BRPI1100587A2 - sistema de aquecimento para uma turbina - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE AQUECIMENTO PARA UMA TURBINA. A presente invenção refere-se a uma turbina (100) para converter energia térmica em trabalho mecânico. A turbina (100) compreende um sistema de aquecimento (101), em que o sistema de aquecimento (101) é adaptado para aquecer a turbina (100) em um estado desligado e/ou uma fase de inicialização da turbina (100).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE AQUECIMENTO PARA UMA TURBINA".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a uma turbina para converter e- nergia térmica em trabalho mecânico, em uma estação de energia solar compreendendo pelo menos uma turbina e a um método de operar uma tur- bina para converter energia térmica em trabalho mecânico. Antecedentes da Técnica
Em geral, turbinas, em particular turbinas a vapor, para converter energia térmica em trabalho mecânico são tipicamente usadas em estações de energia térmica. As estações de energia térmica produzem energia térmi- ca por combustão de material fóssil, pelo uso de reatores nucleares ou por energia solar, por exemplo. Em estações de energia térmica convencionais, a energia térmica pode ser produzida 24 horas por dia, de modo que as tur- binas que geram energia não precisam ser desligadas sob condições regula- res.
Uma turbina que é resfriada e em estado desligado exige uma longa fase de inicialização até que as condições de operação regular da tur- bina são alcançadas. Por exemplo, a velocidade de rotação das lâminas de rotor na turbina pode ser acelerada lentamente, de modo que condições de operação desvantajosas, tal como o surto da turbina, ocorrem. A sobreten- são é definida como uma auto-oscilação da pressão de descarga e taxa de fluxo da turbina, incluindo uma reversão de fluxo.
Em tempos modernos, é um objetivo produzir cada vez mais e- nergia renovável de fontes de energia ecologicamente corretas. Uma esta- ção de energia exemplar que produz energia de uma fonte de energia ecolo- gicamente correta é a estação de energia solar. Em estações de energia solar a eletricidade é gerada por meio de luz solar. Uma estação de energia solar-térmica típica compreende coletores solares, tais como refletores para- bólicos, a fim de concentrar luz solar em uma pequena superfície para gerar calor. Com a energia térmica gerada pela luz solar um meio de trabalho para uma turbina é aquecido. O meio de trabalho pode ser um fluido, tal como materiais adequados de óleo ou água, em um estado de vapor ou vapor de água. O vapor de água aquecido é guiado através da turbina que converte a energia térmica em trabalho mecânico, em que um gerador subsequente converte o trabalho mecânico em eletricidade.
Estações de energia solar-térmica somente operam durante o
dia quando o sol está brilhando. Durante a noite, as estações de energia so- lar-térmica são desligadas e assim as turbinas também. Durante a noite, as turbinas são resinadas até a temperatura do ar ambiente. No dia seguinte, quando a turbina é inicializada novamente, uma longa fase de inicialização é necessária até que a turbina atinja a temperatura de operação e assim uma eficiência adequada.
A fase de inicialização de turbinas convencionais para estações de energia solar pode durar até 1 a 1,5 horas até que as turbinas atinjam seu estado operacional. Assim, o tempo de trabalho total das turbinas durante o dia pode ser reduzido por 1 a 1,5 horas que leva para uma deficiência de produtividade e eficiência da estação de energia solar total. Sumário da Invenção
Pode ser um objetivo da presente invenção reduzir uma duração de uma fase de inicialização de uma turbina. Este objetivo pode ser solucionado por uma turbina para conver-
ter energia térmica em trabalho mecânico, por uma estação de energia solar compreendendo pelo menos uma turbina e por um método de operar uma turbina para converter energia térmica em trabalho mecânico de acordo com as reivindicações independentes. De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é fornecida
uma turbina para converter energia térmica em trabalho mecânico. A turbina compreende um sistema de aquecimento. O sistema de aquecimento é a- daptado para aquecer a turbina em um estado desligado e/ou uma fase de inicialização da turbina. De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, é
fornecida uma estação de energia solar compreendendo pelo menos uma das turbinas descritas acima. De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, um método de operar uma turbina para converter energia térmica em trabalho mecânico. De acordo com o método, uma turbina é aquecida com um siste- ma de aquecimento em um estado desligado e/ou uma fase de inicialização da turbina.
