El desafío
por Teruako Ito, Toshitako Higashikoba, Satoshi Iwami (Universidad de Tokushima), Masato Tamura y Akira Takami (IHI Corporation)
Tal y como se presentó en la Conferencia de Simulación de Invierno de 2018
El papel de las centrales térmicas es cada vez más importante en Japón debido a la reducción del número de centrales nucleares tras el terremoto de Tohoku en el Océano Pacífico. Se espera que el suministro de energía renovable sea una alternativa en términos de seguridad energética, pero es difícil asegurar la energía de una manera muy estable. Como resultado, se producen demandas inesperadas de generación de energía térmica de forma irregular para cubrir la fluctuación de la oferta y/o la demanda de energía. En estas circunstancias, el uso de centrales térmicas equipadas con una caldera de carbón está cambiando hacia una forma de funcionamiento más dinámica y complicada. Esta investigación realizó un estudio con los dos tipos de modelos de simulación para aclarar este funcionamiento; a saber, un modelo de simulación de fluidos de caldera de carbón; y un modelo de simulación de procesos de central térmica. En este artículo se muestran estos dos tipos de enfoques de modelado y se analiza la viabilidad de los modelos aplicados en este estudio para proponer una solución basada en la simulación para el funcionamiento adaptable de las centrales eléctricas.
Introducción
En respuesta al Gran Terremoto del Este de Japón que se produjo en 2011, todas las centrales nucleares fueron inspeccionadas fundamentalmente y el número de centrales nucleares que operan en Japón se han reducido drásticamente. Hasta ahora, las centrales térmicas han desempeñado un papel importante en el suministro de energía en Japón, pero su demanda es cada vez mayor tras el terremoto. Desde el punto de vista de la seguridad energética, las energías renovables, como la generación de energía solar y la generación de pequeñas centrales hidroeléctricas, han atraído la atención como fuente de energía alternativa para cubrir el suministro eléctrico en Japón. Dado que es difícil garantizar el suministro de estas energías renovables de forma estable, las demandas imprevistas recurren de forma irregular a la generación de energía térmica para cubrir la fluctuación de la oferta y/o la demanda de electricidad. En estas circunstancias, el uso de centrales térmicas equipadas con calderas de carbón está cambiando hacia una forma de funcionamiento más dinámica y complicada para controlar el equilibrio adecuado del caudal de agua y vapor mediante la determinación de varios flujos de entrada utilizando el ajuste fino de las compuertas para la generación optimizada de energía. Las centrales eléctricas funcionan básicamente de forma automática, sin embargo, su ajuste fino y control de funcionamiento crítico sigue siendo gestionado por expertos humanos, lo que significa que el procedimiento interno de funcionamiento de la central eléctrica sigue siendo poco claro en muchas situaciones. Esta investigación implementó dos tipos de modelos de simulación, que son un modelo de simulación de fluidos de caldera de carbón y un modelo de simulación de procesos de central térmica para ayudar a clarificar el funcionamiento. Este documento muestra estos dos tipos de enfoques utilizando estos modelos y discute la viabilidad de los modelos implementados en este estudio.
La solución
Revisión de los parámetros de diseño mediante un modelo de simulación de fluidos de caldera de carbón
El primer enfoque de este estudio se basó en un modelo de simulación de fluidos (CFD) de caldera de carbón, que se compone de varios componentes, como los economizadores 1.º/2.º, los sobrecalentadores 1.º/2.º/3.º/4.º, los recalentadores 1.º/2.º, el separador de vapor, el tubo de la pared del horno, el tubo del techo, etc. Simulando el balance de flujo de los tubos en cada componente, se calculó la velocidad de flujo del fluido en el modelo. Centrándonos en el cuarto componente del supercalentador, se realizó una simulación fluidodinámica en diversas condiciones. Como resultado, se comprobó que la pérdida de presión se debía a la variación del caudal de cada tubo. Por lo tanto, se ajustó la homogeneidad del caudal insertando un orificio a la entrada de cada tubo. Como resultado, se consiguió el equilibrio del caudal mediante la combinación de tubos con orificio insertado.
Revisión de los parámetros de funcionamiento mediante un modelo de simulación de procesos de una central térmica
El segundo enfoque de este estudio se basó en un modelo de simulación de procesos (PSM) (Joines y Roberts 2015; Kelton et al. 1998; Smith et al. 2015) de una central térmica básica, que se compone de procesos de flujo de aire, agua y combustible como entidades de entrada, mientras que la electricidad como entidad de salida en el modelo. El funcionamiento de la central térmica utiliza los valores numéricos de los parámetros de funcionamiento, como los parámetros de entrada de combustible/aire/fluido, el grado de apertura de la compuerta para ajustar la entrada de aire, el tiempo de proceso en cada dispositivo y la potencia de salida de la central. En este estudio se implementó un modelo de proceso utilizando estos parámetros para simular el funcionamiento de la planta basándose en los datos recogidos de una planta en funcionamiento. Para verificar el modelo, se realizaron experimentos de simulación utilizando una serie de combinaciones de parámetros, incluyendo el tiempo de proceso en el molino de carbón, el quemador, el horno, el recalentador y la turbina. Mediante la variación de los parámetros de entrada de aire y combustible en el modelo, se calculó y revisó la eficiencia de la generación de energía para estudiar el rendimiento del modelo de planta. Como resultado, el modelo de proceso de la central térmica funcionó como banco de trabajo para estudiar los parámetros de funcionamiento desde un punto de vista diferencial.
El impacto empresarial
Conclusiones
El uso de centrales térmicas equipadas con grandes calderas se ha desplazado hacia un modo de funcionamiento más dinámico y complicado debido a los cambios en la relación de suministro de generación de energía eléctrica en Japón. Es difícil hacer frente a un cambio repentino en la demanda, así como a una gran pérdida de eficiencia en la generación de energía operando únicamente mediante el funcionamiento automático de una central térmica. En este artículo se explican los entornos cambiantes que rodean a las centrales térmicas y se proponen dos tipos de enfoques basados en la simulación para hacer frente al problema del funcionamiento dinámico de las centrales. En cuanto a la dinámica del flujo de fluidos en los complicados tubos de una caldera de carbón, se simuló la visualización de un flujo desequilibrado, lo cual es imposible en una caldera física en el mundo real. En cuanto al comportamiento del flujo de entrada/salida de la central térmica, la visualización del comportamiento de los flujos se simuló de forma orientada al proceso, lo que también es imposible en una central física en el mundo real. A pesar de que estos modelos implementados en este estudio se encuentran todavía en la fase inicial de implementación, el resultado muestra la viabilidad del enfoque basado en la simulación como una nueva dirección para desafiar el problema de la operación dinámica de la planta con el fin de hacer frente a la imprevisibilidad en el suministro y/o la demanda de energía y proponer una solución basada en la simulación para manejar la operación adaptable de la planta.
Referencias
Joines J. A., y S. D. Roberts. 2015. Simulation Modeling with SIMIO: A Workbook, SIMIO LLC, PA, USA.
Kelton W.D., R. P. Sadowski y D. T. Strurrock. 1998. Simulation with Arena. WCB McGraw-Hill, Boston, MA, EE.UU.
Smith S. S., D. T. Sturrock y D. W. Kelton. 2015. Simio and Simulation: Modeling, Analysis, Applications. SIMIO LLC, PA, USA.