BR112020024555A2 - Usina elétrica com regaseificação de gás natural - Google Patents

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Abstract

a presente invenção refere-se a uma usina elétrica (1) com uma turbina a gás (2) que compreende um compressor (3), uma câmara de combustão (4), e uma turbina (5). a usina elétrica compreende adicionalmente uma linha de gás natural (6) para transportar gás natural líquido e gasoso, um compressor de gás natural (7) que é conectado à linha de gás natural (6) para aumentar uma pressão do gás natural líquido, e um expansor (8) que é conectado, da mesma forma, à linha de gás natural (6). a usina elétrica compreende adicionalmente um primeiro permutador de calor (9) que é conectado entre o compressor de gás natural (7) e o expansor (8) para evaporar o gás natural líquido, e um segundo permutador de calor (10) para aquecer adicionalmente o gás natural regaseificado, onde a usina elétrica compreende um gerador de vapor de calor de despejo (14), e o segundo permutador de calor (10) é acoplado ao pré-aquecedor de condensado (15) no gerador de vapor de calor de despejo (14). a invenção refere-se, adicionalmente, a um método de operação de tal usina elétrica (1).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "USINA ELÉTRICA COM REGASEIFICAÇÃO DE GÁS NATURAL".
[0001] A invenção refere-se a uma usina de central elétrica e também a um método de operação da mesma. Em particular, a invenção se refere à evaporação energeticamente e economicamente ideal do gás natural líquido no caso de acoplamento direto a uma usina de turbina de gás e vapor ou a uma central de energia de gás.
[0002] O gás natural líquido (LNG) (T = 162 C) é normalmente evaporado por meio de calor ambiente (ar/água do mar) ou calor químico. Como uma alternativa, conceitos que tinham o objetivo de utilizar a energia de baixas temperaturas, por meio de ciclos Rankine orgânicos em cascata, foram desenvolvidos.
[0003] É um objetivo da invenção se fornecer uma usina de central de energia que torne um desempenho aperfeiçoado, ou uma eficiência aperfeiçoada, possível e, ao mesmo tempo, que possa ser produzida de forma muito simples e barata. Um objetivo adicional da invenção é se fornecer um método correspondente para operação de tal usina de central de energia.
[0004] A invenção alcança o objetivo direcionado para uma usina de central de energia propondo uma usina de central de energia que possui uma turbina a gás, que compreende um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina, possuindo, adicionalmente, um duto de gás natural para o transporte de gás natural líquido e gasoso para a turbina a gás, um compressor de gás natural instalado no duto de gás natural para aumentar uma pressão do gás natural líquido e um expansor instalado da mesma forma no duto de gás natural, compreendendo, adicionalmente, um primeiro permutador de calor disposto entre o compressor de gás natural e o expansor, para evaporar o gás natural líquido, e um segundo permutador de calor para aquecer o gás natural regaseificado adicionalmente, onde a usina de central de energia compreende um gerador de vapor de calor de despejo e onde o segundo permutador de calor é acoplado a um pré-aquecedor de condensação no gerador de vapor de calor de despejo.
[0005] O acoplamento da evaporação de gás natural líquido para um expansor a jusante possibilita que se alcance a utilização máxima da baixa temperatura para a geração de energia elétrica com eficiências muito altas. O acoplamento do segundo permutador de calor a um pré- aquecedor de condensação, isso é, à última superfície de aquecimento no gerador de vapor de calor de despejo, aquece o gás natural previamente evaporado adicionalmente para cerca de 130 a 170 C.
[0006] É particularmente vantajoso, em termos de eficiência da usina de central de energia, que um terceiro permutador de calor seja instalado no duto de gás natural a jusante do expansor. Apesar de, a princípio, ser possível também se aquecer o gás natural até tal ponto que, mesmo depois da expansão o mesmo poder ser alimentado, adequadamente pré-aquecido, para combustão, utilizando o segundo permutador de calor, de modo que o uso de um terceiro permutador de calor possa ser omitido por motivos econômicos, a variação tecnicamente melhor é o aquecimento adicional pelo terceiro permutador de calor a jusante da expansão.
