BR102013025129A2 - Sistema termodinâmico combinado para a produção de potência mecânica e método para produzir potência mecânica e acionar turbomaquinário - Google Patents
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Abstract
Sistema termodinâmico combinado para a produção de potência mecânica e método para produzir potência mecânica e acionar turbomaquinário trata-se de um sistema termodinâmico combinado que é descrito para uma produção de potência mecânica. O sistema compreende uma turbina a gás (1) e um turbomaquinário (2) acionado pela turbina a gás (1). O sistema adicionalmente compreende um ciclo rankine orgânico termodinâmico (5) com um turboexpansor (13). Um arranjo de transferência de calor (9a, 9, ii) transfere calor dos gases de exaustão da combustão da turbina a gás para o ciclo rankine orgânico termodinâmico, em que o calor é convertido em potência mecânica usada para acionar uma turbomáquina acionada.
Description
“SISTEMA TERMODINÂMICO COMBINADO PARA A PRODUÇÃO DE
POTÊNCIA MECÂNICA E MÉTODO PARA PRODUZIR POTÊNCIA MECÂNICA E ACIONAR TURBOMAQUINÁRIO” Campo da Invenção As realizações da matéria revelada no presente documento referem-se de maneira geral a sistemas para produção de potência mecânica a partir da recuperação de calor.
Descrição da Técnica Relacionada Os ciclos Rankine orgânicos (ORC) têm sido usados como alternativa para os ciclos Rankine água-vapor comuns para o processo de recuperação de calor desperdiçado e são usados para acionar geradores elétricos, transformando, dessa forma, o calor desperdiçado em energia elétrica útil. A Figura 1 ilustra um ciclo ORC de turbina a gás combinado para produção de energia elétrica. Um ciclo Rankine orgânico é usado para recuperar o calor desperdiçado de uma exaustão de turbina a gás e que converte o mesmo em energia elétrica por meio de um sistema de circuito fechado duplo. O número de referência 101 indica uma turbina a gás, por exemplo, usada como um motor principal para um gerador elétrico, esquematicamente mostrado em 102. Os gases de exaustão da combustão da turbina a gás 101 são esfriados em um permutador de calor 103 e o calor é extraído a partir do mesmo por meio de um primeiro circuito fechado 104. No primeiro circuito fechado 104 um óleo diatérmico é usado como um fluido de transferência de calor para transferir o calor liberado pela turbina a gás 101 para um fluido que circula em um segundo circuito fechado 105. O primeiro circuito fechado 104 compreende uma bomba 106 e três permutadores de calor situados serialmente 107, 108 e 108a, em que o calor é transferido do óleo diatérmico para o fluido que circula no segundo circuito fechado 105. O segundo circuito fechado 105 é um ciclo termodinâmico com base no princípio Rankine, em que o fluido de trabalho é um fluido orgânico, em particular um hidrocarboneto pesado, por exemplo, ciclopentano, ou um fluido refrigerante com características adequadas. O fluido de trabalho que circula no segundo circuito fechado 105 é aquecido, vaporizado e superaquecido nos três permutadores de calor situados serialmente 108a, 108 e 107, respectivamente, e se expande em um turboexpansor 109. As características termodinâmicas do fluido possibilitam uma expansão seca tomar lugar, isto é, o fluido no lado de descarga do turboexpansor 109 ainda está em um estado gasoso. Um recuperador 110 é posicionado a jusante do turboexpansor 109. No recuperador 110 o fluido expandido quente troca calor com o frio, o líquido de alta pressão obtido condensando-se o fluido expandido em um condensador 112 e então bombeia o condensado até a pressão superior requerida do ciclo termodinâmico por meio de uma bomba 113. O líquido entregue pela bomba 113 é bombeado através do recuperador 110 e então pré-aquecido, o vaporizador e os permutadores superaquecidos 108a, 108, 107 fechando o circuito. O turboexpansor 109 é mecanicamente conectado a um gerador elétrico 115, que converte a potência mecânica disponível no eixo de saída do turboexpansor 109 em potência elétrica. O óleo diatérmico e o fluido orgânico que circulam nos dois circuitos fechados possibilitam as fontes de calor de baixa temperatura a serem exploradas de maneira eficiente para produzir energia de eletricidade ao longo de uma larga faixa de saída de potência.
