ES2197194T3

ES2197194T3 - Turbina hibrida de dos fases.

Info

Publication number: ES2197194T3
Application number: ES95910885T
Authority: ES
Inventors: Lance G. Hays
Original assignee: Biphase Energy Co
Current assignee: Biphase Energy Co
Priority date: 1992-05-05
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 2004-01-01
Anticipated expiration: 2015-01-25
Also published as: ATE237740T1; EP0805909A1; AU1868295A; EP0805909B1; US5385446A; AU698268B2; US5525034A; WO1996023129A1; DE69530420T2; DE69530420D1; EP0805909A4

Abstract

UNA TURBINA SEPARADORA ROTATIVA QUE TIENE UNA ESTRUCTURA DE ADMISION (15, 16) PARA MEZCLAS DE GAS Y LIQUIDO, UNA ESTRUCTURA DE EJE ROTATIVO (29) QUE INCLUYE UNA ESTRUCTURA SEPARADORA (28, 28A) PARA RECIBIR LA MEZCLA DE GAS Y LIQUIDO EN UNA CORRIENTE DE GAS (32) Y UNA CORRIENTE DE LIQUIDO (30); UNA PRIMERA ESTRUCTURA (31) PARA RECIBIR LA CORRIENTE DE GAS PARA GENERAR UN PAR EJERCIDO SOBRE LA ESTRUCTURA DE EJE, Y UNA SEGUNDA ESTRUCTURA (36A) PARA RECIBIR LA CORRIENTE DE LIQUIDO PARA GENERAR UN PAR EJERCIDO SOBRE LA ESTRUCTURA DE EJE; CON LO QUE LA PRIMERA Y LA SEGUNDA ESTRUCTURAS FUNCIONAN POR SEPARADO PARA GENERAR LA ENERGIA DEL EJE.

Description

Turbina híbrida de dos fases.

Esta invención está relacionada en general con un aparato para convertir la energía de un chorro de fluido de dos fases (líquido y gas) en potencia mecánica, como por ejemplo la que entrega el eje giratorio de una turbina. El líquido y el gas pueden ser dos componentes químicos separados o puede ser la fase de vapor y líquida de un solo componente químico.

En el pasado, se han construido equipos de turbinas para manejar la conversión de la energía en fase gaseosa o la energía en fase líquida en la potencia del eje. Se han intentado otros enfoques para convertir la energía de ambas fases; sin embargo, se ha generado problemas que incluyen la erosión, la corrosión y/o una eficiencia considerablemente menor. Por ejemplo, se ha empleado un separador rotativo para separar la fase líquida para la conversión de la energía cinética de esa fase en potencia útil del eje. Sin embargo, la energía cinética de la fase gaseosa se disipaba.

En otro ejemplo, no se utilizó el separador, y el chorro de dos fases se hacía incidir directamente sobre los álabes móviles de la turbina. De nuevo en este caso se disipaba indeseablemente la energía cinética de la fase gaseosa y, para velocidades altas del chorro, tendía a ocurrir la corrosión y erosión reforzada de los álabes.

Los sistemas geotérmicos de evaporación instantánea y algunos otros procesos disipan la energía del flujo de dos fases, separan el gas, y después pasan el gas a través de una turbina de fase gaseosa. Esta solución desperdicia la mayoría de la energía disponible del caudal de dos fases. (En un sistema de dos fases de un solo componente, tal como vapor y agua, la energía disipada genera calor que produce gas adicional, lo cual puede producir alguna potencia adicional en la turbina de fase gaseosa; sin embargo, es mucho menor que la energía disponible del flujo de dos fases). Este proceso desperdicia energía disponible en el flujo de dos fases.

El documento US 4.441.322 muestra una turbina que tiene las características de la parte del preámbulo de la reivindicación 1. El líquido recogido en el separador rotativo, es decir, el líquido en el anillo de líquido que se extiende alrededor del eje de rotación de la turbina se reduce radialmente hacia fuera bajo la presión generada por la fuerza centrífuga. El líquido reducido se hace pasar a través de las toberas que expulsan el líquido en dirección circunferencial del separador rotativo para generar un par adicional.

