Desarrollo de un modelo para la caracterización termoeconómica de ciclos combinados de turbinas de gas y de vapor en condiciones de carga variable

En la actualidad, el interés por las plantas de potencia de ciclo combinado de gas y vapor ha experimentado un notable aumento debido a su alto rendimiento, bajo coste de generación y rápida construcción. El objetivo fundamental de la tesis es profundizar en el conocimiento de esta tecnología, insuficientemente conocida hasta el momento debido al gran número de grados de libertad que existen en el diseño de este tipo de instalaciones. El estudio se realizó en varias fases. La primera consistió en analizar y estudiar las distintas tecnologías que se pueden emplear en este tipo de centrales, algunas muy recientes o en fase de investigación, como las turbinas de gas de geometría variable, las turbinas de gas refrigeradas con agua o vapor del ciclo de vapor o las calderas de paso único que trabajan con agua en condiciones supercríticas. Posteriormente se elaboraron los modelos matemáticos que permiten la simulación termodinámica de cada uno de los componentes que integran las plantas, tanto en el punto de diseño como a cargas parciales. Al mismo tiempo, se desarrolló una metodología novedosa que permite resolver el sistema de ecuaciones que resulta de la simulación de cualquier configuración posible de ciclo combinado. De esa forma se puede conocer el comportamiento de cualquier planta en cualquier punto de funcionamiento. Por último se desarrolló un modelo de atribución de costes para este tipo de centrales. Con dicho modelo, los estudios se pueden realizar no sólo desde un punto de vista termodinámico sino también termoeconómico, con lo que se pueden encontrar soluciones de compromiso entre rendimiento y coste, asignar costes de producción, determinar curvas de oferta, beneficios económicos de la planta y delimitar el rango de potencias donde la planta es rentable. El programa informático, desarrollado en paralelo con los modelos de simulación, se ha empleado para obtener resultados de forma intensiva. El estudio de los resultados permite profundizar ampliamente en el conocimiento de la tecnología y, así, desarrollar una metodología de diseño de este tipo de plantas bajo un criterio termoeconómico. ABSTRACT The growing energy demand and the need of shrinking costs have led to the design of high efficiency and quick installation power plants. The success of combined cycle gas turbine power plants lies on their high efficiency, low cost and short construction lead time. The main objective of the work is to study in detail this technology, which is not thoroughly known owing to the great number of degrees of freedom that exist in the design of this kind of power plants. The study is divided into three parts. Firstly, the different technologies and components that could be used in any configuration of a combined cycle gas turbine power plant are studied. Some of them could be of recent technology, such as the variable inlet guide vane compressors, the H-technology for gas turbine cooling or the once-through heat recovery steam generators, used with water at supercritical conditions. Secondly, a mathematical model has been developed to simulate at full and part load the components of the power plant. At the same time, a new methodology is proposed in order to solve the equation system resulting for any possible power plant configuration. Therefore, any combined cycle gas turbine could be simulated at any part load condition. Finally a themoeconomic model is proposed. This model allows studying the power plant not only from a thermodynamic point of view but also from a thermoeconomic one. Likewise, it allows determining the generating costs or the cash flow, thus achieving a trade off between efficiency and cost. Likewise, the model calculates the part load range where the power plant is profitable. Once the thermodynamic and thermoeconomic models are developed, they are intensively used in order to gain knowledge in the combined cycle gas turbine technology and, in this way, to propose a methodology aimed at the design of this kind of power plants from a thermoeconomic point of view

Global Methods for Calculating Shading and Blocking Efficiency in Central Receiver Systems

This paper presents three new methods for calculating the shading and blocking efficiency in Central Receiver Systems (CRSs). All of them are characterized by the calculation of multiple useful and total reflecting areas without the need to resort to parallel calculation in the CPU or GPU, and by low computation times and minimum errors. They are being specially designed for implementation in codes focused on heliostat field design and optimization in CRSs. The proposed methods have been compared against two outstanding “individual” methods (homology and Boolean operations), in addition to a reference case based on the Monte Carlo ray-tracing (MCRT) technique. The results indicate that one of the proposed methods presents reduced error values and high computational speed, even relaxing the restrictions on candidate filtering. At the same error level, the global method is up to 7.80 times faster than the fastest individual method (homology) and up to 194 times faster than the method based on the MCRT technique. The causes of the main errors of each method are also analyzed.The authors acknowledge the financial support of the Spanish Ministry of Science and Innovation to the PID2019-110283RB-C31 project.Departamento de Ingeniería de Diseño y Proyecto