[0007] Em uma modalidade vantajosa da invenção, o primeiro permutador de calor é conectado através de um circuito de meio de transferência de calor a um duto de entrada de ar da turbina a gás.
[0008] Em uma outra modalidade vantajosa, o primeiro permutador de calor é conectado, através de um circuito de meio de transferência de calor, a um sistema de resfriamento da usina de central de energia. Aqui, o calor do ar de entrada da turbina a gás ou do sistema de resfriamento pode ser utilizado em paralelo ou em série.
[0009] Com relação à capacidade de condução de frio e calor do fluido de transferência de calor, é vantajoso que o circuito de meio de transferência de calor seja um circuito de água e glicol.
[0010] É vantajoso para um ponto de saída de condensado quente que o segundo permutador de calor esteja localizado a jusante na direção do fluxo da água de alimentação de uma bomba de água de alimentação de alta pressão, com pressão adequadamente alta, a fim de evitar que o gás natural entre no circuito de água e vapor no caso de um vazamento, o que seria desvantajoso do ponto de vista da segurança.
[0011] Como uma alternativa, é vantajoso que um ponto de saída de condensado quente para o segundo permutador de calor esteja localizado a jusante na direção de fluxo do condensado de uma bomba de recirculação de condensado e o segundo permutador de calor seja um permutador de calor de segurança de parede dupla, como uma medida para se evitar o excesso indesejável de gás natural. Essa disposição alternativa do ponto de saída de condensado quente apresenta a vantagem em termos de eficiência.
[0012] Com relação ao terceiro permutador de calor, é vantajoso que o mesmo seja acoplado a um sistema de água de alimentação do gerador de vapor de calor de despejo. Depois que o gás natural pré- aquecido foi despressurizado com a produção de trabalho por meio do expansor para o nível de pressão de gás necessário para a operação da turbina a gás, uma temperatura de gás de cerca de 40 a 70 C é estabelecida. A fim de se alcançar a temperatura máxima de combustível de turbina a gás, que é permitida por motivos de desempenho, o terceiro permutador de calor é disposto no duto de gás natural entre o expansor e a turbina a gás. Esse terceiro permutador de calor retira seu calor da água de alimentação de pressão intermediária ou alta pressão do gerador de vapor de calor de despejo.
[0013] Essa abordagem também pode ser utilizada nas estações de energia de turbina a gás, mesmo quando nenhum gerador de vapor de calor de despejo é fornecido em tal configuração de central de energia. As superfícies de transferência de calor necessárias para a integração do calor de gás de exaustão aos segundo e terceiro permutadores de calor podem, por exemplo, ser dispostas em um bypass da pilha interna da turbina a gás, onde o gás de exaustão quente é transportado através de um canal separado com as superfícies de aquecimento e resfriado e misturado novamente na corrente de gás de exaustão principal.
[0014] O objetivo direcionado a um método é alcançado por um método para operação de uma usina de central de energia possuindo evaporação de gás natural líquido, onde o gás natural líquido é trazido para pelo menos 150 bar e o calor de um ar de entrada de uma turbina a gás e/ou de um sistema de resfriamento da usina de central de energia é utilizado para gaseificar o gás natural líquido e onde, em uma etapa adicionalmente, o gás natural é aquecido adicionalmente pela permuta de calor com condensado quente a partir de um pré-aquecedor de condensado de um gerador de vapor de calor de despejo.
[0015] É vantajoso aqui que o gás natural, que foi aquecido adicionalmente, seja despressurizado com a produção de trabalho por meio de um expansor para um nível de pressão necessário para a operação da turbina a gás.
[0016] Adicionalmente, é vantajoso que o gás natural despressurizado seja aquecido adicionalmente pela permuta de calor com a água de alimentação.
[0017] Em usinas de central de energia com uma turbina a gás, mas sem um circuito de água e vapor, o gás de exaustão quente pode ser transportado através de um canal que possui superfícies de aquecimento para evaporação e aquecimento do gás natural líquido e, depois de resfriar, é misturado novamente na corrente de gás de exaustão principal.
