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.

Evaluación de procesos de desgaste en turbinas aeronáuticas mediante espectrometría por disco rotativo(rde) y por contador de partículas láser(lnf)

En esta ponencia se realiza una revisión de diferentes metodologías para la evaluación de procesos de desgaste en turbinas aéreas derivadas. Mediante el análisis de las características del lubricante utilizado, a través de espectrometría de micropartículas y de la evaluación por contadores de partículas de tamaño superior a los 20 micrómetros, se pretende determinar procesos de desgaste y correlaciones entre diversos parámetros de funcionamiento de la turbina. Para ello se presentan las principales metodologías de análisis de aceite en uso, indicando la información que suministran, los ámbitos en los que su aplicación es pertinente, y se muestran los resultados de diferentes casos de aplicación correspondientes tanto a aeronaves de ala fija como de ala rotativa.

Estudio de las emisiones de CO2 en una instalación de turbina de gas con diferentes combustibles

El uso de las turbinas de gas en ciclo combinado es una de las alternativas más aceptadas en los últimos tiempos. Existen muchas razones por las que se está investigando sobre la posibilidad de usar otro tipo de combustibles como alternativa al característico, gas natural (metano). Entre otras, se pueden citar: la evolución del precio y la disponibilidad en una zona de algún tipo de gas de síntesis [17] así como estrategias medioambientales y de emisiones [10], [18], [20]. En la bibliografía se encuentran estudios, en los que de forma rigurosa se establece la relación entre la eficiencia de una instalación, usando balances característicos del Segundo Principio de la Termodinámica, y aspectos muy diversos como análisis de los gases de combustión [14], posibilidad de recalentamiento de los gases [19], temperaturas de gasificación [23] y temperatura de llama [18] etc. Estos estudios siempre toman como combustible el metano. En este estudio se presenta un análisis de las emisiones de CO2 (toneladas emitidas) por energía eléctrica producida (MWh) en la instalación de turbina de gas en ciclo combinado usando como combustible los primeros elementos de los hidrocarburos alcanos desde el metano, que se toma como referencia, hasta el heptano. Esto permite la determinación de las emisiones para distintos combustibles con distintas composiciones. Como parámetros relacionados directamente con la eficiencia de la instalación, se han contemplado para cada combustible diferentes temperaturas de entrada a la turbina de gas y distintas relaciones de compresión. Finalmente se obtienen una serie de curvas que relacionan la eficiencia y las emisiones con el número de carbonos presentes en el combustible. El análisis realizado pretende ser un elemento de discusión, basado en aspectos puramente termodinámicos, para la toma de decisiones

Estudio técnico-económico de una central híbrida solar-ciclo combinado (ISCC)

El objetivo de este proyecto es estudiar la viabilidad de una central híbrida solar-ciclo combinado (ISCC) en Argelia. La planta consiste en un ciclo combinado basado en dos turbinas de gas de 42 MW cada una y una turbina de vapor de 60 MW de los cuales 20 MW se deben al campo solar, siendo la potencia eléctrica de la planta 144 MW. El campo solar se ha dimensionado para obtener una contribución solar del 5% sobre la producción eléctrica anual de la instalación. La tecnología solar utilizada es la de colectores cilindro parabólicos. La integración del vapor solar en el ciclo combinado se ha considerado como vapor de alta presión ligeramente sobrecalentado. El agua de alimentación al generador de vapor solar es agua precalentada en el ciclo combinado. Para proceder al diseño de la planta se ha utilizado la herramienta GT-PRO. Se ha analizado la alternativa de incluir un sistema de almacenamiento térmico de 7,5 horas con el objetivo de mejorar el aprovechamiento de la energía del campo solar y reducir así el dumping. Finalmente, para ambas alternativas de planta se ha estimado el balance anual de energía a fin de estudiar cuál de ellas conlleva una mayor rentabilidad económica.

