

Diseño alternativo B:Regeneraciones en ciclo abierto o cerrado

15

WT

WP2

Qin

Qout

Turbina

Caldera

Bomba 2

Condensador

WP2

Bomba 1

Bescanviadorobert

Regeneración en ciclo abierto(mezcla de corrientes)

Configuració alternativa B

16

Regeneración en ciclo cerrado(intercambiador de calor)

WT

WP

Qin

Qout

Turbina

Caldera Condensador

Bomba

Bescanviadortancat

Disseño alternativo B:Regeneraciones en ciclo abierto o cerrado

17

Regeneración en ciclo abierto(mezcla de corrientes)

Eco5

C-3

1

2

56

23

13

11 12

15

16

18

19 E26

E17

SH18

22

20

B-10

H-47

9

10

P-11

P-12

T1 T2T1 T2

Configuracions alternativa B

18

Regeneración en ciclo cerrado(intercambiador de calor)

Eco5

C-3

E26

E17

SH18

B-10

HE4

1

2

5

6

7

9

10

11

12 13 14

1516

18

1920

22 23

P-11

T1 T2T1 T2

Combinaciones de configuraciones

19

Se pueden realizar combinaciones de recalientamiento, regeneración abierta i regeneración cerrada que pueden aumentar significativamente el rendimiento termodinámico.

Las configuraciones complejas están reservadas para potencias elevadas

Combinaciones de configuraciones

20

Eco5

C-3

E26

E17

SH18

B-10

SH29

HE4

1

2

3

4

56

78

9

10

11

12 13 14

15

16

17

18

1920

22 23

P-11T1 T2T1 T2

Combinación de sobrecalentamiento y una regeneración en ciclo cerrado

Regeneraciones con ciclo abierto y ciclo cerrado sin recalentamiento

21

Eco8

C-5

E29

E110

SH111

B-13

HE6

1

24

5

9

10

11

12

14

16 1718

20

21=22

23

2425

26 27

P-14

T1-2

HE7

P-15

T3

T4

6

7

8

13

15

eff1 = 0,84

eff2 = 0,81

eff3 = 0,78

eff4 = 0,71

m 1 = 10,74 [kg/s ]

T1 = 380 [C]

p1 = 61 [bar]

p2 = 18 [bar]T2 = 237 [C]

T4 = 134 [C] P4 = 3 [bar]y1 = 0,1127

y2 = 0,02832 T6 = 77 [C] P6 = 0,4155 [bar]

T8 = 58 [C]

p8 = 0,18 [bar]

T11 = 77 [C]

T13 = 72 [C]

T14 = 134 [C] T20 = 1064 [C]

T25 = 220 [C]

eff16 = 0,242

W1 = 2621 [kW]

W2 = 2886 [kW]

W3 = 2249 [kW]

W4 = 748,4 [kW]

EE16 = 0,647

x8 = 0,87

Regeneraciones con ciclo abierto y ciclo cerrado con recalentamiento

22

Eco8

C-5

E29

E110

SH111

B-13

SH212

HE6

1

2

2

45

9

10

11

12

14

16 17 18

20

21

22

23

2425

26 27

P-14

T1 T2T1 T2

HE7

P-15

T3

T4

3

6

7

8

13

15

eff1 = 0,84

eff2 = 0,81

eff3 = 0,775

eff4 = 0,71

m1 = 9,565 [kg/s]

T1 = 380 [C]

p1 = 61 [bar]

P2 = 18,89 [bar ]T2 = 242 [C]

T4 = 195 [C] P4 = 3 [bar ]y1 = 0,103

y2 = 0,02476 T6 = 76 [C] P6 = 0,4066 [bar]

T8 = 58 [C]

p8 = 0,18 [bar]

T11 = 76 [C]

T13 = 71 [C]

T14 = 134 [C] T20 = 1064 [C]

T25 = 220 [C]

eff16 = 0,2465

W1 = 2253 [kW]

W2 = 3370 [kW]

W3 = 2319 [kW]

W4 = 723,1 [kW]

EE16 = 0,661

x8 = 0,9544

T3 = 380 [C]

p3 = 18,39 [bar]

C

23

Paràmetres d’operació Eficiències energètiques EE

T[1] p[1]T gas

sortidacaldera

effturbina

CicleBàsic

Reescal-fament

Regen.Oberta

RegenTancada

R ObertaAmb

reescalf

R Tancada Amb

reescalf

[C] [bar] [C] [-]

365 36 250 0,72 0,473 0,499 0,517 0,507 0,524 0,513

400 45 220 0,8 0,571 0,601 0,621 0,608 0,632 0,617

380 61 220 0,8 0,588 0,612 0,647 0,626

400 45 220 0,85 0,607 0,635 0,656 0,641 0,668 0,651

380 61 220 0,85 0,625 0,648 0,683 0,661

400 45 200 0,85 0,621 0,650 0,671 0,656 0,684 0,667

380 61 200 0,85 0,640 0,663 0,700 0,677

AGRADECIMIENTOS

24

Dr. Dieter Boer (DEM-URV)

PASCH (Antoni Puig i Francesc Robles)

Patrones:

Con la financiación de:

Joan SalvadóÁrea de Bioenergía y Biocombustibles

[email protected]

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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