Máster Universitario en Ingeniería Industrial 2016/2017
Trabajo Fin de Máster
Modelización de ciclos Rankine mediante el método de Spencer, Co on y Cannon
Félix Ignacio Pérez Cicala
Tutor
Domingo Santana Santana
Félix Ignacio Pérez Cicala
Resumen
El propósito de este proyecto es el estudio del rendimiento de ciclos Rankine a carga parcial mediante el método de Spencer, Cotton y Cannon [1]. Este método permite predecir el rendimiento isentrópico de turbinas de vapor en condiciones distintas a las nominales, utilizando correlaciones empíricas obtenidas por los autores del método.
El método de Spencer, Cotton y Cannon fue presentado en 1962 por ingenieros de la compañía General Electric y revisado posteriormente en 1974. Partiendo de un valor base del rendimiento isentrópico de turbinas de vapor, el método consiste en la aplicación de una serie de correcciones para obtener como resultado nal una estimación del rendimiento en condiciones de carga parcial. En este proyecto se propone una adaptación para utilizar el método en operación a presión deslizante.
Se desarrollará una metodología de cálculo que permite, mediante datos de pre-diseño de los componentes del ciclo Rankine, calcular el rendimiento del ciclo y las condiciones de operación de las turbinas y calentadores del ciclo. La metodología será utilizada en un programa desarrollado en Matlab, que permitirá con gurar distintas opciones del ciclo Rankine y visualizar los resultados.
Los calentadores cerrados se calculan y dimensionan mediante un modelo detallado de transferencia de calor. Mediante el programa desarrollado, será posible estudiar los efectos de la operación con calentadores fuera de servicio y con pérdidas de carga anormales en la línea de la extracción. Otros elementos del ciclo tales como las bombas o el condensador tendrán una modelización más simpli cada. La operación a carga parcial tanto del generador de vapor como del generador eléctrico no se modelizan, para dotar al programa de la máxima exibilidad posible.
Finalmente, se analizarán los resultados obtenidos con el programa y se compararán con resultados obtenidos anteriormente por otros autores. Se evaluará el rendimiento del ciclo obtenido mediante el método de Spencer, Cotton y Cannon en presión constante y en presión deslizante. Se estudiará también la operación con calentadores fuera de servicio y con operación manual de extracciones.
El programa desarrollado está disponible en Matlab File Exchange para su descarga 1.
1Descargue el programa en: https://es.mathworks.com/matlabcentral/ leexchange/64359-modelling-of-rankine- cycles-using-the-spencer--cotton-and-cannon-method
Modelización de ciclos Rankine mediante el método |
1 |
de Spencer, Cotton y Cannon |
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Félix Ignacio Pérez Cicala
Abstract
The purpose of this project is to study the partial load performance of Rankine cycles using the Spencer, Cotton and Cannon [1] method. This method can predict the isentropic performance of steam turbines in o -design conditions, using empirical correlations obtained by the method’s authors.
The Spencer, Cotton and Cannon method was presented in 1962 by engineers from General Electric and was later revised in 1974. The method consists in applying a series of corrections to a base isentropic performance of the steam turbine, resulting in an estimation of the variating conditions of partial load operation. An adaptation to this method is proposed in order to calculate the operation of sliding pressure cycles.
A procedure was developed to calculate the performance and operating conditions of a Rankine cycle, using as input data the characteristics of the cycle’s components at the pre-design stage. The steam turbines and the feedwater heaters where modelled in detail. A Matlab program was developed using this procedure, thus enabling for the setting of di erent cycle options and an easy visualization of the results,
The feedwater heaters are dimensioned and calculated using a thermal model. The program allows the user to simulate operation with o -line feedwater heaters and with partially closed extraction valves. The cycle’s pumps and condenser use a simpli ed model, and the steam generator as well as the electric generator are not modelled, in order to give exibility to the program.
At the end of the document there is an analysis of the outcome obtained with the program, including a comparison to the results previously obtained by other authors. The analysis contains an evaluation of the cycle performance using the Spencer, Cotton and Cannon method in both constant and sliding pressure. Additionally, the impact of feedwater heater o -line operation and of the closing of the extraction line valves will be studied.
The program is available for download at the Matlab File Exchange 2.