[0018] O acoplamento da revaporização a um expansor a jusante e uma integração frio/quente ideal associada ao processo de gás e vapor, através de uma pluralidade de permutadores de calor, possibilita que se alcance um desempenho significativamente aperfeiçoado de gás e vapor, tanto com relação ao gás, quanto com relação à energia de vapor (até cerca de +10%) e também com relação à eficiência de gás e vapor (por exemplo, + 0,3 - + 0,5%). O conceito assume um tanque LNG com aumento de pressão subsequente para cerca de 150 bar. Em um permutador de calor a jusante, a evaporação do LNG ocorre em alta pressão até uma temperatura de cerca de 5 C (temperaturas ligeiramente abaixo de 0 C também são permitidas desde que água quente suficiente esteja disponível no segundo permutador de calor).
[0019] A vantagem desse conceito se encontra não apenas no aperfeiçoamento óbvio do desempenho mas, especialmente, na obtenção comparativamente barata desse aperfeiçoamento de desempenho, visto que todos os componentes, com a exceção do expansor (incluindo o gerador e sistemas auxiliares), e do segundo permutador de calor, precisam ser (primeiro permutador de calor e bomba de gás líquido) ou devem ser (terceiro permutador de calor) utilizados nas estações de energia alimentadas por LNG correspondentes.
[0020] A invenção é ilustrada em maiores detalhes por meio de exemplo com o auxílio dos desenhos. Os desenhos ilustram, de forma esquemática e fora de escala:
[0021] A figura 1 – uma usina de turbina de gás e vapor, de acordo com a invenção; e
[0022] A figura 2 – uma usina de turbina a gás.
[0023] A figura 1 ilustra, de forma esquemática e por meio de exemplo, uma usina de central de energia 1, de acordo com a invenção, configurada como uma usina de turbina a gás e vapor.
[0024] A usina de central de energia 1 compreende uma turbina a gás 2 que possui um compressor 3, uma câmara de combustão 4 e uma turbina 5. A figura 1 ilustra um duto de gás natural 6 para transportar o gás natural líquido e gasoso que ramifica a partir de um tanque de gás natural 22, onde o duto de um compressor de gás natural 7, para aumentar uma pressão do gás natural líquido, e um expansor 8, são instalados.
[0025] Entre o compressor de gás natural 7 e o expansor 8, existe um primeiro permutador de calor 9 para evaporar o gás natural líquido e um segundo permutador de calor 10 para aquecer, adicionalmente, o gás natural regaseificado. Adicionalmente, um terceiro permutador de calor 11 é disposto no duto de gás natural 6 a jusante do expansor 8.
[0026] O primeiro permutador de calor 9 é conectado, através de um circuito de meio de transferência de calor 12 e um quarto permutador de calor 28, a um duto de entrada de ar 13 da turbina a gás 2 e, através de um quinto permutador de calor 29, a um sistema de resfriamento da usina de central de energia 1. No exemplo de trabalho ilustrado na figura 1, os quarto e quinto permutadores de calor 28, 29 são dispostos em série. No entanto, uma disposição paralela também é concebível.
[0027] O circuito de meio de transferência de calor 12 é tipicamente um circuito de água e glicol.
[0028] Quando a usina de central de energia 1 é uma usina de turbina a gás e a vapor, como ilustrado na figura 1, então, a mesma compreende adicionalmente um gerador de vapor de calor de despejo 14, com o segundo permutador de calor 10 sendo acoplado a um pré- aquecedor de condensado 15 no gerador de vapor de calor de despejo
14. A figura 1 ilustra ambas as opções para a saída de condensado quente para o segundo permutador de calor 10. No primeiro caso, um ponto de saída de condensado quente 16 é localizado a jusante de uma bomba de água de alimentação em alta pressão 17. No segundo caso, o ponto de saída de condensado quente 16 está localizado a jusante de uma bomba de recirculação de condensado 18. Nesse caso, o segundo permutador de calor 10 deve ser configurado como um permutador de calor de segurança de parede dupla.
[0029] Finalmente, a figura 1 ilustra que o terceiro permutador de calor 11 é acoplado a um sistema de água de alimentação 19 do gerador de vapor de calor de despejo 14.
