ES2275204T3 - Control de una turbina de gas con reactor de aire caliente. - Google Patents
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Abstract
Planta de turbina de gas que comprende un compresor (C), una turbina (T) y un reactor (1) para calentar aire, en la que el aire es comprimido en el compresor (C) y es suministrado junto con un combustible al reactor para mantener la combustión, y en la que el aire calentado en el reactor acciona la turbina (T), caracterizada porque el control de la carga de la turbina (T) consta de controlar la temperatura de entrada a la turbina (T) mezclando aire caliente procedente del reactor (1) con aire procedente del compresor por medio de una válvula reguladora (V) dispuesta entre la salida del compresor (C) y la entrada de la turbina de gas (T).
Description
Control de una turbina de gas con reactor de
aire caliente.
La invención se refiere a una turbina de gas en
la que la combustión de un combustible tiene lugar en un reactor
lento, es decir, un reactor que no puede ser controlado rápidamente
en el caso de fluctuaciones de carga, por ejemplo controlando el
suministro de combustible. La invención se refiere en particular a
una instalación y un procedimiento para controlar una turbina de
gas en diferentes situaciones de funcionamiento que se producen
durante el uso de tal reactor.
Se propone un procedimiento especial de
generación de energía basado en turbina de gas que usa un concepto
conocido por la abreviatura AZEP (planta avanzada de energía sin
emisiones). Este procedimiento representa un manera económica de
reducir las emisiones locales y globales. El ciclo innovador en el
que está basado el procedimiento posibilita reducir el 100% las
emisiones de dióxido de carbono (CO_{2}). Varios añadidos
complementarios permiten que se use equipamiento convencional de
turbinas de gas basadas en aire para generación de energía. La
pérdida de rendimiento en planta es menos del 2%. La clave para
lograr estos objetivos es el desarrollo de un reactor integrado con
una turbina de gas, en el que se separa oxígeno (O_{2}) del aire
en el reactor, de manera que la combustión de un combustible puede
tener lugar en un entorno libre de nitrógeno.
El concepto AZEP no se describirá más a fondo en
este documento, ya que el concepto expone un procedimiento
conocido. Como ejemplo de la técnica anterior, en este documento se
hará referencia a un artículo del "Second Nordic Minisymposium on
Carbon Dioxide Capture and Storage" celebrado en Gothenburg el
26 de octubre de 2001, y titulado "AZEP - Development of an
Integrated Air Separation Membrane-Gas Turbine",
por los autores Sundkvist, Griffin y Thorsaug. Todo lo descrito en
dicho artículo se incorpora en este documento a la presente memoria
descriptiva.
El concepto AZEP propone un procedimiento para
generar energía con nulas emisiones. El uso de una membrana llamada
Membrana Conductora Mixta (MCM) proporciona una solución a esto.
Esta membrana produce oxígeno puro a partir del aire. La
investigación centrada en estas membranas selectivas de oxígeno ha
aumentado notablemente en los últimos años. Las membranas MCM están
formadas de estructuras cristalinas complejas, que contienen
vacantes e iones de oxígeno. El principio sobre el que los iones de
oxígeno son transportados a través de una membrana implica
adsorción superficial seguida de descomposición en iones que son
transportados a través de la membrana por una ocupación secuencial
de vacantes de iones. El transporte de iones es compensado por un
flujo de electrones a través de la membrana en la dirección
opuesta. La fuerza motriz es una diferencia entre la presión
parcial del oxígeno a ambos lados de la membrana. El transporte
requiere además altas temperaturas de más de 700ºC.