Además, el documento US 4.141.219 trata de una turbina de vapor húmedo que tiene un separador para la recogida de líquido. El separador se mantiene giratoriamente sobre el eje de salida de la turbina, para girar libremente con relación a ella. Así, el separador no contribuye directamente a la generación de par.

Finalmente, el documento US 2.531.896 está relacionado con una tobera que tiene una zona de abertura ajustable. La tobera se utiliza para controlar el flujo de un fluido en una turbina.

A la vista de la técnica anterior, es un objeto de la invención proporcionar una turbina capaz de convertir la energía del gas y la energía del líquido de un chorro líquido de dos fases. Por ejemplo, si el flujo de dos fases de un pozo geotérmico típico es evaporado instantáneamente y se separa el vapor para ser utilizado en una turbina de vapor, se generaría un total de 12.951 kW. Si se utiliza un dispositivo adecuado de dos fases para convertir la energía cinética del líquido resultante de la expansión de dos fases, el dispositivo y la turbina de vapor generarían un total de 15.014 kW, produciendo un aumento de energía del 16%.

Sumario de la invención

El objeto anterior se resuelve con una turbina que tiene las características de la reivindicación 1; en la reivindicación 2 se presenta una modificación ventajosa.

Estos y otros objetos y ventajas de la invención, así como los detalles de un modo de realización ilustrativo, serán comprendidos con mayor facilidad a partir de la memoria y dibujos siguientes, en los cuales:

Descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista de un diagrama de la estructura para conseguir la conversión de energía cinética de ambas fases, gaseosa y líquida, de un chorro de dos fases, en potencia de salida de un eje giratorio;

la figura 2 es una sección tomada a través de una estructura real de una turbina mostrando la estructura de la tobera de dos fases, los medios separadores, los álabes y otra estructura;

la figura 2a es una vista fragmentada ampliada que ilustra los medios de tobera de dos fases y la estructura del separador;

la figura 3 es una vista final que muestra toberas rectilíneas de dos fases, dispuestas en una configuración anular;

la figura 4 es un esquema que ilustra una turbina de reacción líquida;

la figura 5 es una vista como la de la figura 2, pero mostrando la integración de los medios de reacción del líquido con la estructura real de la turbina;

la figura 5a es una vista fragmentada ampliada que ilustra unos medios de tobera de dos fases de una turbina, la estructura del separador de fases, y un conducto y tobera de reacción del líquido;

la figura 6 es una vista como la de la figura 4, que muestra los conductos de gas de salida radial de flujo, así como los conductos de líquido;

la figura 6a es una sección tomada sobre las líneas 6a-6a de la figura 6;

la figura 6b es una sección tomada sobre las líneas 6b-6b de la figura 6;

la figura 7 es una sección tomada a través de una estructura real de turbina en la que la entalpía remanente del gas que abandona la estructura del separador del tipo ilustrado en las figuras 1, 2, 4, 5 y 6 es convertida en potencia del eje utilizando alabes axiales de flujo y toberas;

la figura 7a es una sección ampliada que ilustra las piezas de la figura 7;

la figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra un motor de vapor que puede hacerse funcionar utilizando vapor húmedo;

la figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra el uso de una turbina de dos fases en una planta de energía geotérmica de doble evaporación instantánea;

las figuras 10(a) - 10(e) son secciones transversales fragmentadas que ilustran detalles estructurales de la garganta ajustable de una tobera; y

las figuras 11(a) - 11(b) son secciones transversales fragmentadas que ilustran detalles del difusor.

