1 Modelo de Centrales de ciclo combinado en SIMSEEEnzo Coppes 2017

2 RESUMEN E INTRODUCCION

3 Centrales Térmicas de Ciclo Combinado

4 Una planta de ciclo combinado consiste en la integración de dos o más ciclos termodinámicos energéticos. Para lograr una conversión de la energía aportada en trabajo, lo más completa y eficiente posible. En la actualidad, el concepto de ciclo combinado se aplica a un sistema compuesto por una turbina de gas, un generador de vapor recuperador de calor y una turbina de vapor. Es combinar un ciclo Brayton de gases a alta temperatura y un ciclo Rankine de media o baja temperatura, de forma que el calor residual de escape del ciclo Brayton sea el calor aportado al ciclo Rankine.

5 El problema que se plantea radica en la necesidad de maximizar la eficiencia a un coste económico.Cuando el generador de vapor recuperador de calor suministra, al menos, una parte del vapor para un proceso, la aplicación se denomina cogeneración

6 SISTEMA DE CICLO COMBINADO SIMPLEConsta de: - Un grupo simple turbina de gas-alternador. - Un generador de vapor recuperador de calor (HRSG). - Un grupo simple turbina de vapor –alternador. - Un condensador. - Sistemas auxiliares. Si las regulaciones medioambientales lo requieren, en el generador de vapor se puede integrar un sistema de reducción selectiva catalítica (SCR), para controlar las emisiones de Nox. Resulta particularmente atractivo, porque este catalizador se puede ubicar en un recinto de temperatura óptima dentro del (HRSG).

7 La temperatura de los gases que salen de la turbina de gas está normalmente entre 950÷ 1050ºF = (510÷ 566ºC). La temperatura óptima de la catálisis (SRC) es de 675÷840ºF = (357÷ 449ºC). La mejora en la eficiencia del ciclo de vapor se puede obtener suministrando vapor mediante varios circuitos de presión, independientes del (HRSG): De baja presión para desgasificación. De calentamiento del agua de alimentación, que sustituye al calentamiento con vapor de extracción, utilizado en los ciclos convencionales energéticos de vapor.

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11 CICLOS DE CALOR

12 Modos de operación de una central de CCCiclo Abierto Ciclo Normal Con fuegos adicionales

13 Modelo de ciclo combinado

14 Modelo de ciclo combinado por modos (representación)Se entenderá por modo de operación a una combinación factible de turbinas a gas (TG) y/o vapor (TV). Estas unidades se representan según el modelo por modos con un conjunto de seudo-unidades excluyentes entre si conectadas a la misma barra de generación.

15 Modelo de ciclo combinado por modos (transiciones factibles )Se definen también transiciones factibles entre los estados debido a la existencia de modos no posibles Se considera un conjunto de transiciones factibles entre los estados, definiéndose restricciones de unicidad en las variables binarias que modelan las transiciones, estados y cambios en estos Solo puede existir una transición y la central puede estar solo en un estado para cada periodo en estudio

16 Modelo de ciclo combinado por modos (transiciones factibles ) (2)Dentro de las condiciones para establecer las transiciones entre los modos se encuentran: No considerar la transición entre la misma configuración. Considerar que múltiples TG pueden ser encendidas simultáneamente, no así las TV. Se considera la regla: enciende primero TG, después TV. Considerar que el costo de una transición entre dos estados viene dado por el cambio en el número de turbinas a gas y a vapor que se encienden o apagan.

