Ciclo higroscópico: estudio experimental de la tecnología y análisis de sus ventajas respecto a un ciclo Rankine

Abstract

El ciclo Higroscópico es un ciclo termodinámico caracterizado por trabajar con una corriente de reflujo de enfriamiento rica en compuestos higroscópicos, la cual absorbe y condensa el vapor de exhaustación, procedente de la turbina de un ciclo Rankine o de otro proceso en un absorbedor de vapor. La temperatura de condensación, a la salida de dicho equipo, es siempre superior a la temperatura del vapor puro de entrada al mismo, medidas ambas a la misma presión, incrementándose dicha diferencia de temperaturas a medida que se aumenta la concentración másica en compuestos higroscópicos en dicha corriente, pudiéndose llegar a diferencias superiores a 15 ºC. Es la única tecnología existente capaz de condensar un vapor de agua pura a una temperatura de refrigeración superior a la temperatura de saturación de dicho vapor. En esta tecnología se produce un aprovechamiento térmico y químico de las purgas de caldera, las cuales son ricas en compuestos higroscópicos. En este caso se ha utilizado una disolución de bromuro de litio (LiBr) en agua. El ciclo Higroscópico permite disminuir las presiones de condensación de salida de turbina para la misma temperatura de refrigeración, o bien, incrementar las temperaturas de refrigeración para la misma presión de condensación. Se consiguen, por ejemplo, incrementos del rendimiento eléctrico bruto del 6.50%, y del 5.30% en rendimiento eléctrico neto respecto a un ciclo Rankine, con concentraciones másicas óptimas de LiBr en agua del 45% en la corriente de reflujo de enfriamiento, y del 50% en las purgas de caldera. El ciclo Higroscópico se diseña con aerorefrigerantes para disipar la energía de condensación del vapor en modo seco, optimizándose el consumo eléctrico del equipo en base a la temperatura ambiente, y haciendo desaparecer el consumo de agua de refrigeración. La incorporación de LiBr permite reducir los autoconsumos eléctricos medios anuales de los aerorefrigerantes en casi 4 veces, aumentándose con ello el rendimiento eléctrico neto del ciclo Higroscópico. Otro punto interesante que se tratará en la presente tesis doctoral es el comportamiento de las aminas filmantes y neutralizantes para proteger de la corrosión la metalurgia del sistema, incluido el haz tubular de cobre de los aerorefrigerantes. Se comprueba que la protección con dichos compuestos depende de la conductividad eléctrica de la corriente de reflujo de enfriamiento, existiendo una franja de estabilidad que comprende unos valores de pH donde la velocidad de corrosión es nula o alcanza un valor mínimo. Fuera de esta franja, la velocidad de corrosión se incrementa a medida que el valor de pH se aleja de ella, siendo mayor a pH ácidos que básicos. Se identifican las ecuaciones básicas para definir de una manera óptima los balances de masa y energía de un ciclo Higroscópico, así como los dos parámetros más importantes en el diseño del absorbedor de vapor, que son el diámetro y la longitud de la zona de contacto, parámetros que dependen del caudal de vapor y del caudal de la corriente de reflujo de enfriamiento. Además, se confirma que la velocidad recomendable que debe tener el vapor vivo en el separador de gotas debe ser inferior a 1.5 m/s, con el propósito de garantizar las conductividades eléctricas máximas tolerables por las turbinas de vapor. Los resultados han sido corroborados experimentalmente mediante una planta demostración con capacidad de generación de 110 kg/h de vapor vivo. Se trabaja desde calidades de agua desmineralizada (conductividades eléctricas inferiores a 2 µS/cm), a concentraciones másicas desde 45 a 65% en la corriente de reflujo de enfriamiento, utilizándose para ello una disolución de LiBr en agua. También, se describen las ventajas encontradas al incorporar la tecnología ciclo Higroscópico a la central eléctrica de biomasa de 12.5 MWe de Vetejar (Córdoba), la cual sufre de escasez de agua y mala calidad de la misma. Las mejoras que aporta dicha tecnología se justifican por el aumento en 13 ºC de la temperatura de refrigeración en dicha planta, manteniéndose las mismas presiones de condensación a la salida de turbina. Ello permite aumentar el rendimiento eléctrico neto de la instalación, disminuir los autoconsumos eléctricos y anular el consumo anual de agua de refrigeración. Este último punto ha permitido aumentar la disponibilidad de la instalación, y con ello la energía eléctrica anualmente generada. Esta tecnología puede incorporarse a cualquier industria que condense vapores procedentes de diferentes