Parque eólico Cassino

La energía eólica, así como otras energías renovables, ha experimentado en la última década un gran auge que va extendiéndose alrededor de todo el mundo, cada vez más concienciado de la importancia de las energías renovables como una fuente alternativa de energía. Se han sumado al reto todos los países acogidos al Protocolo de Kyoto, que a fin de reducir emisiones están potenciando la energía eólica como la fuente de energía renovable hoy día más viable para la generación eléctrica. Brasil alcanzó en 2011 los 1.509 MW instalados, lo que representa el 50% de Latinoamérica, seguido por México con el 31%. Las características del sector eléctrico así como un marco legal favorable y el alto potencial eólico, hacen que la perspectiva de crecimiento en este tipo de energía sea muy favorable durante los próximos años, con estimaciones de unos 20.000 MW para 2020. El asentamiento del sector en el país de algunos de los fabricantes más importantes y los avances en cuanto a eficiencia de los aerogeneradores, mayor aprovechamiento de la energía de los vientos menos intensos, amplía las posibles ubicaciones de parques eólicos permitiendo una expansión grande del sector. El parque eólico objeto del proyecto está ubicado en el estado de Rio Grande do Sul, al sur del país, y está constituido por 33 aerogeneradores de 2,0 MW de potencia unitaria, lo que supone una potencia total instalada de 66 MW. La energía eléctrica generada en él será de 272,8 GWh/año. Esta energía se venderá mediante un contrato de compraventa de energía (PPA, Power Purchase Agreement) adjudicado por el gobierno Brasileño en sus sistemas de subasta de energía. En el proyecto se aborda primeramente la selección del emplazamiento del parque eólico a partir de datos de viento de la zona. Estos datos son estudiados para evaluar el potencial eólico y así poder optimizar la ubicación de las turbinas eólicas. Posteriormente se evalúan varios tipos de aerogeneradores para su implantación en el emplazamiento. La elección se realiza teniendo en cuenta las características técnicas de las máquinas y mediante un estudio de la productividad del parque con el aerogenerador correspondiente. Finalmente se opta por el aerogenerador G97-2.0 de GAMESA. La ejecución técnica del parque eólico se realiza de forma que se minimicen los impactos ambientales y de acuerdo a lo establecido en el Estudio de Impacto Ambiental realizado. Este proyecto requiere una inversión de 75,4 M€, financiada externamente en un 80 % y el 20 % con recursos propios del promotor. Del estudio económico-financiero se deduce que el proyecto diseñado es rentable económicamente y viable, tanto desde el punto de vista técnico como financiero. Abstract Wind energy, as well as other renewable energies, has experienced over the last decade a boom that is spreading around the world increasingly aware of the importance of renewable energy as an alternative energy source. All countries that ratified the Kyoto Protocol have joined the challenge promoting wind energy in order to reduce emissions as the more feasible renewable energy for power generation. In 2011 Brazil reached 1509 MW installed, 50% of Latin America, followed by Mexico with 31%. Electric sector characteristics as well as a favorable legal framework and the high wind potential, make the perspective of growth in this kind of energy very positive in the coming years, with estimates of about 20,000 MW by 2020. Some leading manufacturers have settled in the country and improvements in wind turbines efficiency with less intense winds, make higher the number of possible locations for wind farms allowing a major expansion of the sector. The planned wind farm is located in the state of Rio Grande do Sul, in the south of the Brazil, and is made up of 33 wind turbines of 2,0 MW each, representing a total capacity of 66 MW. The electricity generated, 272,8 GWh/year will be sold through a power purchase agreement (PPA) awarded by the Brazilian government in its energy auction systems. The project deals with the site selection of the wind farm from wind data in the area. These data are studied to evaluate the wind potential and thus optimize the location of wind turbines. Then several types of turbines are evaluated for implementation at the site. The choice is made taking into account the technical characteristics of the machines and a study of the productivity of the park with the corresponding turbine. Finally selected wind turbine is Gamesa G97-2.0. The technical implementation of the wind farm is done to minimize environmental impacts as established in the Environmental Impact Study. This project requires an investment of 75,4 M€, financed externally by 80% and 20% with equity from the promoter. The economic-financial study shows that the project is economically viable, both technically and financially.