Descripción detallada

La figura 1 muestra una estructura para conseguir la conversión de la energía cinética de ambas fases gaseosa y líquida de un chorro de dos fases. El chorro de dos fases se dirige generalmente en una dirección o direcciones tangenciales 10 hacia una superficie giratoria 11 enfrentada radialmente hacia dentro hacia el eje 12, proporcionando la superficie 11 una estructura 13 de rotor. Bajo la acción de las fuerzas centrífugas resultantes de la superficie giratoria, el líquido se separa del gas. La capa 14 de líquido separado se ralentiza desde su velocidad tangencial (indicada por la flecha 15) al incidir sobre la velocidad tangencial de la superficie giratoria (indicada por la flecha 15a). El líquido se decelera a la velocidad tangencial por efecto de las fuerzas de rozamiento. Las fuerzas de arrastre resultantes sobre la superficie giratoria producen un par y por tanto una transferencia de potencia a la superficie giratoria 13. La potencia se produce en un solo eje 16 por efecto de esta conversión de energía del líquido. El eje 16 transporta el rotor 13.

El gas separado fluye en una dirección generalmente tangencial en un anillo formado por la capa 14 de líquido en una estructura radial 17 de los alabes para el gas que fluye hacia el interior. El gas entra en los alabes radiales de flujo hacia el interior y está dirigido radialmente hacia dentro (véase la flecha 18) por efecto de los alabes. El momento radial transferido por el gas a los alabes, como su velocidad tangencial disminuye, produce un par en la estructura 17 de alabes y en la estructura giratoria 13. Tal par genera potencia adicional al único eje 16.

La capa separada de líquido es eliminada por el deflector 20. El deflector puede tener un contorno con un perfil de superficie para ralentizar la velocidad tangencial 15a del líquido a una velocidad menor, recuperando la energía cinética residual como presión.

El gas separado abandona los alabes de flujo radial hacia dentro en una dirección 21 generalmente axial. La entalpía residual puede ser convertida en potencia del eje en una turbina independiente de gas o mediante la adición de alabes al eje 16.

El dispositivo ilustrado utiliza la simple estructura de rotación para:

a): separar el gas del líquido eficientemente,

b): generar potencia a partir de la fase líquida,

c): generar potencia a partir de la fase gaseosa,

d): bombear el líquido separado a una presión más alta.

El dispositivo consigue la inesperada combinación de elementos anterior al tiempo que evita la erosión de las superficies de conversión de líquido, que están protegidas por la película de líquido. El dispositivo consigue también la inesperada combinación de elementos al tiempo que evita la erosión de los alabes del gas mediante la separación del líquido del gas por las altas fuerzas centrífugas de la superficie giratoria.

En la figura 2 se muestran otros medios para convertir energía de un flujo de dos fases en potencia útil. Un flujo de dos fases a una presión 24 generalmente alta se introduce en una entrada 25 de estructura de tobera de dos fases. La presión del flujo disminuye en el conducto 26 de la tobera de dos fases del cuerpo 27 no giratorio. La disminución de la presión origina la aceleración de la mezcla de dos fases a una velocidad generalmente mayor.

El chorro resultante 27b de dos fases (véanse las líneas de puntos y la flecha 27a) incide en una dirección generalmente tangencial sobre una superficie giratoria 28 del rotor 28a integrado con el eje 29. Las grandes fuerzas centrífugas generadas por la superficie giratoria dan como resultado la separación de la fase gaseosa de la fase líquida y la formación de la capa 30 de líquido sobre la superficie giratoria 28.

La figura 2 muestra una sección transversal de la tobera y del dispositivo. Las direcciones del flujo de dos fases y del líquido separado corresponden a las ilustradas en el dibujo de la figura 1.

La película de líquido separado es ralentizada a la velocidad de la superficie giratoria 24 por efecto del rozamiento. Las fuerzas de arrastre resultantes generan un par y una transferencia de potencia al eje único 29. El gas separado 32 fluye a través de los alabes axiales de vapor en 31, sobre el rotor 28a. Véase la flecha 32 del flujo de gas y también la figura 2a. El cambio de dirección, originado por los alabes, da como resultado una fuerza sobre los alabes que genera también un par y una transferencia de potencia al eje único 29. Se proporciona una guía cilíndrica 33 para dirigir el gas separado hacia los alabes para hacer mínimo el arrastre del gas circundante estancado. La guía puede tener unas aletas radiales 34 para hacer mínimo aún más el arrastre. Tras abandonar los alabes 31, el gas abandona la turbina hacia un puerto 35.