Descrição Resumida da Invenção As realizações da revelação fornecem um sistema termodinâmico combinado para uma produção de potência mecânica, que compreende: uma turbina a gás, um turbomaquinário acionado pela dita turbina a gás, um ciclo Rankine orgânico termodinâmico, que compreende um turboexpansor, um arranjo de transferência de calor para transferir calor dos gases de exaustão da combustão da dita turbina a gás para o dito ciclo Rankine orgânico termodinâmico, uma turbomáquina acionada, acionada pelo dito turboexpansor.
Vantajosamente, o dito turboexpansor é um turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo. Em algumas realizações, o turbomaquinário acionado pela turbina a gás e pelo turboexpansor do ciclo Rankine orgânico pode, cada um, compreender um ou mais compressores, por exemplo, os compressores centrífugos, ou conjunto de compressores.
Ambos os ciclos termodinâmicos são usados para propósito de acionamento mecânico. O sistema é vantajosamente usado em instalações, em que a potência mecânica é necessária para acionar uma ou mais turbomáquinas, e em que a produção de potência elétrica é nem necessária nem expediente. O uso de um ciclo Rankine orgânico faz o sistema particularmente adequado para uso em localizações onde água é indisponível ou insuficiente para executar um ciclo Rankine água-vapor. O sistema pode ser usado em fábricas e instalações de óleo e gás. Por exemplo, a turbina a gás e o turboexpansor podem ser usados para acionar os compressores de uma estação de compressão de oleoduto ou de um sistema de liquefação de gás natural.
De acordo com um outro aspecto, a presente revelação também se refere a um método para produzir potência mecânica e dirigir turbomaquinário, que compreende as etapas de: fornecer uma turbina a gás, produzir potência mecânica com a dita turbina a gás e acionar um turbomaquinário com o mesmo, transferir calor dos gases de exaustão da combustão da dita turbina a gás para um ciclo Rankine orgânico, produzir potência mecânica com o dito ciclo Rankine orgânico por meio de um turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo, e acionar uma turbomáquina com o mesmo.
Atributos e realizações são revelados doravante e são ainda apresentados nas reivindicações anexadas, que formam uma parte integral da presente descrição. A breve descrição acima apresenta atributos das várias realizações da presente invenção a fim de que a descrição detalhada que se segue possa ser melhor e a fim de que as presentes contribuições para a técnica possam ser mais bem apreciadas. Existem, naturalmente, outros atributos da invenção que serão descritos doravante e que serão apresentados nas reivindicações anexadas. A esse respeito, antes de explicar diversas realizações da invenção em detalhes, é entendido que as várias realizações da invenção não estão limitadas a aplicação dos mesmos para os detalhes de construção e para os arranjos dos componentes apresentados na seguinte descrição ou ilustrados nos desenhos. A invenção é capaz de outras realizações e de ser praticada e realizada de várias maneiras. Também, deve ser entendido que a fraseologia e terminologia empregada no presente documento são para o propósito de descrição e não deverão ser consideradas como limitantes.
Como tal, aqueles versados na técnica apreciarão que a concepção, sob a qual a revelação é baseada, pode ser utilizada de imediato como uma base para projètar outras estruturas, métodos, e/ou sistemas para realizar os vários propósitos da presente invenção. É importante, portanto, que as reivindicações sejam consideradas como incluindo tais construções equivalentes na medida em que os mesmo não divergem do espírito e do escopo da presente invenção.
Breve Descrição dos Desenhos Uma apreciação mais completa das realizações reveladas da invenção e muitas das vantagens acompanhantes do mesmo serão obtidas de imediato conforme os mesmo serão melhores entendidos com referência às descrições detalhadas seguintes quando consideradas em conexão com os desenhos que acompanham, em que: A Figura 1 ilustra um sistema de turbina a gás de ORC combinado de acordo com a técnica relacionada, A Figura 2 ilustra um sistema de turbina a gás de ORC combinado para propósito de acionamento mecânico, de acordo com a presente revelação, As Figuras 3 e 4 ilustram esquematicamente os principais atributos de um turboexpansor de dois estágios.
Descrição Detalhada das Realizações da Invenção A descrição detalhada a seguir das realizações exemplificativas se refere aos desenhos concomitantes. Os mesmos números de referência em diferentes desenhos identificam os mesmos elementos ou similares.
Adicionalmente, os desenhos não estão necessariamente desenhados em escala. Também, a descrição detalhada a seguir não limita a invenção. Em vez disso, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações anexadas.
