El trabajo desarrolla un nuevo modelo para el análisis térmico de intercambiadores de calor en ciclos Rankine regenerativos en centrales nucleares, donde se trabaja con vapor húmedo. El procedimiento de análisis tradicional se basa en el concepto de eficiencia en la separación de humedad en cada etapa de turbina, suponiendo que tanto el caudal másico como la entalpía del vapor extraído son datos conocidos. Los procedimientos clásicos para el conocimiento de estos datos no son aplicables en este caso por la inexistencia de instrumentación adecuada. El modelo es de interés para el diagnóstico de centrales nucleares, puesto que permite la detección de mal funcionamientos de la instalación o lecturas incorrectas de la instrumentación del proceso, evitando la necesidad de inspecciones “in situ” de los calentadores, situados habitualmente en zonas con elevados niveles de radiación en centrales nucleares BWR. 

Balance térmico de la cadena de calentadores de la Central Nuclear de Santa María de Garoña al 100% de potencia (“h”: entalpía en Btu/lbm; “m”: caudal en lbm/h; “p”: presión absoluta en psia; “t”: temperatura en oF)

Resumen:

Las centrales termoeléctricas emplean habitualmente calentadores de agua de alimentación para mejorar la eficiencia global del ciclo, que pasa a denominarse Rankine regenerativo, incrementando la temperatura del fluido antes de retornar al generador de vapor. En el caso de centrales nucleares, además, mediante una particular geometría de la cara inactiva de los álabes, se logra incrementar el título del vapor disponible para la siguiente etapa de turbina, después de la extracción.

En las centrales termoeléctricas convencionales, la instrumentación del proceso en los puntos de extracción (presión y temperatura), permite definir termodinámicamente el vapor que entra en el calentador. El caudal másico puede entonces determinarse mediante balance térmico del mismo. En las centrales nucleares, donde el vapor extraído de las turbinas es vapor húmedo, la instrumentación del proceso no es suficiente para calcular la entalpía del vapor. Una técnica empleada durante las pruebas de eficiencia de estas instalaciones es el uso de trazadores, generalmente radiactivos, que permiten determinar el caudal másico del vapor que entra en el calentador, determinándose aquí la entalpía por balance térmico. Esta técnica, de elevado coste, sólo se aplica durante estas pruebas, y no permite el diagnóstico en tiempo real del componente.

1-s2.0-S1359431114X00050-cov150hEl procedimiento estándar para determinar la eficiencia de intercambiadores de calor cerrados es el PTC 12.1 (Performance Test Code) desarrollado por ASME (American Society of Mechanical Engineers).Se aplica a intercambiadores de calor cerrados con dos zonas (condensado y subenfriamiento) típico de centrales nucleares. Sin embargo, nuevamente exige instrumentación del proceso que no suele existir en instalaciones nucleares reales (presiones antes/después del agua de alimentación y presión del fluido drenado del calentador), por lo que tampoco este procedimiento es aplicable en condiciones habituales de operación de una instalación de esta tecnología.

En este trabajo se modela el funcionamiento de estos componentes a partir de los métodos tradicionales de cálculo de intercambiadores de calor (Método de la Efectividad-NTU y de la diferencia de temperaturas logarítmica media, LMDT) tanto para las condiciones de diseño como en condiciones reales de operación, permitiendo el modelo la obtención del caudal de vapor húmedo procedente de la extracción de la turbina que alimenta el calentador así como la energía térmica (entalpía) de este vapor, que son parámetros no instrumentados.

La validación del modelo propuesto se ha realizado utilizando datos procedentes de la instalación nuclear de Santa María de Garoña, en Burgos. Estos resultados forman parte de la tesis doctoral de M. Álvarez Fernández, recientemente defendida en la Universidad del País Vasco y codirigida por C.  Alonso-Tristán.

Palabras clave: Central térmica nuclear; Intercambiadores de agua de alimentación cerrados.

Referencia bibliográfica del artículo:

Álvarez-Fernández, M., L.D. Portillo-Valdés, and C. Alonso-Tristán. (2014). Thermal analysis of closed feedwater heaters in nuclear power plants. Applied Thermal Engineering,  68(1-2), p. 45-58. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.04.006.

Dirección de contacto con el autor:

Alonso-Tristan, C. (catristan@ubu.es). Universidad de Burgos. Departamento de Ingeniería Electromecánica. Área Máquinas y Motores Térmicos. Grupo de Investigación Solar and Wind Feasibility technologies (SWIFT).

Datos de la revista:

Applied Thermal Engineering (Elsevier). ISSN: 1359-4311

  • Revista indexada en  Science Citation Index (WOS)
  • Factor de impacto (2013): 2,624.  Q1 posición 10/128 en la categoría Engineering Mechanical. (Fuente consultada Journal Ctitation Report®)
  • SCImago Journal Rank (SJR):1,598.  Q1 posición 15/420 en la categoría Energy Engineering and Power Technology.

Otra información relevante:

Álvarez Fernández, M., Alonso-Tristán, C. (2011).  A new model for the analysis and simulation of steam turbines at partial and full load. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power133(11). doi: 10.1115/1.4003643

Resumen redactado por Cristina Alonso Tristan.