Tesis
Modelos mecanísticos dinámicos para simular cambios en las condiciones de operación de un aerocondensador y su efecto en la contrapresión y la potencia de una turbina de vapor.
Fecha
2017-09-15Registro en:
Aguilar Alderete, Rafael.Modelos mecanísticos dinámicos para simular cambios en las condiciones de operación de un aerocondensador y su efecto en la contrapresión y la potencia de una turbina de vapor. Tesis (Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica). Ciudad de México, Instituto Politécnico Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Zacatenco. 2016. 209 p.
Autor
Aguilar Alderete, Rafael
Institución
Resumen
El objetivo de esta tesis es determinar el efecto de diversas condiciones de operación de un aerocondensador en la contrapresión generada a la salida de una turbina de vapor y el impacto que esto produce en la potencia mecánica, realizando el estudio mediante un modelo matemático mecanístico y dinámico.
Para conseguirlo, se usan conceptos y metodologías de una disciplina llamada Ingeniería de Sistemas de Proceso, la cual utiliza un enfoque modular y sistémico para analizar sistemas complejos. Partiendo de la visualización del problema a resolver, se separan los equipos en módulos y submódulos, identificando las interacciones de flujo y causalidad entre ellos. Después se aplican leyes de conservación a partir de las cuales son construidos los modelos cuya estructura final depende de lo que se pretende solucionar. Estos modelos contienen una gran cantidad de parámetros, entradas y salidas. Muchos de los parámetros son obtenidos con información de planta mientras que las entradas y salidas dependen del proceso y del objetivo de la simulación. Posteriormente las ecuaciones son resueltas mediante métodos numéricos en MATLAB y Simulink, verificando la solución y validando el modelo contra datos de operación de la planta.
La metodología anterior es llevada a cabo en el aerocondensador y turbina de vapor de la Central de Ciclo Combinado San Lorenzo. Debido a que la contrapresión a la salida de la turbina está definida por lo que sucede en el aerocondensador, éste es el equipo que se modela con cierto detalle, mientras que la turbina se modela de manera simple. Del aerocondensador se realizan dos modelos, uno lineal y otro no-lineal para comparar la respuesta de ambos y ver si el modelo lineal es útil en el rango en el que opera en la planta. También es presentado un modelo de condensación bifásico con el que se pretendió estimar el coeficiente convectivo en el interior del tubo, que es donde ocurre la condensación. Este coeficiente es un parámetro que aparece en las ecuaciones lineales y no-lineales del aerocondensador. El modelo de la turbina es un modelo no-lineal que contiene a la contrapresión y cuya dinámica tiene que ver con los cambiantes valores de esta variable al ocurrir un transitorio.
El modelo lineal se resuelve en su forma dinámica y el no-lineal solo en su forma estática, a causa de los problemas de estabilidad de la solución del modelo dinámico y a que el modelo lineal resulta válido en el rango de operación en el que trabaja. El modelo de condensación no se logró resolver, debido a que resultó un modelo no-lineal cuya complejidad de solución quedó fuera del alcance de esta tesis. Sin embargo es un modelo bien construido porque fue sometido a un caso sencillo y su solución coincide con la conocida solución del modelo de simulación de Nusselt. Los modelos del AC fueron ajustados y validados en estado estable en cierto rango de operación.
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Finalmente se realizaron una serie de simulaciones en el modelo turbina-aerocondensador en estado estable y transitorio. Las simulaciones hechas son escogidas de acuerdo con los problemas de operación que se presentan en general en el área de aerocondensadores y con una mejora que se puede dar en el proceso de condensación para ahorrar energía en la Central San Lorenzo. La respuesta del modelo es adecuada en cada caso y puede servir para la toma de decisiones que mejoren los procesos en los cuales se usan aerocondensadores.
ABSTRACT
The influence if various operation conditions of an air cooled steam condenser on the steam turbine backpressure and mechanic power generated is encountered in this work. This is done by means of a dynamic and mechanistic mathematical model.
By using concepts and methodologies of an area named Process System Engineer is pretended to study and analyze the problem. This area uses a modular and systemic approach in order to analyze complex systems. First, it is necessary to have a clear idea about the problem that will be solved. Then, the equipment is divided into modules and flow interactions and causality between them are identified. Later, conservation principles are applied in each subsystem to begin the construction of mathematical models. These models have a lot of parameters, input and outputs functions. Many parameters are plant data but inlet and outputs are chosen according to the simulation goal. The systems of equation are finally solved with numerical methods using MATLAB and Simulink. System response must be validated against power plant operation data.
The described methodology is implemented for analysis of an air cooled condenser and steam turbine installed in a Combined Cycle Gas Turbine. Due to the backpressure is mainly affected by the operation conditions that govern the air cooled condenser performance, the condenser is the system whose model will be made more detailed compared with the turbine model. The turbine will be modeled in a simple way. The condenser is modeled with linear and non-linear models in order to compare its responses. This will help to find out if the linear model is valid in the range that the condenser operates in the power plant. The condensation phenomena are also studied by means of a two-phase model which is constructed to estimate the convective coefficient inside the tube, where the condensation takes place. The turbine model is a non-linear model whose dynamic is imposed by the changeable values of backpressure when a transient in the air cooled condenser happens.
Both condenser models are solved. Linear model is solved in dynamic way but non-linear model is solved in a static way due to instability problems presented in the solution of dynamic model. However, static solution is enough to compare the response of both models and determine how lineal model behaves. The two-phase condensation model was not solved due to its non-linearity. Solution is so complicated that is beyond the scope of this work. It was solved for a simple case and the response was identical to the known case of Nusselt condensation solution. It indicates that model was well constructed; it is a new model for the type of tubes of the condenser.
Finally, various simulations were performed for static and dynamic response. Such simulations were chosen according to real problems associated with the operation of air cooled condensers. The model response was correct and model can be used to analyze and solved some problems on the area of dry condensation for power plants, like energy saving.