On existence of trends applicable to thermoeconomic optimisation of combined cycle gas turbine power plants

This paper aims at the influence of the nominal power on the design configuration of combined cycle gas turbine (CCGT) power plants. This is achieved by means of a thermoeconomic model aimed at the minimisation of the power plant cost. The present work starts with the establishment of trends in existing commercial gas turbines. Based on these, other trends are found for the design of the whole CCGT, leading to the assessment of the most suitable heat recovery steam generator type and the optimal design parameters. Finally, an analysis of the influence of fuel price on the design configuration is carried out. This serves two purposes: to observe the dependence of economic results with fuel prices and to determine whether fuel price variations might influence the previously established trends in the CCGT design

Realización de prácticas de laboratorio on-line para la asignatura Termotecnia (Grados Ingeniería Mecánica e Ingeniería en Tecnologías Industriales - ETSII - UNED)

[EN] Elementary Heat Transfer (ETSII-UNED) is a semester course in Mechanical Engineering and Industrial Technology Engineering, with 116 registered students (academic year 2014/2015) and high student involvement (a total of 700 messages in the forums of the virtual course during the academic year 2014/2015). The Heat Transfer has a practical approach, and that is why it is required a practical work in the laboratory. Until recently, these works were accomplished by the students in the University campus. Thanks to advances in technology and the large number of resources that are currently available in the UNED, the teachers of this subject made a simulation work that students could perform on-line, to prevent unnecessary journeys, while maintaining its quality, so that students could dimensioning real industrial facilities. It was selected a current and novelty industrial facility, interesting for the students and that could also be modeled using skills that students had acquired in the Heat Transfer course. Specifically, a solar parabolic trough collector was chosen because it satisfied the above requirements and the students could analize in a practical application the three modes of heat transfer: conduction, convection and radiation.[ES] La asignatura Termotecnia (ETSII-UNED) es una asignatura semestral del grado en Ingeniería Mecánica y en Ingeniería en Tecnologías Industriales, con 116 alumnos matriculados (curso 2014/2015) y una muy alta participación (un total de 700 mensajes en los foros del curso virtual durante el curso académico 2014/2015). La asignatura tiene un enfoque práctico, y es por ello que es preciso realizar una práctica obligatoria. Hasta hace relativamente poco, las prácticas se hacían en la sede central. Gracias al avance de la tecnología y al gran número de recursos que actualmente están disponibles en la UNED, los profesores de dicha asignatura se plantearon la posibilidad de que las prácticas pudieran ser on-line, para evitar desplazamientos, pero manteniendo su calidad, de tal forma que el alumno pudiera dimensionar y conocer instalaciones industriales reales. Se eligió una instalación industrial que despertara interés en los alumnos por su actualidad y novedad, y que, además se pudiera modelar aplicando los conocimientos que el alumno había adquirido en la asignatura. En concreto, se eligió un colector solar cilindro parabólico, pues reunía los requisitos anteriormente citados y el alumno podía estudiar en una aplicación práctica los tres modos de transmisión de calor: conducción, convección y radiación.Montes Pita, M.; Rovira De Antonio, A.; Barbero Fresno, R. (2015). Realización de prácticas de laboratorio on-line para la asignatura Termotecnia (Grados Ingeniería Mecánica e Ingeniería en Tecnologías Industriales - ETSII - UNED). En In-Red 2015 - CONGRESO NACIONAL DE INNOVACIÓN EDUCATIVA Y DE DOCENCIA EN RED. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/INRED2015.2015.1552OC

Comparativa de distintos métodos para el cálculo de la incidencia de potencia en campos solares de torre central