Después de que el líquido es ralentizado a la velocidad de la superficie giratoria, fluye a través de los orificios axiales 36 de transferencia en 28a hacia el lado opuesto del disco 28b del rotor. El líquido separado es recogido por un deflector 36 desde este lado del disco del rotor, penetrando el deflector en la capa 30 de líquido. El deflector puede tener un contorno tal que ralentice eficientemente la velocidad residual del líquido, generando una presión en el líquido separado.

El volumen abierto 37 dentro de la caja 20a está lleno de gas. Las juntas 38 del eje, los cojinetes 39 y los cojinetes 40 de empuje son componentes convencionales de trabajo con gas. La estructura de la caja aparece en 41 y 42. Si se utiliza el dispositivo para presurizar un líquido corrosivo, tal como agua salada geotérmica, la fiabilidad del bombeo es mucho mayor que la de una bomba normal. Este inesperado resultado tiene lugar debido a que las juntas y los cojinetes solo están expuestos a gas limpio en 37, en lugar de estarlo al líquido corrosivo.

Las toberas 26 de dos fases separadas alrededor del eje 29 y utilizadas para acelerar el flujo de dos fases para la conversión en potencia en la turbina, pueden tener un diseño simétrico respecto al eje o rectilíneo.

La figura 3 muestra una tobera de dos fases que mejora el rendimiento de las geometrías simétricas respecto al eje teniendo una sección transversal rectilínea, normal a la dirección del flujo.

El flujo 124 que entra en la tobera 126 de dos fases está a una presión relativamente alta. El flujo es acelerado a velocidades mayores a medida que fluye hacia las salidas 128 de las toberas desde el anillo 127 de la tobera correspondiente al anillo 27 de la figura 2. Se disponen unas paredes laterales para guiar el flujo de manera que abandone las toberas similares con un ángulo á deseado con el plano perpendicular al eje de la turbina en la cual se introduce el flujo.

La ventaja de la geometría de dos dimensiones es que la altura 130 de la tobera puede hacerse mínima. La pérdida de energía del momento debida a una altura finita de la tobera es:

PÉRDIDA = 1,0 - (D-h)^{2}/D^{2} \eqnum{(1)}

donde:

D: = diámetro de la superficie de separación

h: = altura de la salida de la tobera

Para una tobera simétrica respecto al eje, el área de salida es:

A = (0,785)(d^{2}) \eqnum{(2)}

donde:

d: = diámetro de la tobera simétrica respecto al eje

w: = anchura de la tobera de dos dimensiones

Para una geometría bidimensional, el área de salida es:

A = (h)(w) \eqnum{(3)}

Para áreas iguales, la altura h viene dada por:

h = (0,785)(d^{2})/(w) \eqnum{(4)}

Para d = 1,0 y w = 5, h = 0,157, siendo éstas unidades de medida. Así, la altura de salida de la tobera bidimensional es solamente 0,157 veces la altura de la tobera simétrica respecto al eje para este ejemplo. Si el diámetro de la superficie de separación es 6,0, la pérdida con una tobera simétrica respecto al eje es 0,3055 veces la energía cinética del flujo de dos fases que abandona la tobera. La pérdida con la tobera bidimensional anterior es solamente 0,516 veces la energía cinética.

Las toberas de la figura 3 pueden ser diseñadas de manera que todas las paletas guía y líneas de corriente de salida tengan un ángulo constante con el plano perpendicular al eje de la turbina hacia la cual fluye el chorro. Como la pérdida de energía cinética es proporcional a 1,0 menos el coseno de ese ángulo \alpha al cuadrado, la pérdida mínima tendrá lugar para ángulos iguales.

