Descripción y contextualización de la asignatura

En la asignatura “Centrales Termoeléctricas” se contextualiza la generación eléctrica en la sociedad actual y se prepara al alumno a un enfoque profesional dentro del área de generación de energía eléctrica. Se describen los aspectos termodinámicos fundamentales de las centrales térmoelectricas, con énfasis en entender los criterios que subyacen en los diseños de las centrales basadas en el uso de ciclo Rankine y/o Brayton.



La asignatura profundiza en los aspectos tecnológicos de los equipos de una Central de Ciclo Combinado y de una Central Térmica convencional o renovable: Turbinas de Gas, Calderas de Recuperación, Turbinas de Vapor, Sistemas Auxiliares, calderas convencionales y calderas de biomasa. Se analizan los criterios de diseño de los equipos y se estudia cómo operan en condiciones reales.



Dicha asignatura, que se imparte en el Master Universitario en Ingeniería Industrial, es una asignatura optativa de 6 créditos que se enmarca en la intensificación Termo-energética. Para esta asignatura, se parte de la idea de que el alumnado ha adquirido durante el Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales una base sólida en Termodinámica, Mecánica de Fluidos, Transmisión de calor e Ingeniería Térmica. Asimismo, asume que el alumnado ha alcanzado los resultados de aprendizaje de otras asignaturas del Master como Motores e Instalaciones Térmicas, Motores Térmicos basados en Turbomáquinas y Termoeconomía. Esta asignatura se coordina horizontalmente con la asignatura del Master Plantas de Cogeneración.

Resultados del aprendizaje de la asignatura

RA1: Realizar informes, anteproyectos, proyectos y auditorías sobre centrales térmicas tanto convencionales como de ciclo combinado.

RA2: Operar instalaciones termoeléctricas con garantías de calidad y seguridad.

RA3: Resolver incidencias surgidas en la operación normal de centrales termoeléctricas.

RA4: Diseñar partes de centrales termoeléctricas utilizando los conocimientos adquiridos y su posterior análisis de funcionamiento.

RA5: Exponer y defender las conclusiones de los informes, anteproyectos, proyectos y auditorías mediante el uso de una adecuada estructura lógica y un lenguaje apropiado para público especialista y no especialista.

RA6: Elaborar informes técnicos sobre el estado de cada uno de los equipos principales que conforman una central termoeléctrica.

RA7: Conocer los parámetros fundamentales de mantenimiento de los equipos principales de una central termoeléctrica.

RA8: Demostrar sus habilidades para cooperar de forma activa y positiva en los trabajos de grupo.

Convocatoria ordinaria: orientaciones y renuncia

TRABAJOS PRÁCTICOS y EXPOSICIONES: Cada seminario evaluable supondrá el 6,25% de la nota final. De los 6,25 puntos de cada seminario, 5 puntos corresponderán al grado de optimización obtenido con el modelo EES desarrollado por los alumnos. Los otros 1,25 puntos de cada seminario, corresponden a la presentación que cada grupo de alumnos realice en cada seminario sobre los resultados de su modelo EES. Los seminarios se organizarán de la siguiente manera:



- S1, S2 y S3 (3 h cada uno): Durante la primera hora de cada seminario cada grupo presentará y analizará su modelo y sus resultados obtenidos. Durante la segunda hora el profesor les enseñará los resultados del caso real y discutirá con ellos las posibles mejoras de los modelos presentados durante la primera hora. Los alumnos dispondrán de la tercera hora para mejorar su modelo con ayuda del profesor. Una vez finalizado el seminario los alumnos dispondrán de cinco días para subir a eGela los resultados mejorados y el modelo EES desarrollado.



- S4 (6 h): Durante la primera hora del seminario cada grupo presentará y analizará su modelo y sus resultados obtenidos. Durante la segunda y tercera hora el profesor les enseñará los resultados del ciclo combinado real operando en diferentes condiciones Off-design y discutirá con ellos las posibles mejoras de los modelos presentados durante la primera hora. Los alumnos dispondrán de tres horas presenciales para mejorar su modelo con ayuda del profesor. Una vez finalizadas estas tres horas, los alumnos dispondrán de cinco días para subir a eGela los resultados mejorados y el modelo EES desarrollado.



EXAMEN ESCRITO: el examen escrito supondrá el 75% de la nota final.