La integración de la tecnología MCM en plantas
de energía puede lograrse de diversas maneras. Varias soluciones
con ciclos separados caracterizados por diferentes rendimientos de
ciclo han sido estudiadas y comparadas con las mejores tecnologías
posibles existentes. Esto ha demostrado que la aplicación más
eficiente, económica y prometedora de un reactor MCM es integrarlo
en una turbina de gas convencional. El reactor MCM, que combina
procedimientos de separación de oxígeno, combustión y transferencia
de calor, está pensado de ese modo para sustituir a los quemadores
convencionales en una planta de energía de turbina de gas de diseño
estándar, como se muestra en la Fig. 1 y se desvela en el documento
WO-A-02053969. El conjunto de la
turbina de gas y su equipamiento auxiliar consta de instalaciones
estándar. La Fig. 1 muestra la configuración básica de dicho
concepto con una turbina de gas que usa combustión de metano en un
reactor MCM. Se suministra aire a un compresor C, de donde el aire
comprimido calentado se suministra al reactor 1. En el reactor 1 se
quema un gas, en este caso metano. El calor procedente de la
combustión sube la temperatura del aire suministrado al reactor,
tras lo cual el aire caliente acciona una turbina de gas T. La
energía útil es utilizada por un generador G montado sobre el mismo
eje que el compresor y la turbina de gas. Extendiéndose a lo largo
de la longitud del reactor está una membrana MCM M. El oxígeno es
transportado a través de la membrana en la figura desde el llamado
circuito de aire del reactor 1 hacia el circuito de barrido del
reactor. En el circuito de barrido el gas se quema en una reacción
con oxígeno, tras lo cual los gases de combustión, en gran parte
dióxido de carbono y agua, emiten calor por medio de un
intercambiador de calor y después son suministrados a una turbina
T2, que es accionada por los gases de combustión. Después, el agua
y el dióxido de carbono son recogidos por el equipamiento (no
mostrado), aguas abajo de la salida 2.
Un problema que ha de superarse para accionar
una turbina de gas con un reactor MCM es cómo controlar la planta.
En una turbina de gas convencional que genera un gas caliente, a
diferencia de la generación de aire caliente en la presente planta,
la turbina de gas se controla fácilmente regulando el suministro de
combustible a uno o más quemadores entre el compresor y la turbina
de gas según los requisitos de carga. Tal control es imposible con
el tipo de reactor muy lento representado por un reactor MCM. Es
decir, no son posibles cambios rápidos en la potencia de salida que
suministra a la turbina de gas. Un objeto de la presente invención
es demostrar una solución a este problema.
Un primer aspecto de la invención expone una
instalación para controlar una turbina de gas, cuyo quemador consta
de un reactor que se mantiene preferentemente a una temperatura
constante, estando caracterizada la instalación por la
característica particular según la reivindicación de dispositivo
independiente.
Un segundo aspecto de la invención expone un
procedimiento para controlar dicha planta según la reivindicación
de procedimiento independiente.
Disponer el reactor AZEP separado de la turbina
de gas posibilita lograr una separación rápida de la turbina de
gas del reactor en relación con la carga.
El objeto general de los aspectos de la
invención es mantener estable la temperatura del reactor,
simplemente controlando la salida del quemador del reactor y
también controlando el flujo másico a través del circuito de
barrido en el reactor. La presión en el circuito de barrido se
mantiene a un nivel constante en relación con la presión en los
conductos de aire del reactor. Esto se logra controlando la salida
de gas ordinaria y, en situaciones extremas, una válvula de
descarga de gas. Si el aumento de presión del compresor de la
turbina de gas es más rápido del que puede producirse suministrando
combustible dentro del circuito de barrido, debe considerarse la
inyección de vapor adicional dentro del reactor.
La turbina y su compresor se controlan por medio
de las salidas de descarga convencionales y los álabes
distribuidores giratorios en el compresor y controlando la
temperatura de la entrada de la turbina. Según el aspecto de la
invención, la temperatura se controla por medio de un conjunto de
válvulas, que controla la una mezcla de aire caliente procedente
del reactor y aire procedente del compresor, a la cual se ha hecho
desviarse del reactor por medio del conjunto de válvulas. Puede
bastar un conjunto de válvulas si la resistencia al flujo de aire a
medida que el aire circula a través del reactor puede ser tal que
la temperatura del aire hacia la turbina es suficientemente baja
para todas las cargas cuando la válvula reguladora que desvía del
reactor está totalmente abierta. Si la resistencia al flujo a
través del reactor es demasiado baja, debe disponerse un conjunto
de válvulas adicional en el conducto de aire frío hacia el
reactor.