Pueden proporcionarse otros medios para convertir la energía cinética del líquido separado en potencia del eje en conjunción con cualquiera de los conceptos del conjunto de alabes para gas ilustrados.

La figura 4 muestra esquemáticamente una turbina 50 de reacción de líquido que puede ser utilizada. El líquido 51 separado y centrifugado fluye en la superficie 52a de separación del rotor 52 a la velocidad de rotación de esa superficie. El líquido separado transfiere potencia al rotor bajo la acción de las fuerzas de rozamiento, como se describe en las figuras 1 y 2. Se dispone un conducto 53 en el rotor para que el líquido fluya radialmente hacia fuera en 54. El campo de fuerza centrífuga resultante de la rotación de la estructura de separación origina un aumento de la presión en el líquido a medida que fluye hacia fuera. Al final del conducto radial, se dispone una tobera 57 de líquido. El líquido se acelera a través de la tobera y abandona la estructura giratoria a una velocidad relativamente alta. Véase la flecha 58. La fuerza de reacción del chorro de líquido que abandona la estructura a velocidad relativamente alta genera un par, que se ejerce a través del rotor 52 sobre el eje 59 y se convierte en potencia del eje. Con relación a esto, la divulgación de la patente de Estados Unidos 4.298.311 se incorpora aquí como referencia.

Las figuras 5 y 5a son secciones transversales que ilustran la integración de los medios de reacción de líquido en la estructura de la turbina de la figura 2. Se dispone un conducto radial 61 para el flujo radial hacia fuera del líquido separado. El líquido separado fluye radialmente hacia fuera en 62 y es acelerado a través de una tobera 63 de líquido. El chorro fluye a través de un conducto estrecho 64 en un anillo 65 de la caja de la turbina. El conducto de fluido está configurado de manera que el chorro barre cualquier flujo inverso de líquido. El líquido es recogido en un conducto colector 65 y escapa a través de un puerto 67. Las fuerzas de reacción del chorro que abandona la estructura de separación en 28a a gran velocidad generan un par que es ejercido a través del rotor 28a y se suma al par generado por las fuerzas de arrastre del líquido y por el gas separado que gira por efecto de los alabes axiales de flujo. El resultado es que la potencia generada por las tres fuentes es transmitida sobre el eje único 29.

Las figuras 6 a 6b son similares a la figura 4, pero muestran un rotor 179 de una turbina de dos fases que tiene unos conductos 180 de reacción de líquido y unas toberas asociadas 181 para el líquido suministrado desde los segmentos 182 del anillo de separación, para convertir la energía cinética del líquido en potencia del eje. Además, los conductos radiales 184 del gas que fluye hacia fuera y las toberas 185 reciben el gas separado desde las zonas 186 de los segmentos de los anillos para convertir la energía cinética del gas separado y la entalpía en potencia del eje. En otra configuración, pueden utilizarse alabes de flujo radial hacia fuera en lugar de los conductos 184 y de las toberas 185 para convertir la energía cinética del gas en potencia del eje.

Además, como se ha indicado anteriormente, y como está ilustrado en las figuras 6, 6a y 6b, la entrada al conducto 180 de líquido tiene un radio mayor que la entrada al conducto 184 de gas. El nivel de líquido en 182 está radialmente hacia fuera desde la entrada al conducto de gas. El nivel de líquido proporciona una barrera para impedir que el gas fluya a través del conducto 180 de líquido. Consecuentemente, a través del conducto de gas solamente fluye gas.

La columna de gas en el conducto de gas y la columna de líquido en la columna de líquido experimentan una alta fuerza centrífuga debido a su rotación, que es inducida por la estructura del rotor. La presión aumenta en dirección radial hacia fuera. El gas y el líquido se expanden separadamente a través de las toberas en posición radial hacia fuera, generando chorros separados de líquido y gas, que producen un par de reacción sobre el rotor.