NOTA FINAL:



EXAMEN ESCRITO (75%) + TRABAJO PRÁCTICO (20%) + EXPOSICIONES (5%)





CONDICIONES:



- REQUISITO MÍNIMO: Para aprobar la asignatura en el examen escrito habrá que obtener un mínimo del 50%. En caso de no llegar al mínimo requerido en actas aparecerá la nota del examen escrito, sin incluir las notas de los seminarios.



- FESTIVOS: Si debido a días festivos no se realizase alguno de los seminarios evaluables, la nota de los seminarios se prorrateará al número de seminarios realizados para que siga teniendo el peso correspondiente de la nota final.



- RENUNCIA: La renuncia supondrá la calificación de No presentado/a. Para renunciar bastará con no presentarse a la prueba escrita.



- EVALUACION FINAL: La persona que se quiera acoger al sistema de evaluación final renunciando así al sistema de evaluación continua, deberá notificarlo por escrito al coordinador de la asignatura antes de que hayan transcurrido 6 semanas desde el inicio del curso. En este sistema, el formato de prueba escrita es igual al de la convocatoria ordinaria manteniendo el requisito mínimo. La parte de la evaluación continua consistirá en la realización de un programa en EES que sea capaz de simular un ciclo de vapor de una central de ciclo combinado en condiciones Off-design de la turbina de Gas (25% de la nota final). La fecha de entrega del programa será decidida por el profesor.

Convocatoria extraordinaria: orientaciones y renuncia

Las condiciones son las mismas que en la convocatoria ordinaria, pero la convocatoria extraordinaria consta sólo del examen escrito. Para obtener la nota final, al examen escrito se le suman las calificaciones obtenidas en los cuatro seminarios. Las notas de los cuatro seminarios se guardarán durante el curso, pero en ningún caso para el curso siguiente.



Si algún estudiante no ha superado la parte de evaluación continua (menos del 50% en la nota combinada de los cuatro seminarios), y quisiera repetir esa parte, deberá ponerse en contacto con el coordinador de la asignatura con al menos 1 semana de antelación sobre la fecha del examen escrito de la convocatoria extraordinaria. En tal caso, la parte de la evaluación continua consistirá en la realización de un programa en EES que sea capaz de simular un ciclo de vapor de una central de ciclo combinado en condiciones Off-design de la turbina de Gas (25% de la nota final). La fecha de entrega del programa será decidida por el profesor.



- RENUNCIA: La renuncia supondrá la calificación de No presentado/a. Para renunciar bastará con no presentarse a la prueba escrita.

Temario

A continuación, se detalla la estructura y contenido del programa:



Tema 1. Introducción. Tecnologías de generación termoeléctrica. Centrales de ciclo combinado. Descripción básica de centrales. Justificación de la realización de centrales. Centrales ciclo Rankine. Descripción básica centrales de ciclo Rankine. Justificación de la realización de centrales ciclo Rankine.



Tema 2. Aplicación de conceptos termodinámicos a las Centrales de ciclo Rankine. Fundamentos termodinámicos. Mejoras del Ciclo de Rankine. Tipos de Combustibles. Configuraciones industriales. Cálculo del Rendimiento global y de cada uno de los Equipos Principales. Implantación. Prestaciones. Impacto ambiental.



Tema 3. Generadores de Vapor. Clasificación y Características. Fundamentos termodinámicos. Cálculo del Rendimiento. Mejoras a considerar. Calderas con quemador. Calderas de Recuperación. Calderas para combustibles sólidos. Calderas de Parrilla. Calderas de Lecho Fluido.



Tema 4. Turbinas de Vapor. Fundamentos y tipos. Aplicaciones. Fabricantes. Regulación. Operación y Mantenimiento.



Tema 5. Turbinas de Gas. Fundamentos y tipos. Aplicaciones. Fabricantes. Regulación. Operación y Mantenimiento.



Tema 6. Centrales de ciclo combinados. Introducción. Fundamentos termodinámicos. Configuraciones industriales. Estudio energético de cada equipo principal. Cálculo del Rendimiento eléctrico. Implantación. Estudio Económico. Impacto ambiental.



Tema 7. Centrales Térmicas de Biomasa. Introducción. Estado del Arte. Fundamentos y tipos. Gestión de la Biomasa. Problemas inherentes a la gestión. Isla de Potencia. Estudio Económico. Operación y Mantenimiento. Ventajas e Inconvenientes.



Tema 8. Centrales Termosolares. Tipos. Ventajas e Inconvenientes de cada tipo. Campo Solar. Isla de Potencia. Descripción y Dimensionamiento de los equipos principales. Estudio Económico.