El objetivo fundamental del trabajo que se presenta es la propuesta de herramientas i formáticas de simulación y post-proceso de plantas termosolares de torre que, derivando de las técnicas ray-tracing aporten, sin merma apreciable de la precisión, una reducción de los tiempos de ejecución, pues se trata de uno de los principales inconvenientes del método. En primer lugar se exponen las hipótesis de partida de los códigos desarrollados. Se continuará realizando un acercamiento a los errores ópticos involucrados en los problemas de simulación. Posteriormente se exponen los esquemas de operación de los códigos presentados. Finalmente se llevará a cabo un estudio de los tiempos de ejecución y de precisión. En el presente documento se presentarán dos códigos de simulación de plantas termosolares de torre con receptor de cavidad. Ambos se han desarrollado en lenguaje de programación propio de MATLAB. El primero de los cuales se considera un código ray-tracing convencional (código RT), optimizado para cálculo paralelo y basado en la proyección de un solo rayo incidente encada punto de cálculo elegido sobre la superficie reflectante del heliostato. Sus prestaciones y resultados se emplearán como modelo de referencia. El segundo código presentado (código RT-HR) considera que en un mismo punto de la superficie reflectante del heliostato se aplican más de un rayo incidente.Los autores desean agradecer al Ministerio de Economía y Competitividad la financiación proporcionada al trabajo, a través de los proyectos de Plan nacional de I+D+i ENE2012-37950-C02- 01 y ENE2012-37950-C02-02

Optimización de centrales de ciclo combinado con turbina de gas parcialmente regenerativa

El objetivo del presente artículo es el análisis y la optimización de una propuesta de ciclo combinado con turbina de gas parcialmente regenerativa y con calderas de recuperación de calor de dos y tres niveles de presión con recalentamiento. En la actualidad, la totalidad de los ciclos combinados instalados consisten en turbinas de gas de ciclo simple o de combustión secuencial, cuyo gas de escape se emplea para producir vapor en calderas de dos o tres niveles de presión, con la finalidad última de producir potencia en una turbina de vapor. Comercialmente no se han empleado turbinas de gas de ciclo regenerativo, debido a que la introducción de un regenerador introduce cierta complejidad en el ciclo y, aunque permite el ahorro combustible, también merma la producción de vapor por la disminución de la temperatura del gas a la entrada de la caldera. No obstante lo anterior, existen trabajos (por ejemplo [1]) en los que se demuestra la viabilidad termodinámica de las turbinas de gas de ciclo regenerativo en ciclos combinados. La configuración objeto de estudio (propuesta en [2]) consiste en la introducción de una regeneración parcial del aire proveniente del compresor con parte de los gases de escape de la turbina. El resto de la fracción másica de gases de escape se dirige a los intercambiadores de calor de mayor temperatura de la caldera de recuperación de calor (sobrecalentador de alta y recalentador, en su caso), manteniendo intacta la temperatura máxima alcanzable por el ciclo de vapor. Ambas corrientes se vuelven a mezclar antes de la entrada al evaporador de alta presión, continuando por el resto de intercambiadores (economizadores e intercambiadores del nivel de baja presión). Con objeto de comparar de forma homogénea las distintas configuraciones se procede a tres tipos de optimizaciones: (1) una optimización exclusivamente termodinámica, con el rendimiento térmico del ciclo como función a maximizar; (2) una optimización termodinámica limitando el tamaño de los equipos de transferencia de calor (regenerador + caldera de recuperación); y (3) una optimización termoeconómica minimizando el coste de producción.Los autores desean agradecer al Ministerio de Economía y Competitividad la financiación proporcionada al trabajo, a través del proyecto de Plan nacional de I+D+i ENE2012-37950-C02-01

Simulación de instalaciones térmicas con Openmodelica para la realización de prácticas virtuales

La enseñanza a distancia de disciplinas cuyo contenido práctico tiene una cierta relevancia, como por ejemplo las asignaturas de ingeniería concernientes a instalaciones, suele verse mermada o dificultada por la carencia de prácticas de laboratorio que permitan al alumno adquirir una visión más completa y realista de la asignatura. Para paliar esta circunstancia se están desarrollando en el Departamento de Ingeniería Energética de la ETSII de la UNED una serie de prácticas virtuales consistentes en la modelización de cada uno de los elementos típicos de una instalación térmica, para posteriormente poder ser conectados entre sí dando lugar a la reproducción simulada de una determinada instalación. Entre ellos se incluyen elementos hidráulicos (bombas, ventiladores, tuberías, conductos, valvulería), térmicos (calderas, emisores de calor) y de control (controladores). Se modela tanto la parte térmica como hidráulica de cada uno de los elementos: balances de materia y energía y cálculo de la pérdida de presión de los circuitos hidráulicos. El lenguaje de programación escogido ha sido Modelica, en el entorno Openmodelica, de carácter libre y gratuito, para facilitar el acceso a los alumnos. Este entorno es muy visual, fácil de utilizar, permite conexionar los elementos de la misma manera que se haría en el caso real y extraer resultados de cada punto de la instalación. El objetivo de estas prácticas es ayudar a los estudiantes a comprender mediante la práctica determinados aspectos de la asignatura y reforzar algunos de los conceptos más importantes, así como comprobar la solidez de los conocimientos adquiridos. Además aumentando el apartado práctico de las asignaturas, se pretende aumentar el interés y fomentar el estudio de las asignaturas y con ello la mejora de los resultados académicos