Las figuras 7 y 7a muestran una turbina en la que la entalpía remanente del gas que abandona la turbina de separador rotativo de dos fases de los tipos descritos en las figuras 1, 2, 4, 5 y 6 es convertida en potencia del eje sobre el mismo eje, añadiendo alabes y toberas axiales para el flujo de gas. El flujo de dos fases en introducido en la tobera en 201. El flujo es acelerado en la tobera 202 a una velocidad relativamente alta. El líquido es separado y decelerado por medio del rotor 203 del separador rotativo, convirtiendo la energía cinética del líquido separado en potencia del eje. El vapor separado fluye a través de los alabes radiales 205 de gas del flujo de entrada, convirtiendo la energía cinética y algo de entalpía del gas separado en potencia adicional del eje. El gas que abandona la primera etapa del separador rotativo es acelerado en una tobera 206 de gas estacionario. El gas de velocidad relativamente alta se hace pasar a través de los alabes 207 de gas, unidos al eje giratorio común 209. El gas pasa a través de etapas adicionales de la turbina de fase gaseosa, según se requiera, para convertir la entalpía del gas en potencia del eje común 209. El gas abandona las etapas 208 de la turbina de fase gaseosa en 208a y es expulsado hacia un condensador o para uso de un proceso. La turbina combinada tiene unas juntas convencionales 210 y unos cojinetes 211 para la fase gaseosa.

La geometría combinada, cuando se aplica a flujos de vapor, permite utilizar el vapor húmedo para generar directamente potencia en una turbina.

La figura 8 muestra un motor de vapor que puede funcionar con vapor húmedo. El vapor es generado en un intercambiador de calor o caldera 251. El vapor puede ser seco, moderadamente húmedo (por ejemplo una calidad de vapor del 70%-80%) o muy húmedo (agua saturada con una calidad de vapor del 70%). Si la calidad del vapor es del valor requerido, el flujo 249 de dos fases puede ser introducido directamente en la etapa 253 de la turbina del separador rotativo. Si se requiere una calidad inferior del vapor que la calidad de vapor proporcionada por el intercambiador de calor, puede inyectarse agua en 252 para disminuir la calidad del vapor. El vapor separado y que abandona la etapa de la turbina del separador rotativo, pasa a través de las etapas 254 de la turbina de fase gaseosa. La potencia generada por el líquido y el gas separados es transmitida desde el eje único 255. El vapor que abandona las juntas en 258 y el vapor que abandona la turbina en 257 es condensado en un condensador 259. El condensado es presurizado con una bomba 260. El líquido que abandona la etapa del separador rotativo en 256 puede ser presurizado por un difusor interno. Si se hace así, es encaminado por la válvula 291 corriente arriba en 263 en la bomba de alimentación 262 y se mezcla con el condensado. El flujo resultante en 264 es encaminado hacia el intercambiador de calor 251. Si se requiere, una parte del flujo 264 de retorno puede ser encaminado en 268 por medio de una válvula 269 para ser mezclado con el flujo del intercambiador de calor.

Las ventajas siguientes pertenecen a un motor de vapor húmedo en comparación con un motor de vapor seco saturado:

1): El intercambiador de calor de vapor húmedo es mucho menor que un intercambiador de calor de vapor seco. Para obtener vapor seco no se requiere un separador. Los coeficientes de transferencia de calor en el lado del vapor son mucho mayores debido al flujo de vapor relativamente húmedo.

2): La humedad del vapor en las etapas de vapor de la turbina de vapor húmedo es menor que para una turbina de vapor seco saturado con la misma presión de entrada que la etapa de turbina del separador rotativo. Esto es debido a que la etapa del separador rotativo elimina la fase acuosa, produciendo vapor seco saturado para las etapas de la turbina de vapor a una presión inferior que la de la turbina de vapor seco saturado. La eficiencia de los alabes de la turbina es por tanto mayor y el potencial de erosión es mucho menor. Este es un resultado completamente inesperado de la utilización de la turbina de separador rotativo en conjunción con los alabes convencionales de la turbina de vapor. No sería obvio que una turbina de vapor húmedo tuviera un potencial de erosión menor y una eficiencia de alabes mayor que una turbina en la cual se introdujera vapor seco.