[0030] É possível se retirar água de alimentação da parte de alta pressão 23 ou da parte de pressão intermediária 24 para aquecer o gás natural por meio do terceiro permutador de calor 11. A figura 1 ilustra ambas as variantes.
[0031] O conceito da invenção também pode ser aplicado a outros tipos de estações de energia. A figura 2 ilustra uma usina de turbina a gás 25 com a pilha de gás de exaustão 26 e também um bypass de pilha 20 na pilha de gás de exaustão 26. A disposição dos componentes para regaseificação do gás natural permanece inalterada em comparação com a usina da figura 1. O calor para os segundo e terceiro permutadores de calor 10, 11 é obtido aqui do gás de exaustão da turbina a gás através das superfícies adequadas de permuta de calor 21 no bypass de pilha 20, da pilha de gás de exaustão 26. Durante a operação, parte do gás de exaustão é transportada através do bypass da pilha 20 e, depois da transferência de calor para as superfícies adequadas de transferência de calor 21, misturado de volta à corrente de gás de exaustão principal 27.

Claims (11)

REIVINDICAÇÕES
1. Usina de central de energia (1) possuindo uma turbina a gás (2), que compreende um compressor (3), uma câmara de combustão (4) e uma turbina (5), possuindo, adicionalmente, um duto de gás natural (6) para transportar o gás natural líquido e gasoso para a turbina a gás (2), um compressor de gás natural (7), instalado no duto de gás natural (6), para aumentar uma pressão de gás natural líquido e um expansor (8), instalado da mesma forma no duto de gás natural (6), compreendendo, adicionalmente, um primeiro permutador (9) disposto entre o compressor de gás natural (7) e o expansor (8) para evaporar o gás natural líquido, e um segundo permutador de calor (10) para aquecer o gás natural regaseificado adicionalmente, caracterizada pelo fato de a usina de central de energia compreender um gerador de vapor de calor de despejo (14) e pelo fato de o segundo permutador de calor (10) ser acoplado a um pré-aquecedor de condensado (15) no gerador de vapor de calor de despejo (14).
2. Usina de central de energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender adicionalmente um terceiro permutador de calor (11) instalado no duto de gás natural (6) a jusante do expansor (8).
3. Usina de central de energia (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de o primeiro permutador de calor (9) ser conectado, através de um circuito de meio de transferência de calor (12), dentro de um duto de entrada de ar (13) da turbina a gás (2).
4. Usina de central de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o primeiro permutador de calor (9) ser conectado, através de um circuito de meio de transferência de calor (12), a um sistema de resfriamento da usina de central de energia (1).
5. Usina de central de energia (1), de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizada pelo fato de o circuito de meio de transferência de calor (12) ser um circuito de água e glicol.
6. Usina de central de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de um ponto de saída de condensado quente (16), para o segundo permutador de calor (10), estar localizado a jusante na direção de fluxo da água de alimentação de uma bomba de água de alimentação com alta pressão (17).
7. Usina de central de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de um ponto de saída de condensado quente (16), para o segundo permutador de calor (10), estar localizado a jusante na direção de fluxo de condensado de uma bomba de recirculação de condensado (18) e o segundo permutador de calor (10) ser um permutador de calor de segurança de parede dupla.
8. Usina de central de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o terceiro permutador de calor (11) ser acoplado a um sistema de água de alimentação (19) do gerador de vapor de calor de despejo (14).
9. Método de operação de uma usina de central de energia (1) possuindo evaporação de gás natural líquido, onde o gás natural líquido é trazido para pelo menos 150 bar e o calor de uma entrada de ar da turbina a gás e/ou de um sistema de resfriamento da usina de central de energia (1) é utilizado para gaseificar o gás natural líquido, caracterizado pelo fato de, em uma etapa adicional, o gás natural ser aquecido adicionalmente pela permuta de calor com o condensado quente a partir de um pré-aquecedor de condensado (15) de um gerador de vapor de calor de despejo (14).
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o gás natural, que foi aquecido adicionalmente, ser despressurizado com a produção de trabalho por meio de um expansor (8) para um nível de pressão de gás necessário para a operação da turbina a gás.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o gás natural despressurizado ser aquecido adicionalmente pela permuta de calor com a água de alimentação.
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