17 Modelo de ciclo combinado por modos (gráfico) (3)

18 Modelo de ciclo combinado por modos (desventajas)Al considerar en forma conjunta varias TG y TV se recurre a aproximaciones en las curvas de costos, rampas y tiempos mínimos que pueden llevar a soluciones no optimas Se requiere de un despacho en tiempo real para determinar la programación de cada turbina de forma individual Agregar otras características implica aumentar el diagrama de espacio estados y por ende aumentan considerablemente el número de variables binarias en el modelo. El modelamiento de las transiciones requiere de un tratamiento especial

19 Modelo de ciclo combinado por componentesEl modelo por componentes considera a cada turbina de un ciclo combinado, ya sea a gas o a vapor, como una unidad individual, con sus respectivas curvas de costos o de combustible-potencia (curvas I/O), parámetros y restricciones. Se deben incluir restricciones de balance energético y/o de acople entre componentes Es posible agregar otros elementos tales como fuegos adicionales Formulación MILP, en donde las curvas incluidas son liberalizadas por tramos, lo que permite incorporar curvas tanto convexas como no-convexas

20 Modelo de ciclo combinado por componentes (esquema)

21 Modelo de ciclo combinado por componentes (ventajas)Permite una representación más cercana a la realidad que el modelo por modos Evita las aproximaciones que pueden aparecer al considerar la operación conjunta con más de una turbina. También permite agregar con mayor facilidad elementos como los fuegos adicionales. Una de las mayores complicaciones que se observa en este modelo es la restricción de balance que se debe cumplir

22 Modelado de Centrales de CC en SIMSEESe considerara el modelo por componentes donde se representa cada unidad TG y TV individualmente Cada unidad TG o TV es modelada por separado considerando para cada unidad sus propios parámetros como ser: Pmin Potencia Mínima (MW) Pmax Potencia Máxima co Costo variable a potencia Mínima (U$S/MWh) cv Costo variable Disp Coeficiente de disponibilidad fortuita (pu) TR Tiempo de reparación (horas)

23 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (2)Como acoplamiento termodinámico entre los dos ciclos se considero una variable llamada Factor de potencia CC que representa la relación   k= Potencia TV Potencia TG k Factor de potencia CC (pu)

24 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (modelo de central)𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎: 𝐴= 0, &𝐹𝑢𝑒𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 1, &𝐸𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜

25 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (modelo de central)Si A=0 entonces 𝑃=0 y el costo es cero. Si A=1 entonces: 𝑃=𝑃𝑚𝑖𝑛+𝛽 Agregando las dos variables para cada instante de tiempo se tiene: 𝑷=(𝑷𝒎𝒊𝒏×𝑨)+𝜷 Considerando la restricción de máximo. 𝑃≤𝑃𝑚𝑎𝑥×𝐴 (𝑃𝑚𝑖𝑛×𝐴+𝛽)≤𝑃𝑚𝑎𝑥×𝐴 𝛽≤(𝑃𝑚𝑎𝑥−𝑃𝑚𝑖𝑛)×𝐴 𝟎≤ 𝑷𝒎𝒂𝒙−𝑷𝒎𝒊𝒏 ×𝑨−𝜷

26 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (acoplamiento)Ahora tenemos que las unidades TV generan una potencia igual a: 𝑃 𝑇𝑉 ≤𝑘× 𝑃 𝑇𝐺 0≤𝑘× 𝑃 𝑇𝐺 − 𝑃 𝑇𝑉 Si tomamos el modelo anterior para cada una de las unidades tenemos que:    0≤𝑘× ( 𝑃𝑚𝑖𝑛 𝑇𝐺 × 𝐴 𝑇𝐺 )+ 𝛽 𝑇𝐺 −( 𝑃𝑚𝑖𝑛 𝑇𝑉 × 𝐴 𝑇𝑉 )+ 𝛽 𝑇𝑉 𝟎≤𝒌× 𝑷𝒎𝒊𝒏 𝑻𝑮 × 𝑨 𝑻𝑮 +𝒌× 𝜷 𝑻𝑮 − 𝑷𝒎𝒊𝒏 𝑻𝑽 × 𝑨 𝑻𝑽 + 𝜷 𝑻𝑽

27 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (función de costo)La función de costos asociada a este tipo de central es: 𝑭𝑪= 𝒊 ∈𝑻𝑮𝒔 𝒄𝒐 𝑻𝑮 × 𝑷𝒎𝒊𝒏 𝑻𝑮 × 𝑨 𝑻𝑮 + 𝒄𝒗 𝑻𝑮 ×𝜷 𝑻𝑮 ×∆𝒕 + 𝒊 ∈𝑻𝑽𝒔 𝒄𝒐 𝑻𝑽 × 𝑷𝒎𝒊𝒏 𝑻𝑽 × 𝑨 𝑻𝑽 + 𝒄𝒗 𝑻𝑽 ×𝜷 𝑻𝑽 ×∆𝒕 Donde: ∆𝑡 es la duración del paso de tiempo considerado.