A turbina pode ser definida como uma turbina para converter e- nergia térmica em trabalho mecânico. Em particular, a turbina pode compre- ender uma turbina a gás ou uma turbina a vapor.
Pela turbina descrita acima para converter energia térmica em trabalho mecânico, o sistema de aquecimento da turbina aquece a turbina, se a turbina está em um estado desligado e/ou uma fase de inicialização. Assim, uma certa temperatura mínima dos componentes da turbina pode ser mantida constante, em particular durante a noite. O sistema de aquecimento é adaptado para manter os componentes da turbina, em particular o rotor da turbina, no nível de temperatura mínimo que pode ser definido aproximada- mente entre 100° e 600°C, em particular aproximadamente entre 250° e 400°C.
Assim, mesmo quando as temperaturas ambientes estão muito baixas durante a noite, os componentes da turbina são aquecidos e manti- dos no nível de temperatura mínima. Assim, ao inicializar a turbina no dia seguinte, uma diferença entre a temperatura dos componentes da turbina em um estado operacional ótimo e a temperatura no nível de temperatura mínimo, que é mantido constante pelo sistema de aquecimento, é menor que sem o sistema de aquecimento. Assim, a duração da fase de inicialização pode ser reduzida e assim o estado operacional da turbina pode ser atingido mais cedo. Desse modo, a eficiência total da estação de energia solar pode ser aperfeiçoada.
Além do mais, um aspecto adicional de manter o componente da turbina a um nível de temperatura mínimo é que a deformação térmica dos componentes da turbina, devido à diferença de temperatura entre a tempera- tura no estado operacional e o nível de temperatura mínimo, é reduzida em comparação com a turbina sem o sistema de aquecimento. A tensão e a fa- diga de material podem ser reduzidas. Assim, a vida útil da turbina pode ser aperfeiçoada.
De acordo uma modalidade exemplar adicional, o sistema de aquecimento compreende um dispositivo de aquecimento elétrico. O disposi- tivo de aquecimento elétrico pode compreender elementos de aquecimento elétrico, tais como bobinas de aquecimento ou similares. O dispositivo de aquecimento elétrico pode ser diretamente fixado a alguns componentes de turbina predefinidos para transferir a energia térmica para a turbina.
De acordo com uma modalidade exemplar adicional da presente invenção, o sistema de aquecimento compreende um dispositivo de aqueci- mento de vapor de água. O dispositivo de aquecimento elétrico pode com- preender elementos de aquecimento elétricos, tais como bobinas de aque- cimento ou similares. O dispositivo de aquecimento elétrico pode ser fixado diretamente em alguns componentes da turbina predefinidos para transferir energia térmica para a turbina.
De acordo com uma modalidade exemplar adicional da presente invenção, o sistema de aquecimento compreende um dispositivo de aqueci- mento de vapor de água. O dispositivo de aquecimento pode levar o vapor de água para as superfícies internas da haste, de modo que o calor está se deslocando em uma direção radialmente para fora com respeito à haste da turbina. O vapor de água aquecido pode transferir energia térmica para as superfícies internas adjacentes dos componentes de turbina.
O sistema de aquecimento pode ainda compreender um ventila- dor de ar quente, onde o ar aquecido pode soprar em torno dos componen- tes da turbina para propósitos de aquecimento. O sistema de aquecimento pode ainda compreender um dispositivo de aquecimento para fornecer óleo quente, por exemplo, em um furo interno da haste, isto é nas superfícies in- ternas da haste.
De acordo com, uma modalidade ainda exemplar, a turbina ain- da compreende uma haste com um furo interno. O sistema de aquecimento é conectável ao furo interno para aquecer a haste, em particular a partir do interior. Em particular, o sistema de aquecimento é conectável ao furo inter- no de tal maneira que o sistema de aquecimento é acoplado termicamente no furo interno, de modo que a energia térmica pode ser transferida do sis- tema de aquecimento no furo interno. O furo interno pode ser alinhado ao longo do eixo central da haste e em uma direção coaxial da haste. Além do mais, o furo interno pode compreender uma direção radial com respeito ao eixo central da haste. Ao fornecer o furo interno dentro da haste, a energia térmica é transportada para o centro da turbina. Devido à convecção da e- nergia térmica e porque o exterior da turbina é muito mais frio durante a noi- te que o interior aquecido da turbina, a energia térmica se move da haste interna para os componentes da turbina circundantes mais frios e finalmente para o ambiente da turbina. Assim, a distribuição da energia térmica pode ser aperfeiçoada, porque começando do centro da turbina, uma distribuição eficiente (convecção) da energia térmica a partir do interior da turbina para o exterior da turbina pode ser fornecida. Assim, um aquecimento mais eficiente da turbina pode ser fornecido.