Energía Minihidráulica

La energía basada en turbinas hidráulicas de reducida potencia es, a menudo, un ejemplo- modelo dentro del campo de las energías renovables desde su aparición a finales del S. XIX, aunque los ingenios precursores surgen mucho antes. Entre los testimonios más antiguos destacan la saqia o rueda persa y la rueda hidráulica romana que había sido previamente implementada en Extremo Oriente, y que después llega a Europa a través de Egipto. Más tarde, durante la Edad Media y el Renacimiento, se generaliza el uso de los molinos hidráulicos, además de los eólicos. Ejemplos de ello son las norias de Alepo (Siria) y de Córdoba (España). Otro caso interesante es el de los molinos de regolfo en la Península Ibérica e Iberoamérica, muy cercanos en su forma y fundamentos a las turbinas hidráulicas. Algunos de estos ingenios siguen activos en los ríos de España. Posteriormente los estudios de Euler, Burdin y Fourneyron prepararon las bases para el definitivo avance de Pelton, Kaplan, Francis, y otros, pero ya como máquinas motrices de los generadores eléctricos. En la actualidad, se admite como límite superior para minihidráulica aquellas centrales con una potencia instalada de 5000 kW, y considerando que cuando las potencias son inferiores a 100 kW se denomina micro hidráulica, aunque en Latinoamérica este límite se fija en 20 kW. El estudio del recurso hídrico, ayudado del geotécnico, constituyen la base sobre la que podremos proyectar el aprovechamiento hidroeléctrico: selección del tipo de central dentro de la tipología disponible, diseño y cálculos de la turbina, obra civil necesaria (azud, presa, canal, tubería forzada, edificio, aspiración, desagüe, etc.) y equipo electromecánico. El proyecto tecnológico se complementa con el estudio de impacto ambiental y de viabilidad económica. Muchos de estos proyectos tratan de reducir la falta de acceso a la energía en poblaciones desfavorecidas, entendida esta carencia como un factor determinante de la pobreza. Así la energía mini y micro-hidráulica adquiere un nuevo valor como tecnología para el desarrollo humano.

Seismicity and seismic risk in Spain = Sismicite et risque sismique en Espagne

The spanish seismic norm has a direct application in building construction but it recomends specific studies in the case of important public works such us large dams or bridges. For this reason, and to establish specifical criteria in its field of activity, the Dirección General de Obras Hidráulicas of the spanish Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo commissioned us a seismotectonical and seismic risk study applicable to Spain, materialized on a series of maps of inmediate and direct use. In this paper we explain the methodology pursued to obtain these maps. It has required, firstly, investigations with the aim to improve the seismic information corresponding to the historical or preinstrumental period, that allowed more precise cuantifications. Secondly, these data have been processed by probabilistic methods, using de intensity as foundamental parameter. The corresponding maps have been developed. Finally, other maps of seismic accelerations have been compiled. La normative sismorresistent espagnole á une application directe dans 1'edification, mais elle recommend la realitation des etudes especifiques dans le cas des travaux publics importants telles que ponts ou barrages. Pour cette raison et pour etablir des criteres especifiques dans son camp dáctivité, la Direccion General de Obras Hidraulicas du Ministerio de Obras Publicas y Urbanismo espagnol a commande un etude sismotectonique et de risque sismique applicable a l'Espagne, materialise en une serie de cartes de utilization directe et inmediate. Dans cette communication on explique la methodologie a suivre pour la realization de cettes cartes. Celá a fait necessaire, d'abord, des recherches pour amelliorer l'information concernant le periode historique ou preinstrumental, ce qui permet des cuantifications plus precises. En second lieu ces faits ont ête traités avec des methodes probabilistes, employant l'intensité come parametre fondamental. En consequence nous avons developpe des cartes d'intensite et d'acceleration sismique.