28 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (resumen)En resumen para su implementación en SIMSEE se modelo la central de CC como sigue: 𝐴 𝑇𝐺 𝛽 𝑇𝐺 Restricción de nodo 𝑃𝑚𝑖𝑛 𝑇𝐺 1 𝑃𝑚𝑖𝑛 𝑇𝑉 Restricción adicional TG 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝑇𝐺 − 𝑃𝑚𝑖𝑛 𝑇𝐺 -1 ≥0 Restricción adicional TV Restricción de acople CC 𝑃𝑚𝑖𝑛 𝑇𝐺 ×𝑘 k −𝑃𝑚𝑖𝑛 𝑇𝑉 -Función de costo −𝑐𝑜 𝑇𝐺 ×∆𝑡 −𝑐𝑣 𝑇𝐺 ×∆𝑡 −𝑐𝑜 𝑇𝑉 ×∆𝑡 −𝑐𝑣 𝑇𝑉 ×∆𝑡

29 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (Pascal)Conteo de variables y restricciones Cargando el simplex Restricciones de caja Lectura de resultados

30 Conteo de variables y restricciones

31 Cargando el simplex

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34 Restricciones de caja

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36 Lectura de resultados

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38 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (resultados) (1)Programación de largo plazo con paso semanal

39 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (resultados) (2)Programación de largo plazo con paso semanal

40 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (resultados) (3)Programación de corto plazo con paso horario:

41 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (resultados) (4)Programación de corto plazo con paso horario:

42 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (Futuros trabajos)Reserva rotante Consumos propios Tiempos mínimos de operación Gradientes: limita la carga que puede tomar la unidad durante la reserva para regulación secundaria Rampas de arranque/parada Tiempo de hold-point Tipos de partida: modelar e incluir los costos de partidas en caliente, en tibio y en frio

43 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (Futuros trabajos) (2)Bypass/Stack de Gases Fuegos Adicionales Operación dual de combustibles Estanques de combustible Efecto del medio ambiente: Temperatura, humedad y presión atmosférica. Bypass Stack Aporte calor a TV Operación abierto recibe gases no ciclo abierto cerrado no recibe gases si ciclo cerrado

44 Modelado de Centrales de CC en SIMSEE (referencias)[1] Sabugal G. Santiago y Gómez M. Florentino. Centrales Térmicas de Ciclo Combinado, Teoría y Proyecto. Ediciones Díaz de Santos [2] Bo Lu and Mohammad Shahidehpour, Short-Term Schedulling of Combined Cycle Units," in IEEE Transactions on Power Systems, vol. 19, no.3, pp , Agosto 2004. [3] Rolf Kehlhofer, Combined Cycle Gas Steam Turbine Power Plants. PennWell Corporation, third ed., 2009. [4] Glenn R. Drayton, Modeling Combined Cycle Plant in PLEXOS Software," in PLEXOS Solutions, 2005. [5] Cong Liu and Mohammad Shahidehpour, Component and Mode Models for the Short-Term Scheduling of Combined-Cycles Units," in IEEE Transactions on Power Systems, vol. 24, no.2, pp , Mayo 2009. [6] Miguel Carrion and Jose Arroyo, A Computationally Efficient Mixed-Integer Linear Formulation for the Thermal Unit Commitment Problem," in IEEE Transactions on Power Systems, vol. 21, no.3, pp , Agosto 2006. [7] Roberto Zuniga and Doris Sáez, Adaptive Hybrid Predictive Control for a Combined Cycle Power Plant Optimization," in International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, pp , Agosto 2007.

45 Muchas gracias