3): Debido a la eficiencia de alabes incrementada y al calentamiento del agua de alimentación del agua separada, le eficiencia del motor de vapor húmedo es mayor que la de un motor sencillo de vapor seco saturado con la misma temperatura máxima.

Otra aplicación de la turbina de separador rotativo es mejorar la eficiencia de las plantas de potencia geotérmica. La figura 9 ilustra esta aplicación. En una planta geotérmica convencional de vapor de evaporación instantánea, se conduce un flujo de dos fases desde un pozo geotérmico 301 con una presión p_{1} relativamente alta hacia un depósito de evaporación instantánea 302. El flujo de dos fases se evapora instantáneamente a una presión inferior p_{2}. Esta disminución isoentálpica de la presión genera vapor adicional, pero no potencia. El vapor es separado y fluye en 303a hacia una turbina 303 de vapor, que activa un generador 304, generando potencia eléctrica por valor de P_{1}. El vapor que abandona la turbina de vapor en 308 es condensado en un condensador 309, y el condensado es presurizado por una bomba 310. El agua salada 305 separada puede ser presurizada y reinyectada en la tierra o puede ser conducida a un depósito 306 de evaporación instantánea a menor presión cuando disminuye la presión, generando vapor adicional a una presión p_{3}. El vapor a presión menor en 307 puede ser introducido en un puerto de baja presión de la turbina de vapor para generar potencia adicional (o puede utilizarse para otros fines generadores de potencia, tales como la activación de un turbocompresor).

Se puede instalar una turbina 314 de separador rotativo en un circuito de flujo paralelo a la línea de flujo de dos fases y a un depósito 302 de evaporación instantánea de alta presión. El flujo de dos fases es encaminado en 312 por medio de una válvula 313 a través de este circuito hacia la turbina 314 (RST) del separador rotativo de alta presión. La presión se reduce en la RST 314 desde p_{1} a p_{2} generando vapor y potencia P_{2} adicionales. El vapor separado en p_{2} es conducido en 315 hacia el depósito 302 de evaporación instantánea, generando condiciones de vapor idénticas a las del sistema convencional de evaporación instantánea. La cantidad de vapor se reduce ligeramente en la energía equivalente a la potencia generada P_{2} por la RST. Se disponen unas válvulas 313 y 316 de aislamiento de manera que el sistema de vapor de evaporación instantánea y la turbina de vapor puedan continuar funcionando incluso cuando la RST está desactivada. El agua salada separada de la RST puede ser reinyectada en la tierra o bien puede ser conducida a una RST 319 de baja presión. El agua salada puede ser evaporada instantáneamente a p_{3} en la RST de baja presión, generando potencia P_{3} adicional. El vapor de baja presión separado es conducido en 330 al depósito 306 de evaporación instantánea de baja presión en las mismas condiciones que el sistema convencional de evaporación instantánea. El agua salada separada puede volver a ser presurizada por medio de la RST 319 de baja presión de manera que pueda volver a ser reinyectada en 325 sin una bomba 324, lo cual reduce los requisitos de potencia auxiliares de la planta.

La Tabla 1 muestra la potencia obtenida por la RST a partir de un pozo geotérmico típico de alta presión. Se obtiene una ganancia total del 16% tras haber tenido en cuenta la pequeña disminución del flujo de vapor y de la potencia de la turbina de vapor.

TABLA 1

\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|l|}\hline
 p _{1}   \+ = (939 psia) = 67,33 bares \\  p _{2}   \+ = (202 psia)
= 14,48 bares \\  m  \+ = (131 libras) = 59,4 kg/s \\  h _{1}   \+ =
(1198,5) Btu/lb = 2789 kJ/kg \\  P _{1} +P _{2}   \+ = 15,014 kW \\ 
P _{inst}   \+ = 12,951 kW
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip

donde:

p_{1} = presión en la boca del pozo

p_{2} = presión del vapor

m = tasa de flujo total

h_{1} = entalpía en la boca del pozo

P_{1} + P_{2} = potencia total de la turbina de dos fases y de la turbina de vapor

P_{inst} = potencia de la turbina de vapor solamente de la evaporación instantánea.