Aparte de la lentitud del reactor, una ventaja
muy importante al poder mantener el reactor a la alta temperatura
cuando se controla la planta es que es posible extraer oxígeno del
aire para el proceso de combustión en el circuito de barrido sin la
necesidad de suministrar oxígeno adicional, lo cual se hace
necesario si la temperatura en el reactor se reduce en un intento
de controlar la planta con la ayuda de ajustes en la marcha del
reactor.
Se demostrarán más ejemplos del funcionamiento
del control de turbina de gas desvelado y su aplicación en
diversas situaciones de operación con referencia a los siguientes
ejemplos de realización.
la Fig. 1 muestra una planta de turbina de gas
con un reactor MCM propuesto en la técnica anterior;
la Fig. 2 muestra en un diagrama esquemático y
simbólico cómo está dispuesta una planta de turbina de gas según los
aspectos de la invención;
la Fig. 3 ilustra una planta de turbina de gas
según la invención, que muestra más claramente los diversos flujos
de gas en la turbina de gas y el reactor.
A continuación se describirá la invención con
referencia a los dibujos adjuntos. Una instalación en forma de una
planta de turbina de gas, que se controla según los aspectos de la
invención, se muestra en la Fig. 1 descrita anteriormente.
La instalación para controlar la planta se
muestra en forma esquemática en la Fig. 2. En la dicha figura, C
representa un compresor para comprimir aire, que después de la
compresión es suministrado a mayor presión y temperatura más alta a
un reactor MCM 1 según la técnica anterior. En el reactor 1 se
quema un combustible, en este caso gas metano. El reactor comprende
un intercambiador de calor, que emite calor del circuito de
barrido en el reactor al aire en el circuito de aire a través de la
membrana M, que divide el reactor en un lado del circuito de
barrido y un lado del circuito de aire. La temperatura del aire es
aumentada así a alrededor de 1250ºC. Este aire calentado acciona la
turbina de gas T. Para poder controlar la planta con fiabilidad y
en diferentes tipos de situaciones de funcionamiento, según el
aspecto de la invención está dispuesta una válvula reguladora V en
paralelo con el reactor 1. La válvula reguladora V está situada
preferentemente en el lado frío del circuito de aire. La válvula
reguladora V puede usarse así para cortocircuitar el flujo de aire
por el reactor 1. Esto posibilita controlar la temperatura en la
entrada a la turbina de gas T enteramente dentro del intervalo de
temperatura que está definido por la temperatura más baja en la
salida del compresor C y la temperatura más alta en la salida del
reactor 1, que normalmente se mantiene a aproximadamente 1250ºC.
Tal como se expuso, es ventajoso mantener el proceso en el reactor
a una alta temperatura constante en beuna parte. De esta manera
puede aislarse el funcionamiento del reactor del control real de
absorción de carga de la turbina de gas. Usando la válvula
reguladora V para mezclar el aire más frío procedente del compresor
C con el aire caliente procedente del reactor 1, la carga de la
turbina de gas T puede controlarse de la manera
deseada.
deseada.
La Fig. 3 muestra más claramente los flujos de
gas y aire a través de la planta según la invención. El aire
comprimido procedente del compresor C se suministra dentro del
reactor 1 a través de un núcleo 3, que contiene la membrana M. Esta
membrana contiene un gran número de conductos paralelos similares a
poros para aire y para gas. Cada conducto de aire está rodeado de
conductos de gas y viceversa. El procedimiento descrito
anteriormente para transportar oxígeno del aire al gas tiene lugar
en el material entre los conductos de aire y los conductos de gas.