2Download the program at: https://es.mathworks.com/matlabcentral/ leexchange/64359-modelling-of-rankine- cycles-using-the-spencer--cotton-and-cannon-method
Modelización de ciclos Rankine mediante el método |
2 |
de Spencer, Cotton y Cannon |
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Félix Ignacio Pérez Cicala
Índice
Resumen |
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1 |
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Abstract |
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2 |
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1. Descripción y funcionamiento de ciclos Rankine regenerativos |
8 |
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1.1. |
Funcionamiento básico del ciclo Rankine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
8 |
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1.2. Ciclos Rankine regenerativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
10 |
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1.3. |
Con guración de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
12 |
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1.4. |
Operación de ciclos Rankine a carga parcial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
14 |
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1.5. Rendimiento de ciclos Rankine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
15 |
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2. Método de Spencer, Cotton y Cannon para predecir el rendimiento de turbinas |
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de vapor a carga parcial |
16 |
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2.1. |
Descripción del funcionamiento de turbinas de vapor . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
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2.1.1. |
Control de turbinas de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
20 |
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2.1.2. |
Operación en presión deslizante y presión constante . . . . . . . . . . . |
22 |
2.2. Metodología de cálculo del rendimiento isentrópico a carga parcial de turbinas |
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de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
25 |
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2.2.1. |
Rendimiento isentrópico a carga parcial de la turbina de alta presión . . |
26 |
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2.2.2. |
Cálculo de la línea de expansión de la turbina de alta presión . . . . . . |
29 |
2.2.3.Rendimiento isentrópico a carga parcial de las turbinas de media y baja
|
presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
31 |
2.2.4. |
Corrección de Baumann para etapas con condensación . . . . . . . . . . |
33 |
2.2.5. |
Línea de expansión de las turbinas de media y baja presión . . . . . . . . |
34 |
2.2.6.Corrección al punto nal de la línea de expansión en la turbina de baja
presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
34 |
2.2.7. Perdidas de escape y entalpía real utilizada (UEEP) . . . . . . . . . . . . |
35 |
2.2.8.Rendimiento isentrópico base y rendimiento isentrópico en condiciones
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de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
37 |
2.3. |
Calculo de presión de funcionamiento mediante la ley de Stodola . . . . . . . . |
37 |
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2.4. |
Fugas de vapor a través de los sellos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
38 |
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3. Modelización de los calentadores cerrados |
40 |
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3.1. Funcionamiento de los calentadores cerrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
40 |
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3.2. Cálculo del ujo másico de extracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
41 |
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3.3. Dimensionado de calentadores cerrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
43 |
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3.3.1. |
Parámetros geométricos iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
44 |
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3.3.2. |
Coe ciente de convección del agua de alimentación y resistencia de con- |
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ducción del tubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
46 |
Modelización de ciclos Rankine mediante el método |
3 |
de Spencer, Cotton y Cannon |
|
Félix Ignacio Pérez Cicala
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3.3.3. |
Coe ciente global de transferencia de calor del desuperheater . . . . . . |
47 |
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3.3.4. |
Coe ciente global de transferencia de calor del condensador . . . . . . . |
49 |
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3.3.5. |
Coe ciente global de transferencia de calor del subcooler . . . . . . . . |
52 |
3.4. |
Cálculo de calentadores cerrados a carga parcial . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
53 |
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4. Modelización de otros componentes del ciclo Rankine |
55 |
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4.1. |
Generador de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
55 |
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4.2. Cálculo de la extracción del desaireador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
56 |
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4.3. |
Operación de las bombas de alimentación y condensado . . . . . . . . . . . . . . |
57 |
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4.4. |
Modelo simpli cado de operación del condensador a carga parcial . . . . . . . . |
58 |
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5. Resolución de ciclos Rankine a carga parcial, y en condiciones de diseño |
60 |
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5.1. |
Obtención de las condiciones de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
60 |
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5.2. |
Resolución del balance de calor del tren de calentadores . . . . . . . . . . . . . . |
61 |
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5.3. |
Diagrama de ujo del proceso cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
63 |
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5.4. |
Calidad de solución, desviación y residuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
64 |
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6. Análisis de resultados y validación |
67 |
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6.1. |
Rendimiento del ciclo a carga parcial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
67 |
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6.1.1. |
Resumen de resultados en presión deslizante y presión constante . . . . |
68 |
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6.1.2. |
Diagrama T-s del ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
69 |
6.2. |
Rendimiento a carga parcial de turbinas de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . |
71 |
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6.2.1. |
In uencia de cada corrección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
73 |
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6.2.2. Lineas de expansión a carga parcial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
73 |
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6.3. |
Operación del tren de calentadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
75 |
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6.3.1. |
Calentadores fuera de servicio o en bypass . . . . . . . . . . . . . . . . . |
75 |
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6.3.2. |
Cierre manual de válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
77 |
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6.3.3. |
Coe ciente de transferencia de calor a carga parcial . . . . . . . . . . . . |
78 |
6.4. |
Validación de los resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
78 |
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7. Uso del programa |
82 |
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7.1. Entrada de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
82 |
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7.2. Visualización de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
83 |
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Conclusiones |
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86 |
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Bibliografía |
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Modelización de ciclos Rankine mediante el método |
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de Spencer, Cotton y Cannon |
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