As referências por todo o relatório descritivo para "uma (1) realização" ou "uma realização" ou “algumas realizações” significam que o atributo, estrutura ou característica em particular descritos em conexão com uma realização é incluída em pelo menos uma realização da matéria revelada.
Dessa forma, a aparência da frase "em uma (1) realização" ou "em uma realização" ou "em algumas realizações" em vários lugares por todo o relatório descritivo não se refere necessariamente à(s) mesma(s) realização(ões).
Ademais, os atributos, estruturas ou características em particular podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais realizações.
Em referência à Figura 2, o número de referência 1 designa uma turbina a gás para acionar uma carga 2. Em algumas realizações exemplificativas, a carga pode ser um compressor ou um conjunto de compressor. Por exemplo, a turbina a gás 1 pode ser usada para acionar um ou mais compressores em uma instalação de liquefação de gás natural ou em uma estação de compressão de oleoduto. Em algumas realizações a turbina a gás 1 pode ser uma turbina para serviços pesados. Em outras realizações a turbina a gás 1 pode ser uma turbina a gás aeroderivada. A turbina a gás 1 gera gases de combustão de alta temperatura. O calor desperdiçado contido nos gases de combustão é pelo menos parcialmente recuperado, antes de descarregar os gases de combustão na atmosfera, usando um ciclo Rankine orgânico conforme revelado doravante.
Para o propósito de recuperação de calor, na realização exemplificativa da Figura 2 os gases combustíveis fluem através de um permutador de recuperação de calor 3 antes de serem descartados na atmosfera.
Um primeiro circuito fechado 4 é usado para remover o calor do permutador de calor 3 e transferir o mesmo para um segundo circuito fechado 5. No primeiro circuito fechado 4 um fluido de transferência de calor, por exemplo, óleo diatérmico, é usado para transferir o calor removido dos gases de combustão no segundo circuito fechado 5. O número de referência 6 designa uma bomba circulatória do primeiro circuito fechado 4. O segundo circuito fechado 5 é um ciclo termodinâmico e mais especificamente um ciclo Rankine orgânico. Um fluido de processo que circula no segundo circuito fechado 5 está sujeito a transformações termodinâmicas que incluem condensar, bombear, aquecer, vaporizar, superaquecer, expandir, para transformar a energia térmica em energia mecânica. Um fluido de trabalho adequado, por exemplo, ciclopentano, ou outro fluido orgânico adequado utilizável em um ciclo Rankine orgânico, circula no segundo circuito fechado 5.
Em algumas realizações exemplificativas, o segundo circuito fechado 5 compreende uma bomba circulatória 7, um pré-aquecedor 9a, um vaporizador 9, um superaquecedor 11, um turboexpansor 13, um recuperador 15 e um condensador 17. Componentes adicionais podem estar presentes no circuito, conforme conhecido por aqueles versados na técnica, tal como um vaso de expansão. O fluido de trabalho no estado líquido que circula no segundo circuito fechado 5 é bombeado para um primeiro nível de alta pressão pela bomba circulatória 7. O fluido pressurizado é aquecido no pré-aquecedor 9a, no vaporizador 9 e no superaquecedor 11 por meio do calor recuperado pelo fluido que circula no primeiro circuito fechado 4. Uma variedade e arranjo diferentes de permutadores de calor podem ser fornecidos, por exemplo, apenas dois permutadores de calor, um aquecedor e um superaquecedor, respectivamente.
Na saída do superaquecedor 11, o fluido de trabalho que circula no segundo circuito fechado 5 está em um estado de alta pressão gasoso superaquecido. O fluido de trabalho superaquecido de alta pressão é então expandido no turboexpansor 13. O fluido exaurido que sai do turboexpansor 13 em um segundo nível de pressão baixa flui através do recuperador de calor 15 e é finalmente condensado em um condensador 17. O condensador é obtido, por exemplo, por meio da troca de calor entre o fluido de trabalho condensador e o ar ou a água externa.
No recuperador 15 o calor de temperatura baixa contido no fluido expandido que sai do turboexpansor 13 é trocado pelo fluido pressurizado frio no estado líquido entregue pela bomba circulatória 7.
Na realização exemplificativa ilustrada na Figura 2, o turboexpansor 13 é usado como um acionador mecânico para acionar uma carga. O turboexpansor 13 pode ser mecanicamente conectado por meio de uma transmissão mecânica 19 a uma turbomáquina acionada 21. Por exemplo, a turbomáquina acionada 21 pode ser um compressor, por exemplo, um compressor centrífugo ou um compressor axial. Em outras realizações, a turbomáquina 21 pode ser uma bomba ou outra turbomáquina acionada.