El núcleo 3 también contiene un intercambiador de calor VVX, que
transfiere calor del gas caliente al aire, de manera que el aire es
calentado así a aproximadamente 1250ºC antes de que se suministre
el aire caliente a la turbina T. El gas caliente se produce en uno
o más quemadores 4, que están incluidos en el reactor 1. En el
ejemplo mostrado el gas está compuesto de metano que se quema en el
quemador 4. A través del quemador 4 también corre un circuito de
barrido 5. El gas en este circuito de barrido 5 se produce en el
quemador 4, tras lo cual el gas caliente emite calor a través del
intercambiador de calor VVX en el núcleo 3 del reactor 1. Debido a
la adición de oxígeno procedente de aire en el circuito de aire a
través de la membrana M, el gas en el circuito de barrido se
enriquece en oxígeno y es capaz de mantener la combustión en el
quemador 4 a donde se suministra en gas desde el núcleo 3. Después
de emitir calor, el gas se ha enfriado a aproximadamente 450ºC
antes de que llegue al quemador 4. El gas usado también es desviado
por una línea 6 hacia la turbina T2 mostrada en la Fig. 1, que
utiliza aún más el calor, tras lo cual el gas es transportado
nuevamente para procesamiento de su contenido de dióxido de carbono
y agua. La figura también muestra una válvula de descarga de gas 7
para descargar gas del circuito de barrido. También se muestra una
válvula de descarga de aire 8 para descargar aire del circuito de
aire.
A continuación se describen varias situaciones
diferentes de funcionamiento de la planta.
En el caso de un cambio de carga la temperatura
en el circuito de barrido del reactor debe mantenerse
constantemente a temperatura máxima. El flujo másico en el circuito
de barrido del reactor se mantiene de manera que el flujo de
capacidad calorífica en el circuito de barrido es igual al flujo de
capacidad calorífica en el circuito de aire del reactor.
En el caso de una parada caliente de la planta,
en la que no se requiere acceso al reactor, el reactor 1 es
aislado de la turbina 1. Esto se hace porque el flujo de aire por
el reactor se cortocircuita por fuera del reactor abriendo
totalmente la válvula reguladora V. Aún se mantiene un pequeño
flujo de aire a través del reactor para mantener el perfil de
temperatura del reactor y para mantener los quemadores en la
entrada del circuito de barrido a temperatura de plena carga.
El reactor 1 puede pararse de varias maneras
diferentes. Puede lograrse una parada de emergencia, por ejemplo
como resultado de un fallo de la turbina, aislando la turbina del
reactor de la misma manera que en la parada caliente. En este caso,
sin embargo, el reactor se apaga de manera bastante simple apagando
los quemadores. Si es necesario, también puede pararse la
circulación en el circuito de barrido. Otra alternativa para parar
el reactor que permite acceso más rápido al reactor y su núcleo es
que se apaguen los quemadores y la circulación en el circuito de
barrido pero, para la turbina, extraer gradualmente calor del
reactor de manera que se enfríe en consecuencia.
En una desconexión de la turbina de gas en la
que es necesario recurrir a una parada caliente de la planta, la
válvula reguladora V se abre totalmente para que la temperatura de
entrada a la turbina de gas T se reduzca y también se abre
totalmente una válvula de descarga de aire 8 para reducir
rápidamente la temperatura en la turbina de gas. La válvula
reguladora V según la invención se muestra instalada entre el lado
caliente y el lado frío del circuito de aire, como se describió
anteriormente.
Claims (15)
1. Planta de turbina de gas que comprende un
compresor (C), una turbina (T) y un reactor (1) para calentar aire,
en la que el aire es comprimido en el compresor (C) y es
suministrado junto con un combustible al reactor para mantener la
combustión, y en la que el aire calentado en el reactor acciona la
turbina (T), caracterizada porque el control de la carga de
la turbina (T) consta de controlar la temperatura de entrada a la
turbina (T) mezclando aire caliente procedente del reactor (1) con
aire procedente del compresor por medio de una válvula reguladora
(V) dispuesta entre la salida del compresor (C) y la entrada de la
turbina de gas (T).
2. Planta de turbina de gas según la
Reivindicación 1, caracterizada porque el reactor (1) es un
reactor de Membrana Conductora Mixta.
3. Planta de turbina de gas según cualquiera de
las Reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque la válvula
reguladora (V) está instalada en una línea que se desvía el
circuito de aire del reactor (1).