No furo interno da haste vapor de água quente ou ar quente po- de ser soprado para transferir a energia térmica dentro da haste. Além do mais, o furo interno pode compreender elementos de aquecimento para for- necer um aquecimento elétrico. Os elementos de aquecimento podem com- preender, por exemplo, bobinas de aquecimento ou filamentos aquecidos, por exemplo.
De acordo com uma modalidade exemplar adicional, a turbina ainda compreende um alojamento, em que o sistema de aquecimento é co- nectável (termicamente conectável) ao alojamento. A superfície externa do alojamento pode compreender bobinas de aquecimento que podem ser des- tacavelmente montadas na superfície externa do alojamento ou que podem ser formadas integralmente com os componentes externos da turbina, por exemplo, o alojamento da turbina.
De acordo com uma modalidade exemplar, a turbina ainda com- preende um sistema de isolamento para isolar a turbina de tal maneira que a taxa de resfriamento da turbina no estado desligado é reduzida.
O sistema de isolamento pode compreender, por exemplo, forros isolantes que são fixados na superfície externa da turbina a fim de impedir o resfriamento da turbina. Além disso, o sistema de isolamento pode compre- ender forros isolantes aquecidos, de modo que os forros aquecidos combi- nam o sistema de aquecimento e o sistema de isolamento. Os forros aqueci- dos podem compreender bobinas de aquecimento que podem ser aquecidas por energia elétrica, por exemplo. Assim, a superfície externa da turbina po- de ser envolvida pelo menos parcialmente pelos forros aquecidos, de modo que a taxa de resfriamento da turbina será reduzida e uma temperatura de componente mínima definida dos componentes da turbina pode ser mantida constante com menos energia de aquecimento. O sistema de isolamento pode compreender, além disso, materiais isolantes que podem ser formados na superfície interna ou externa do alojamento de turbina. O alojamento de turbina pode, por exemplo, compreender um revestimento ou laminação in- cluindo um material de amortecimento com características de amortecimento apropriadas, de modo que o alojamento pode ser formado integralmente com o sistema de isolamento.
De acordo com uma modalidade exemplar adicional, o sistema de aquecimento compreende um dispositivo de acumulador de calor. O dis- positivo de acumulador de calor é adaptado para armazenar energia térmica em particular durante o dia e/ou quando a turbina está funcionando. O dis- positivo acumulador de calor é adaptado para transferir energia térmica para a turbina, em particular para o sistema de aquecimento, durante um estado desligado e/ou uma fase de inicialização da turbina. O dispositivo acumula- dor de calor pode compreender um armazenamento de energia térmica de sal fundido, em que um volume de sal é fundido por energia térmica do sol ou do fluido de trabalho quente quando a turbina está em um estado opera- cional. O sal líquido pode ser armazenado em um tanque de armazenamen- to isolado. Quando a energia térmica é exigida pelo sistema de aquecimento, o sal quente é usado para transferir a energia térmica para o sistema de a - quecimento. Em vez de sal, o também possível armazenar energia térmica em um acumulador de calor em que em um tanque de pressão de vapor de água, é armazenada vapor de água sob pressão. O vapor de água é gerado, por exemplo, pelo sol ou pelo fluido de trabalho quente que é produzido du- rante o estado operacional da turbina. Além do mais, o dispositivo acumula- dor de calor térmico pode compreender um material de mudança de fase (PCM) que compreende um alto calor de fusão, de modo que o calor é ab- sorvido quando o material muda do estado sólido para o estado líquido e vice-versa. Além do mais, o dispositivo acumulador de calor pode compre- ender um acumulador de calor termoquímico, em que a energia térmica po- de ser armazenada por reações químicas reversíveis de substâncias quími- cas.