Em algumas realizações exemplificativa, não mostradas, o primeiro circuito fechado 4 pode ser omitido. Nesse caso, o calor é diretamente transferido da descarga da turbina a gás para o ciclo Rankine orgânico. O aquecedor 9 e o superaquecedor 11 podem ser integrados no permutador de calor 3. Uma instalação mais compacta é obtida com perdas de calor reduzida e aumenta a eficiência geral do sistema.
Em algumas realizações, o turboexpansor 13 pode ser um turboexpansor integralmente engrenado de múltiplos estágios. Na Figura 2, o turboexpansor 13 é representado como um turboexpansor integralmente engrenado de dois estágios.
Uma fração do calor contido nos gases de combustão descarregados da turbina a gás 1 é assim transformada em potência mecânica útil, que aumenta a eficiência geral do sistema e a potência mecânica geral produzida desse modo.
No sistema de recuperação de calor descrito acima foi descrito para melhorar a eficiência de uma instalação de turbina a gás, em que os gases de combustão quentes da turbina a gás são resfriados antes de serem descarregados na atmosfera. A faixa de temperatura dos gases de combustão é adequada para transformar o calor em potência mecânica usando um ciclo Rankine orgânico. O ciclo termodinâmico não requer água e pode, portanto, ser usado onde água é indisponível e um ciclo de vapor comum não pode ser usado. A turbomáquina acionada 21, por exemplo, um compressor centrífugo, pode ser usada, por exemplo, para processar um fluido refrigerante em um sistema LNG (Gás Natural Liquefeito) ou pode ser usada para encaminhar um gás em um oleoduto.
As Figuras 3 e 4 esquematicamente ilustram os atributos principais de um turboexpansor de dois estágios 13 que pode ser usado no ciclo ORC 5 na Figura 2. O turboexpansor 13 compreende um primeiro estágio de pressão alta 13A e um segundo estágio de pressão baixa 13B. O fluido de trabalho entra no primeiro estágio de pressão alta 13A do turboexpansor 13, sai do primeiro estágio do turboexpansor 13A para ser entregue através de um tubo 24 para a entrada do segundo estágio de pressão baixa 13B do turboexpansor 13.
Uma transmissão mecânica 19 é fornecida entre o turboexpansor de dois estágios 13 e a turbomáquina acionada 21.
Na realização exemplificativa da Figura 3, a transmissão mecânica 19 compreende uma caixa de engrenagem 20 com dois eixos de transmissão de entrada e um eixo de saída acionado. Os ditos eixos de transmissão de entrada são os eixos do turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo 13. O eixo de saída é conectado ao eixo da turbomáquina acionada 21. O número de referência 31A designa o primeiro eixo de entrada em que um primeiro impulsor do primeiro estágio de pressão alta 13A do turboexpansor 13 é conectado. O primeiro eixo de entrada 31 A, portanto, gira na velocidade de rotação do impulsor do primeiro estágio de pressão alta do turboexpansor 13. O impulsor do segundo estágio de pressão baixa 13B do turboexpansor 13 é conectado a um segundo eixo de entrada 31B, que gira na velocidade de rotação do impulsor do segundo estágio de pressão baixa 13B do turboexpansor 13.
Conforme mais bem mostrado na Figura 4, que ilustra uma representação esquemática da transmissão mecânica 19 em uma vista frontal de acordo com a linha IV-IV da Figura 3, a caixa de engrenagens 20 compreende uma primeira engrenagem 33A montada no primeiro eixo de entrada 31A e uma segunda engrenagem 33B montada no segundo eixo de entrada 31B. As duas engrenagens 33A e 33B engrenadas com uma engrenagem coroa central 34. Uma terceira marcha 33C da caixa de engrenagem 20 é montada em um eixo de saída 19A, que é conectado, por exemplo, através de juntas 22, ao eixo da turbomáquina acionada 21.
O primeiro, segundo e terceira engrenagem 33A, 33B e 33C vantajosamente tem um diâmetro menor que o diâmetro da engrenagem coroa central 34.
Em algumas realizações, a terceira engrenagem 33C tem um diâmetro menor que um diâmetro menor que o diâmetro da engrenagem coroa central 34, a fim de ampliar a velocidade de rotação do eixo de saída 19A conectado à turbomáquina acionada 21.