Tema 9. Ciclo Orgánico de Rankine. Descripción. Aplicaciones industriales. Ventajas e Inconvenientes. Estudio Económico.



Tema 10. Sistemas de una central. Sistemas auxiliares de una central. Sistema de refrigeración. Sistema del combustible. Tubería. Sistemas eléctricos. Sistemas de control.



Tema 11. Gestión de un Proyecto completo de una Central Termoeléctrica. Organización y fases del proyecto. Permisos. Documentación de ingeniería. Legislación a cumplir. Cronograma. Estudio Económico.



Tema 12: Operación y Mantenimiento de Centrales Termoeléctricas.



Estos contenidos se impartirán utilizando estas metodologías docentes:



M (Magistral) + GA (Prácticas de aula): Para las clases magistrales se utilizarán presentaciones y se intercalarán convenientemente una serie de problemas de cada tema. Los estudiantes deberán tomar notas y serán preguntados aleatoriamente sobre como resolverían determinadas partes de los problemas.



S (Seminarios): En grupos de 3-4 personas, están previstos 4 seminarios evaluables. Estos cuatro seminarios tratarán de modelar mediante el software EES (Engineering Equation Solver) una central de ciclo combinado real de la siguiente manera:



- S1 (3 h): Relativo al tema “Turbinas de Gas”. Dos semanas antes del seminario se repartirá a los alumnos una serie de especificaciones respecto a una turbina de gas real que opera en un ciclo combinado. Cada grupo deberá modelar la Turbina de gas en su punto nominal de operación y estimar la potencia eléctrica generada y la composición y temperatura de los humos de escape.



- S2 (3 h): Relativo a los temas “Calderas de recuperación (HRSG) y Turbina de Vapor”. Dos semanas antes del seminario se repartirá a los alumnos una serie de especificaciones respecto al HRSG y Turbina de Vapor real que opera en el ciclo combinado que lleva la turbina de gas modelada en el S1. Cada grupo deberá modelar el HRSG y la Turbina de Vapor en su punto nominal de operación y estimar la potencia eléctrica generada, estimar los flujos de vapor generados y dibujar el diagrama Temperatura–Potencia del HRSG.



- S3 (3 h): Relativo a los temas “Calderas de recuperación (HRSG) y Turbina de Vapor”. Utilizando el modelo EES del seminario 2. Cada grupo deberá optimizar los modelos del HRSG y de la Turbina de Vapor en su punto nominal de operación para maximizar el rendimiento térmico del ciclo de vapor. Se calculará el rendimiento optimizado utilizando las herramientas de optimización del EES y se dibujará el diagrama Temperatura–Potencia del HRSG.



- S4 (6 h): Relativo a los temas “Calderas de recuperación (HRSG) y Turbina de Vapor”. Utilizando el modelo EES del seminario 3, cada grupo deberá hacer trabajar al ciclo optimizado bajo condiciones fuera de diseño (Off-Design). Cada grupo analizará un caso Off-design diferente y se calculará el rendimiento térmico de la planta, la potencia eléctrica producida, caudal de humos en la entrada del HRSG, caudal de vapor en la entrada de la turbina de alta presión y se dibujará el diagrama Temperatura–Potencia del HRSG.

Bibliografía

Materiales de uso obligatorio

- Materiales que se publicarán a lo largo del curso en la plataforma virtual eGela (presentaciones de las clases magistrales, enunciados, Tablas y Diagramas Termodinámicos, guiones para la realización de los trabajos prácticos, etc.).







- Sabugal García, S., Gómez Moñux, F., Centrales termoeléctricas de ciclo combinado, teoría y proyecto, Editorial Diaz de Santos, 2006.

Bibliografía básica

- Rolf Kehlhofer, Bert Rukes, Frank Hahnemann, Franz Stirnimann, Combined-Cycle Gas & Steam Turbine Power Plants, Pennwell Books, 2009.



- Meherwan P. Boyce, Gas Turbine Engineering Handbook, Gulf Professional Publishing, 2017



- Meherwan P. Boyce, Handbook for Cogeneration and Combined Cycle Power Plants, American Society of Mechanical Engineers,U.S., 2010

Bibliografía de profundización

- Gregory L. Tomei (Ed.), STEAM its generation and use, The Babcock & Wilcox Company, 42nd edition.







- Japikse, David, Introduction to Turbomachinery, Concepts Eti, 1994

Revistas

- Gas Turbine World







- Energy Conversion and Management, Elsevier.







- Applied Thermal Engineering, Elsevier.

Enlaces

- https://www.asme.org/