De acordo com uma modalidade exemplar adicional, o dispositi-
vo acumulador de calor é adaptado para ser carregado com energia térmica por uma fonte de calor externa ou pela turbina que está em um modo de o- peração. A fonte de calor externa pode ser, por exemplo, o sol ou o solo a- quecido (tal como areia). Pela presente invenção, a turbina, em particular componentes de
turbina específicos, tais como os rotores, o eixo ou os estatores, é mantida a um nível de temperatura mínima (tal como 250-400°C), de modo que o tem- po de partida pode ser reduzido e a tensão para o material da turbina é re- duzida porque a diferença de temperatura entre o estado operacional e o estado desligado é reduzida também. Portanto, pelo sistema de aquecimen- to descrito acima, as temperaturas maiores de turbina são obtidas para a partida matutina da turbina. Junto com o sistema de aquecimento, a turbina pode ser isolada por um sistema de isolamento, de modo que na partida ma- tinal da turbina, os componentes da turbina são mantidos aquecidos com menos consumo de energia para propósitos de aquecimento.
Tem que ser notado que as modalidades da invenção foram descritas com referência a diferentes assuntos. Em particular, algumas mo- dalidades foram descritas com referência às reivindicações do tipo método. No entanto, uma pessoa versada na técnica deduzirá a partir do descrito acima e da descrição seguinte que, a menos que de outro modo notificado, em adição a qualquer combinação de aspectos pertencendo a um tipo de assunto, também qualquer combinação entre os aspectos relacionados a assuntos diferentes, em particular entre aspectos de reivindicações do tipo aparelho e aspectos de reivindicação do tipo método, é considerada com esta aplicação.
Os aspectos definidos acima e outros aspectos da presente in- venção são evidentes a partir dos exemplos da modalidade a ser descrita daqui em diante e são explicados com referência aos exemplos de modali- dade. A invenção será descrita em mais detalhe posteriormente com refe- rência aos exemplos de modalidade, mas na qual a invenção não é limitada. Breve Descrição dos Desenhos A seguir uma modalidade exemplar da presente invenção será
especificada para explicação adicional e para melhor entendimento com re- ferência ao desenho anexo:
A figura mostra uma vista esquemática de uma turbina de acor- do com uma modalidade exemplar da presente invenção. Descrição Detalhada
A ilustração no desenho é esquemática. Nota-se que em figuras diferentes, elementos similares ou idênticos são fornecidos com os mesmos sinais de referência.
A figura ilustra uma turbina 100 para converter energia térmica em trabalho mecânico. A turbina 100 compreende um sistema de aqueci- mento 101. O sistema de aquecimento 101 é adaptado para aquecer a turbi- na 100 em um estado desligado e/ou uma fase de inicialização a turbina 100.
A turbina 100 compreende um alojamento 102 que circunda a haste 103. As lâminas do rotor são fixadas tipicamente na haste 103, em que as lâminas de estator são tipicamente fixadas no alojamento 102 da turbina.
A figura ilustra duas localizações de conexão exemplares para o sistema de aquecimento 101 com a turbina 100. O sistema de aquecimento 101 pode se fixado em uma modalidade exemplar na superfície externa do alojamento 102, de modo que a energia térmica é transferida do exterior para o interior da turbina 100. A partir do alojamento 102, a energia térmica é trans- ferida para as partes internas da turbina 100 bem como para a haste 103. Em uma modalidade exemplar adicional, o sistema de aqueci- mento 101 pode ser conectado e/ou acoplado adicional ou alternativamente em componentes internos da turbina 100, tal como a haste 103. Como mos- trado na figura, o sistema de aquecimento 101 é acoplado térmica e/ou me- canicamente em uma seção terminal da haste 103. Dentro da haste 103, um furo interno 105 pode ser fornecido de modo que se estende em uma dire- ção axial da haste 103. O furo interno 105 se estende ao longo da direção axial da haste 103, e o furo externo 105 pode se estender para a seção mé- dia da turbina ou por toda a haste 103 na turbina 100. A energia térmica po- de ser transferida pelo sistema de aquecimento 101 dentro da haste 103. A energia térmica pode ser transferida para dentro do furo interno 105, por e- xemplo, ar quente, vapor de água quente ou por elementos de aquecimento elétricos 106. Os elementos de aquecimento elétricos 106 podem ser insta- lados dentro da superfície interna do furo interno 105. Em uma modalidade exemplar, os elementos de aquecimento 106 podem compreender bobinas de aquecimento que se estendem ao longo da superfície interna do furo in- terno 105.