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

Planta de separación en plataforma Offshore

El proyecto aborda el diseño de un tren de separación de la plataforma petrolífera Njord, en el Mar del Norte. A partir del producto saliente del pozo se obtiene una corriente de crudo con características que hacen posible su venta en el mercado. Para conseguir este objetivo es necesario el diseño de un proceso que separe las tres distintas fases presentes en el fluido del pozo. Este proceso utiliza equipos como separadores, intercambiadores de calor, compresores y turbinas. Para completar el estudio del proceso se realiza un estudio energético, que incluye el sistema que proporciona energía al sistema. Abstract This project tackles the design of a crude separation unit in Njord offshore oil platform in the North Sea. The process obtains a crude oil stream that fulfils the specifications that makes it suitable to be sold in the market from the fluid that is obtained from the well. To achieve this objective it is necessary to make the design of a separation unit that divides the three different phases of the reservoir fluid. The separation unit will include the design and specification of equipment such as vessels, heat exchangers, compressors and turbines. The project also includes an energetic study, which includes de design of system that provides energy to the process.

Simulación del Tren de Licuación del Proyecto Gorgon LNG

El proyecto abarca el estudio, análisis y dimensionamiento del tren de Licuación Gas Natural del proyecto Gorgon LNG basado en la tecnología AP/C3MR de Air Products. Este estudio cubre toda la evolución del gas natural dentro del tren de licuación, antes de ser enviado a los tanques de almacenamiento, apoyándose en procesos de simulación informática. Como parte de este proyecto, se realiza una propuesta de todos los equipos (intercambiadores de calor, turbinas de gas, compresores, etc.) necesarios para la consecución del proceso teniendo como base los datos resultantes del proceso de simulación llevado a cabo. Una vez realizada tanto la simulación del proceso como la propuesta de equipos, se hace una valoración económica del proyecto que confirme la viabilidad de este tipo de tecnología, enmarcándola en el mercado de combustibles actual.

Análisis energético de las centrales de ciclo combinado con gasificación integrada y combustión mediante lazo químico

La combustión mediante lazo químico permite una integración de captura de CO2 en una planta térmica de potencia sin penalización energética. Se alcanza una menor destrucción exergética, alcanzándose un rendimiento térmico idóneo. Este proyecto se centra en el estudio del rendimiento energético en una planta de potencia con gasificación integrada cuando la cámara de combustión de las turbinas de gas se sustituye por un sistema de combustión CLC. Después del diseño termodinámico y optimización de algunos parámetros del ciclo, el rendimiento de la planta de potencia es evaluado bajo distintas condiciones de trabajo y comparado con el que se obtendría en una planta de ciclo combinado convencional con gasificación integrada y captura pre-combustión. Abstract Chemical-looping combustion allows an integration of CO2 capture in a thermal power plant without energy penalty. A less exergy destruction in the combustion chemical transformation is achieved, leading to a greater overall thermal efficiency. This Project focus on the study of the energetic performance in a cycle power plant with integrated gasification when the chamber combustion is supplied by a combustion system CLC. After thermodynamic modeling and optimization of some cycle parameters, the power plant performance is evaluated under diverse working conditions and compared to a conventional integrated gasification combined cycle with pre-combustion capture.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine

La industria de la energía eólica marina ha crecido de forma significativa durante los últimos 15 años, y se espera que siga creciendo durante los siguientes. La construcción de torres en aguas cada vez más profundas y el aumento en potencia y tamaño de las turbinas han creado la necesidad de diseñar estructuras de soporte cada vez más fiables y optimizadas, lo que requiere un profundo conocimiento de su comportamiento. Este trabajo se centra en la respuesta dinámica de una turbina marina con cimentación tipo monopilote y sobre la que actúa la fuerza del viento. Se han realizado cálculos con distintas propiedades del suelo para cubrir un rango de rigideces que va desde una arena muy suelta a una muy densa. De este modo se ha analizado la influencia que tiene la rigidez del suelo en el comportamiento de la estructura. Se han llevado a cabo análisis estáticos y dinámicos en un modelo de elementos finitos implementado en Abaqus. El desplazamiento en la cabeza de la torre y la tensión en su base se han obtenido en función de la rigidez del suelo, y con ellos se ha calculado la amplificación dinámica producida cuando la frecuencia natural del sistema suelo‐cimentación torre se aproxima a la frecuencia de la carga. Dos diferentes enfoques a la hora de modelizar el suelo se han comparado: uno utilizando elementos continuos y otro utilizando muelles elásticos no lineales. Por último, un análisis de fiabilidad se ha llevado a cabo con un modelo analítico para calcular la probabilidad de resonancia del sistema, en el que se han considerado las propiedades de rigidez del suelo como variables aleatorias. Offshore wind energy industry has experienced a significant growth over the past 15 years, and it is expected to continue its growth in the coming years. The expansion to increasingly deep waters and the rise in power and size of the turbines have led to a need for more reliable and optimized support designs, which requires an extensive knowledge of the behaviour of these structures. This work focuses on the dynamic response of an offshore wind turbine founded on a monopile and subjected to wind loading. Different soil properties have been considered in order to cover the range of stiffness from a very loose to a very dense sand. In this way, the influence of stiffness on the structure behaviour has been assessed. Static and dynamic analyses have been carried out by means of a finite element model implemented in Abaqus. Head displacement and stress at the tower base have been obtained as functions of soil stiffness, and they have been used to calculate the dynamic amplification that is produced when the natural frequency of the system soil‐foundation‐tower approaches the load frequency. Two different approaches of soil modelling have been compared: soil modelled as a continuum and soil simulated with non linear elastic springs. Finally, a reliability analysis to assess the probability of resonance has been performed with an analytical model, in which soil stiffness properties are considered as stochastic variables.

Aerodinámica experimental de elementos de parques energéticos

La creciente demanda de energía eléctrica y la necesidad de implementar energías no contaminantes hace que las llamadas tecnologías verdes sean cada día más solicitadas. Entre estas tecnologías encontramos la energía solar y la energía eólica; ambas tienen una trayectoria de uso e investigación bastante amplia, sin embargo aún presentan problemas de fondo que impiden dar mayor impulso a su uso. El objetivo de la presente tesis es presentar soluciones a problemas de optimización en campos conversores de energía. Para ello se analizan y resuelven dos problemas por medio de técnicas de aerodinámica experimental: el primero sobre campos de colectores solares y el segundo sobre campos eólicos. Las técnicas de medición utilizadas en aerodinámica, y en el presente trabajo, son: medición de cargas, anemometría de hilo caliente, velocimetría por imagen de partículas y escaneo de presiones; además de un análisis estadístico de los datos. En el primer caso se ensayan experimentalmente colectores solares parabólicos en donde, por cuestiones de seguridad o por protección contra el viento, se utilizan cercas. Éstas modifican el comportamiento del flujo corriente abajo y se ha encontrado que la distancia a la cual se colocan, así como el tipo de cercas (sólida o permeable), modifican las cargas estructurales a las que los colectores están expuestos. Los resultados demuestran que existe una distancia crítica en la cual la presencia de la cerca aumenta la carga en lugar de disminuirla, por lo cual la selección adecuada del parapeto y la distancia a la cual se coloca son de suma importancia para la optimización de la estructura. En el segundo caso se ensaya experimentalmente y simula numéricamente la estela de turbinas eólicas por medio de discos porosos. En donde un disco permeable simula el rotor de una turbina. El disco es capaz de semejar la estela y los efectos que ésta puede causar corriente abajo. Los resultados muestran que seleccionando adecuadamente la porosidad, es posible simular coeficientes de empuje similares a los desarrollados por los aerogeneradores, además la estela y sus efectos son semejantes a los medidos en campo. ABSTRACT The called green energy technologies are increasingly required because of the growing demand for electricity and the need to implement nonpolluting energy. Among the green energy technologies it is found the solar and the wind energy, both have a history of use and fairly extensive research; however they still have problems which limit to give them further impetus to its use. The aim of this thesis is to present solutions to optimization problems in energy harvesting. To this end it is analysed, and solved, two problems by means of techniques in experimental aerodynamics: the first issue with regard to parabolic troughs and the second about wind farms. The measurement techniques commonly used in aerodynamics, and used in this research work, are: measurement of loads, hot wire anemometry, particle image velocimetry and scanning of pressures; where data are collected and then an statistical analysis is done. In the first case it is tested parabolic troughs where, either for security reasons or protection against the wind actions, fences are used. These fences modify the behaviour of flow downstream and it was found that the distance at which they are placed, and the type of fences (solid or permeable) modify the structural loads to which the parabolic troughs are exposed. The results show that there is a critical distance at which the presence of the fence increases the load instead of protecting the parabolic trough, hence making the proper selection of the parapet and the distance at which it stands are paramount for the optimization of the structure. In the second case it is tested, experimentally and numerically, the wake of wind turbines by means of porous disks; where the permeable disc simulates a turbine rotor. The disc is able to mimic the wake and the effects that it can cause downstream. The results show that by properly selecting the porosity, it is possible to simulate drag coefficients similar to those developed by wind turbines; moreover the porous disk wake and its effects are similar to those measured on field.