Uma velocidade mais alta do eixo de saída 19A permite acionar facilmente um compressor centrífugo 21 que requer giro a uma velocidade de rotação mais alta. A primeira e segunda engrenagem 33A e 33B têm diferentes diâmetros a fim de fornecer velocidade de rotação óptima para cada impulsor do dito primeiro e segundo estágio do turboexpansor 13.
Vantajosamente essa solução integralmente engrenada é particularmente útil em sistemas ou oleodutos de estações de compressão LNG.
Adicionalmente, a realização das Figuras 3 e 4 melhora a eficiência da fase de expansão, pois cada impulsor pode girar em sua velocidade de rotação óptima.
Além disso, a realização compreende uma pluralidade de impulsores possibilita explorar toda a queda de pressão do fluido de trabalho superaquecido de alta pressão.
Embora as realizações reveladas da matéria descrita no presente documento tenham sido mostradas nos desenhos e totalmente descritas acima com particularidade e detalhes em conexão com diversas realizações exemplificativas, será aparente para aqueles de habilidade comum na técnica que várias modificações, mudanças e omissões são possíveis sem se divergir materialmente dos ensinamentos inovadores, dos princípios e dos conceitos apresentados no presente documento, e vantagens da matéria recitados nas reivindicações anexadas. Por isso, o escopo apropriado das inovações reveladas deverá ser determinado apenas pelas interpretações mais amplas das reivindicações anexadas de forma a abranger todas as tais modificações, mudanças e omissões. Adicionalmente, a ordem ou sequência de qualquer processo ou etapas do método podem ser variados ou ressequenciados de acordo com realizações alternativas.
Claims (13)
1. SISTEMA TERMODINÂMICO COMBINADO PARA A PRODUÇÃO DE POTÊNCIA MECÂNICA, que compreende: uma turbina a gás, um turbomaquinário acionado pela dita turbina a gás, um ciclo Rankine orgânico termodinâmico que compreende um turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo, um arranjo de transferência de calor para transferir calor dos gases de exaustão da combustão da dita turbina a gás para o dito ciclo Rankine orgânico termodinâmico, uma turbomáquina acionada, acionada pelo dito turboexpansor.
2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, em que a dita turbomáquina acionada é um compressor, e preferencialmente um compressor centrífugo.
3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, que em que o dito arranjo de transferência de calor compreende um circuito de transferência de calor fechado, um fluido de transferência de calor que circula no dito circuito de transferência de calor que transfere calor dos ditos gases de exaustão da combustão para o dito ciclo Rankine orgânico termodinâmico.
4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, em que o dito turbomaquinário acionado pela dita turbina a gás compreende um compressor ou um conjunto de compressor.
5. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, que compreende uma transmissão mecânica para acoplar mecanicamente o turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo com a turbomáquina acionada pelo turboexpansor.
6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 5, em que a transmissão mecânica compreende uma caixa de engrenagem com dois eixos de transmissão de entrada e um eixo de saída acionado.
7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 6, em que um primeiro eixo de entrada dos ditos dois eixos de transmissão de entrada é conectado a um primeiro impulsor de um primeiro estágio do turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo.
8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, em que um segundo eixo de entrada dos ditos dois eixos de transmissão de entrada é conectado a um segundo impulsor de um segundo estágio do turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo.
9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, em que o primeiro estágio é o estágio de alta pressão do turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo.
10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, em que o segundo estágio é o estágio de baixa pressão do turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo.
11. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 10, em que o dito eixo de saída é conectado ao eixo da turbomáquina acionada.
12. MÉTODO PARA PRODUZIR POTÊNCIA MECÂNICA E ACIONAR TURBOMAQUINÁRIO, que compreende as etapas de: fornecer uma turbina a gás, produzir potência mecânica com a dita turbina a gás e acionar um turbomaquinário com o mesmo, transferir calor dos gases de exaustão da combustão da dita turbina a gás para um ciclo Rankine orgânico, produzir potência mecânica com o dito ciclo Rankine orgânico por meio de um turboexpansor integralmente engrenado de estágio múltiplo e acionar uma turbomáquina com o mesmo.
13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, que compreende adicionalmente as etapas de: fornecer um arranjo de transferência de calor que compreende um circuito de transferência de calor fechado, que circula um fluido de transferência de calor que circula no dito circuito de transferência de calor, que transfere calor para os ditos gases de exaustão da combustão para o dito ciclo Rankine orgânico termodinâmico por meio do dito fluido de transferência de calor.
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