A figura ainda ilustra um sistema de isolamento 104 que pode compreender forros de isolamento ou materiais isolantes que podem envol- ver pelo menos parcialmente a superfície externa do alojamento 102. Além do mais, o sistema de isolamento 104 pode compreender materiais isolantes que podem ser laminados nas superfícies exteriores ou interiores dos com- ponentes da turbina, por exemplo, para a superfície externa e/ou interna do alojamento 102. Assim, a transferência de energia térmica, respectivamente transfere o calor de dentro da turbina para o ambiente mais frio da turbina, pode ser reduzida pelo sistema de isolamento 104.
O sistema de isolamento 104 pode também compreender partes do sistema de aquecimento 101. Por exemplo, o sistema de isolamento 104 pode compreender forros isolantes que podem ser envolvidos em torno da superfície externa do alojamento 102, em que dentro dos forros isolantes, os elementos de aquecimento 106, tais como bobinas de aquecimento, podem ser instalados. Assim, o sistema de isolamento 104 é combinado com o sis- tema de aquecimento 101 e asso fornece um isolamento melhor impedindo o resfriamento da turbina 100. Além do mais, é fornecida uma possibilidade adicional para manter a temperatura dentro da turbina 100 e a temperatura dos componentes de turbina constante em um nível de temperatura mínima.
Um dispositivo acumulador de calor 107 pode ser acoplado nas
regiões internas da turbina a fim de extrair uma parte do meio de trabalho para armazenamento e assim para armazenar a energia térmica.
Adicionalmente, como pode assumido a partir da figura, o dispo- sitivo acumulador de calor 107 pode ser conectado ao sistema de aqueci- mento 101. O dispositivo acumulador de calor 107 pode armazenar energia térmica que pode ser retirada do sol propriamente dito, do fluido de trabalho e/ou do solo aquecido. Além do mais, a energia térmica para o dispositivo acumulador de calor 107 pode ser tomada da turbina quente 100 em um es- tado de operação. Durante a noite, a energia térmica armazenada no dispo- sitivo acumulador de calor 107 pode ser transferida para pó sistema de a- quecimento 101 respectivamente para os componentes da turbina a fim de manter constante a temperatura mínima dos componentes da turbina.
Deve ser notado que o termo "compreendendo" não exclui ou- tros elementos ou etapas e "um" ou "uma" não exclui uma pluralidade. Tam- bém elementos descritos em associação com modalidades diferentes podem ser combinados. Deve ser também notado que sinais de referência nas rei- vindicações não devem ser construídos como limitando o escopo das reivin- dicações.
Claims (10)
1. Turbina (100) para converter energia térmica em trabalho me- cânico, a turbina (100) compreendendo: um sistema de aquecimento (101), em que o sistema de aquecimento (101) é adaptado para aque- cer a turbina (100) em um estado desligado e/ou uma fase de inicialização da turbina (100).
2. Turbina (100), de acordo com a reivindicação 1, em que: o sistema de aquecimento (101) compreende um dispositivo de aquecimento elétrico.
3. Turbina (100), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que: o sistema de aquecimento (101) compreende um dispositivo de aquecimento de vapor de água.
4. Turbina (100), de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, ainda compreendendo: uma haste (103) com um furo interno (105), em que o sistema de aquecimento (101) é conectável ao furo in- terno (105) para aquecer a haste (103).
5. Turbina (100), de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, ainda compreendendo: um alojamento (102), em que o sistema de aquecimento (101) é conectável ao aloja- mento (102)
6. Turbina (100), de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, ainda compreendendo: um sistema de isolamento (104) para isolar a turbina (100) de tal maneira que a taxa de resfriamento da turbina (100) no estado desligado é reduzida.
7. Turbina (100), de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, em que: o sistema de aquecimento (101) compreende um dispositivo a- cumulador de calor (107)
8. Turbina (100), de acordo com a reivindicação 7, em que: um dispositivo acumulador de calor (107) é adaptado para ser carregado com energia térmica por uma fonte de calor externa e/ou pela tur- bina (100) que está em um modo de operação.
9. Estação de energia solar compreendendo pelo menos uma turbina (100) como definida em uma das reivindicações 1 a 8.
10. Método de operar uma turbina (100) para converter energia térmica em trabalho mecânico, o método compreendendo: Aquecer a turbina (100) em um estado desligado e/ou uma fase de inicialização da turbina (100) com um sistema de aquecimento (101).
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