Automatic real-time monitoring and assessment of tremor parameters in the upper limb from orientation data

Upper limb tremor is the most prevalent movement disorder and, unfortunately, it is not effectively managed in a large proportion of the patients. Neuroprostheses that stimulate the sensorimotor pathways are one of the most promising alternatives although they are still under development. To enrich the interpretation of data recorded during long-term tremor monitoring and to increase the intelligence of tremor suppression neuroprostheses we need to be aware of the context. Context awareness is a major challenge for neuroprostheses and would allow these devices to react more quickly and appropriately to the changing demands of the user and/or task. Traditionally kinematic features are used to extract context information, with most recently the use of joint angles as highly potential features. In this paper we present two algorithms that enable the robust extraction of joint angle and related features to enable long-term continuous monitoring of tremor with context awareness. First, we describe a novel relative sensor placement identification technique based on orientation data. We focus on relative rather than absolute sensor location, because in many medical applications magnetic and inertial measurement units (MIMU) are used in a chain stretching over adjacent segments, or are always placed on a fixed set of locations. Subsequently we demonstrate how tremor parameters can be extracted from orientation data using an adaptive estimation algorithm. Relative sensor location was detected with an accuracy of 94.12% for the 4 MIMU configuration, and 100% for the 3 MIMU configurations. Kinematic tracking error values with an average deviation of 8% demonstrate our ability to estimate tremor from orientation data. The methods presented in this study constitute an important step toward more user-friendly and context-aware neuroprostheses for tremor suppression and monitoring

Rendimiento térmico de diferentes tipos de turbinas de gas en aplicaciones de pequeña potencia

El objetivo de este trabajo es estudiar si la pérdida de rendimiento que tiene lugar a bajos números de Reynolds (Re) puede representar un problema en turbinas de gas de pequeña potencia y, en caso afirmativo, si el empleo de ciclos alternativos como los Joule-Brayton inversos o los supercríticos con CO2 (sCO2) pueden considerarse una solución a ese problema. En primer lugar, se explican y se comparan dos procedimientos diferentes para el cálculo de la pérdida de rendimiento por bajos Re en turbomáquinas. A continuación, se utilizan los parámetros de diseño de un cierto número de turbinas de gas comerciales para demostrar que esa pérdida de rendimiento es significativa para potencias inferiores a 1,5 MW aproximadamente. Por último, se calculan los rendimientos y números de Reynolds de los otros tipos mencionados de turbinas de gas. El sCO2 se muestra como una alternativa prometedora, ya que, con ese ciclo, Re experimenta un considerable aumento y el rendimiento puede considerarse bueno. El ciclo inverso, por el contrario, es una opción menos interesante por su bajo rendimiento y porque no conlleva mejoras en el Re.Ministerio de Economía y Competitivida

Development of the European Healthcare and Social Cost Database (EU HCSCD) for use in economic evaluation of healthcare programs

This study has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under Grant agreement no. 779312.Introduction: Costs are one of the critical factors for the transferability of the results in health technology assessment and economic evaluation. The objective is to develop a cost database at the European level to facilitate cross-border cost comparisons in different settings and explains the factors that lead to differences in healthcare costs in different countries, taking into account the differences between health systems and other factors. Methodology: The core of the database is compounded of three main categories (primary resources, composite goods and services, and complex processes and interventions) organized into 13 subcategories. A number of elements providing as detailed information of unit cost as possible were identified in order to mitigate the problem of comparability. Consortium partners validated both the database structure and selected costing items. Results: Twenty-seven costing items included in the EU HCSCD resulted in 1450 unit costs when taking into account all item subtypes and countries. Cross-country differences in costs are driven by the type of resources included in the costing items (e.g., overhead costs in case of complex processes and interventions) or by the variety of existing brands and/or models and the type of unit value in most of the primary resources. Conclusion: The EU HCSCD is the only public unit healthcare and social cost database at European level that gather data on unit costs and explains differences in costs across countries. Its maintenance and regular data updating will enable establishing specific systems for generating and recording information that will meet many of its current limitations.European Commission 77931