La RST puede hacerse más flexible y controlable si se varía la zona de la garganta de la tobera de dos fases. La figura 10 muestra un método para variar la garganta de la tobera bidimensional. Se dispone una placa móvil 351 en la garganta 352 de la tobera. Se dispone un accionamiento 353 para mover la placa en una dirección perpendicular al eje de la RST. Para un conjunto de toberas alrededor de la periferia de la RST, la placa puede ser un segmento circular al que se hace girar bajo la acción del accionamiento. La placa tiene unos dientes 358 que sobresalen en el conducto 357 de la garganta de la tobera. En la posición totalmente abierta, los dientes 358 son trasladados a una posición tal que el conducto de la garganta está totalmente abierto. Para estrangular el flujo, se traslada la placa de manera que los dientes bloqueen parte del conducto 356 de la garganta. La reducción resultante de la superficie disminuye la tasa de flujo a través de la tobera. El cambio abrupto de la superficie genera un alto gradiente de presión local que atomiza las gotas y que puede generar una mayor eficiencia de la tobera. Otros elementos muestran un tapón 365 de admisión de la tobera, un alojamiento superior 366 y una entrada 367 de la tobera.

Es posible la mejora del rendimiento del difusor y una reducción del ruido si se pudiera reducir la cantidad de gas ingerido. Los medios para conseguir esto se muestran en la figura 11. La ingestión de gas puede tener lugar cuando la superficie de la capa de líquido no llene la entrada 405 del difusor 400. Una manera de llenar la abertura es reducir el tamaño de la abertura. Dentro del cuerpo 401 del difusor se dispone una inserción móvil perfilada 402. La inserción está unida a una estructura 403 con unos dientes de engranaje lineal que es trasladado por un engranaje 404 del eje. La traslación de la inserción da como resultado el aumento o disminución del tamaño de la abertura del difusor. La inserción está sellada por unas juntas de elastómero o de fuelle. El caudal resultante del líquido recogido es presurizado y abandona la RST a través de una tubería 407.

Una parte del líquido recogido se vuelve a introducir a través de una tubería 409 y de una tobera 410 en la capa de líquido para aumentar la profundidad de la capa de manera que la abertura del difusor se llene de manera más completa. Se genera un chorro 411 que es dirigido hacia una dirección, y en particular, de la rotación del caudal o capa 412 en la superficie 413 del separador rotativo, que está frente al eje geométrico del eje. El caudal de recirculación aumenta el caudal de masa que entra en la abertura del difusor, originando un aumento en la superficie del flujo. La ineficiencia del difusor y la ineficiencia de la tobera dan como resultado una velocidad del chorro 411 de líquido, que es menor que la velocidad de la capa 412 de líquido. Este efecto aumenta también la superficie del flujo.

Claims

1. Una turbina giratoria que tiene una entrada para dirigir una mezcla de gas y líquido sobre un rotor de un separador de fluido para accionar un eje rotativo de salida, teniendo dicho rotor unas superficies sobre las cuales inciden las corrientes separadas de líquido y gas separados en dicho rotor para accionar dicho eje, y un deflector de líquido para retirar el líquido separado de una capa giratoria en una de dichas superficies de dicha turbina, caracterizada por una tobera (410) para recibir una parte vertida de dicho líquido retirado por dicho deflector (400), estando dispuesta dicha tobera para redirigir dicha parte vertida en dicha capa (412) para controlar la profundidad de líquido en dicha capa para hacer mínima la ingestión de gas por el deflector (400).

2. La turbina de la reivindicación 1, caracterizada porque dicha tobera (410) está dispuesta para dirigir dicha parte vertida en la dirección de rotación de dicha capa.