procesos, principalmente en plantas de energía que utilicen un ciclo Rankine, obteniéndose los máximos rendimientos eléctricos tanto brutos como netos, y sin necesidad de consumir agua de refrigeración. ABSTRACT The Hygroscopic cycle is a thermodynamic cycle characterized by working with a rich in hygroscopic compounds cooling reflux current, absorbing and condensing the exhaust steam, coming from the steam turbine of a Rankine cycle or from any other process in a steam absorber. The condensing temperature, at the outlet of the latter, is always higher than the temperature of the pure steam entering it for the same pressure. As the mass concentration in hygroscopic compounds is increased, condensing temperature increases as well, the mixture being able to reach differences higher than 15 ºC. It is the only existing technology capable of condensing pure steam at a cooling temperature higher than its saturation temperature of mentioned steam. In this technology there is a thermal and chemical recovery of the boiler blowdowns, which are rich in hygroscopic compounds. In this case, a solution of lithium bromide (LiBr) in water has been used. The Hygroscopic cycle allows to reduce the condensing pressures of the steam turbine output for the same cooling temperature, or to increase the cooling temperatures for the same condensing pressure. Production gains are, for example, an increase in gross electrical efficiency of 6.50% and a net electrical efficiency of 5.30% compared to a Rankine cycle. Optimum mass concentrations of LiBr in water have been found to be of 45% at the cooling reflux current, and 50% at the boiler blowdowns. The Hygroscopic cycle is designed with dry coolers in order to dissipate the condensation energy of the steam in dry mode, thus reducing the electrical consumption of this equipment according to ambient temperatures, and eliminating the consumption of cooling water. The incorporation of LiBr makes it possible to reduce the average annual electric self-consumption of the dry coolers by almost 4 times, thus increasing the net electrical efficiency of the Hygroscopic cycle. Another interesting point that will be discussed in this doctoral thesis is the behavior of the filming and neutralizing amines used to protect the metallurgy of the system from corrosion, including the tubular copper bundle of the dry coolers. It has been concluded that the protection with aforementioned compounds depends on the electrical conductivity of the cooling reflux current, as a stability band was measured comprising a range of pH values where the corrosion rate is zero or reaches a minimum value. Outside this range, the corrosion rate increases as the pH value moves away from these values, with higher corrosion at higher pH of this band. The basic equations are identified to optimally define the mass and energy balances of a Hygroscopic cycle, as well as the two most important parameters in the design of the steam absorber, which are the diameter and length of the contact zone. These parameters have been reduced to the steam mass flow rate and cooling reflux mass flow rate. In addition, the recommended speed of the live steam at the droplet separator was studied to be less than 1.5 m/s in order to guarantee the maximum tolerable electrical conductivities at steam turbines. The results have been corroborated experimentally by means of a test plant with the capacity to generate 110 kg/h of live steam. The plant was operated with water qualities ranging from demineralized water (with electrical conductivities lower than 2 μS/cm), to a solution of LiBr in water with mass concentration ranging from 45 to 65% at the cooling reflux current. Also, are described the advantages found once the Hygroscopic cycle technology is implemented to the biomass power plant of 12.5 MWe of Vetejar (Córdoba), which suffers lack of water and poor quality of it. The improvements that this technology provides are justified by the 13 ºC increase of the cooling temperature at this site, while maintaining the same condensing pressures at turbine outlet. This allows to increase net electric performance of the facility, reducing electric self-consumption and eliminate the annual consumption of cooling water. This last point has allowed to increase the availability of the installation, and with it the electricity output per year. This technology can be incorporated to any industrial process that condenses steam from different processes, mainly in power plants that use a Rankine cycle, obtaining the maximum gross and net electrical performance, and without the need to consume cooling water.