Modelado y análisis del comportamiento hidro-elástico de rotores para DAECS

La transformación de la energía cinética del mar en una fuente renovable de energía eléctrica podría ser un hecho relevante desde el punto de visto tecnológico en un futuro cercano. En el campo de las energías renovables marinas, las turbinas de corrientes de eje horizontal son posiblemente el dispositivo más adecuado para la obtención de electricidad. Las técnicas de cálculo existentes en la actualidad para obtener las distribuciones de cargas a las que está sometida una pala de una turbina de corrientes son las siguientes: Modelos de disco actuador, Método de líneas sustentadoras y método de elementos finitos. Estas técnicas presentan ciertas dificultades para su implementación y obtención de resultados preliminares, ya que entrañan gran complejidad conceptual y su entendimiento no resulta sencillo ni tampoco elaborar procedimientos de cálculo que se puedan utilizar durante la fase de diseño conceptual o básico de una turbina. En este trabajo, se analizarán los conceptos físicos y matemáticos que intervienen en el funcionamiento de una turbina de corrientes, para confeccionar un método o procedimiento de cálculo que sea relativamente intuitivo y sencillo de manejar. Esta herramienta de cálculo permitirá obtener resultados para el diseño básico, y también puede ser un punto de partida para manejar otras herramientas de cálculo más avanzadas ya que los principios fundamentales son los mismos. En la parte final del trabajo se aplicarán las ecuaciones obtenidas a varios casos reales de turbinas de corrientes. ABSTRACT Transforming the kinetic energy of the sea into renewable useful source electricity could be a relevant technologic development in the near future. In this field, marine horizontal axis turbines (HAT) are possibly, the most important devices. The current calculation techniques used to obtain the acting forces or loads in the marine current horizontal axis rotor blades: Actuator disc models, lifting lines and finite element method, have certain disadvantages which lead difficulties to obtain relatively quick results, in addition, these methods are not easy to understand and mastering, and furthermore, complex computing tools are required to obtain results. In the present work, the common physical and mathematic fundamentals will be studied and analyzed with the aim to create a new easier managing calculating tool. The proposed procedure of this document can be considered as a help towards to calculate preliminary solutions easier, and also a starting point to manage physical ideas which could be used with other calculation tools. And finally, the mathematic fundamentals will be explained and the implementation of the equations in a real case. Nevertheless, due to the real complexity of the problem, the assumed simplifications of this model must be taken into account, in order to know the possible calculating limitations of this procedure and consequently use it correctly.