4. Planta de turbina de gas según la
Reivindicación 3, caracterizada porque la válvula reguladora
está instalada más cerca del lado más frío de dicha línea de
desvío.
5. Planta de turbina de gas según una cualquiera
de las Reivindicaciones 2 a 4, caracterizada porque el
reactor de Membrana Conductora Mixta (1) comprende un circuito de
aire que conduce aire desde el compresor (C) a lo largo de un
primer lado de una membrana (M), que transporta oxígeno del aire a
un gas caliente en el otro lado opuesto de la membrana y que a
medida que el aire en el circuito de aire pasa a través del reactor
es calentado por un intercambiador de calor (VVX) dentro del
reactor (1).
6. Planta de turbina de gas según la
Reivindicación 5, caracterizada porque el reactor (1)
comprende un circuito de barrido (5), que incluye el menos un
quemador (4) en el que se quema el combustible y genera un gas
caliente en el circuito de barrido, y porque el gas caliente es
conducido a través del reactor por el otro lado de dicha membrana
(M), donde es enriquecido con oxígeno y el gas caliente en el
circuito de barrido emite calor al aire en el intercambiador de
calor (VVX) antes de que el gas enfriado sea suministrado a una
salida (6).
7. Planta de turbina de gas según la
Reivindicación 6, caracterizada porque el circuito de
barrido comprende una válvula de descarga (7).
8. Planta de turbina de gas según una cualquiera
de las Reivindicaciones 5 a 7, caracterizada porque el
circuito de aire comprende una válvula de descarga de aire (8).
9. Planta de turbina de gas según la
Reivindicación 1, caracterizada porque el reactor (1) se
mantiene a una temperatura que corresponde a la plena carga del
reactor.
10. Planta de turbina de gas según la
Reivindicación 9, caracterizada porque dicha temperatura se
mantiene controlando el flujo de aire y combustible a través del
reactor.
11. Procedimiento de control de la carga en una
planta de turbina de gas, que comprende las siguientes etapas:
- -
- se comprime aire en un compresor (C),
- -
- el aire comprimido es conducido a través de un circuito de aire en un reactor (1) que comprime una membrana de Membrana Conductora Mixta (M),
- -
- se suministra combustible a un quemador (4) en un circuito de barrido (5) en el reactor (1) donde se forma un gas caliente por una combustión en el quemador,
- -
- se hace que el gas caliente emita calor al aire en el circuito de aire por medio de un intercambiador de calor en el reactor (1),
- -
- en el reactor (1) el gas caliente es enriquecido con oxígeno que es transportado al circuito de barrido procedente del aire en el circuito de aire a través de la membrana (M),
- -
- el aire calentado en el reactor (1) es desviado a una entrada de una turbina de gas (T) para accionar la turbina de gas, estando caracterizado el procedimiento porque:
- -
- el control de la carga en la planta se logra controlando una válvula reguladora V, que permite que el aire que viene directamente de la salida del compresor (C) se mezcle con aire caliente procedente del reactor (1), de manera que la temperatura del aire a la entrada de la turbina de gas (T) puede controlarse como una función de la absorción de carga de la turbina de gas (1).
12. Procedimiento según la Reivindicación 11,
caracterizado porque la válvula reguladora establece la
temperatura en la entrada a la turbina de gas a entre 450ºc y
1250ºC.
13. Procedimiento según la Reivindicación 11 ó
12, caracterizado porque se permite al reactor (1) funcionar
a una temperatura que corresponde a plena carga cuando se
controlan los cambios de carga de la turbina de gas (T).
14. Procedimiento según la Reivindicación 11,
caracterizado porque puede lograrse una parada rápida de la
planta abriendo totalmente la válvula reguladora (V) de manera que
prácticamente todo el aire procedente del compresor se desvía del
reactor (1).
15. Procedimiento según la Reivindicación 11,
caracterizado porque puede lograrse una parada rápida de la
turbina de gas (T) abriendo totalmente la válvula reguladora (V) de
manera que prácticamente todo el aire procedente del compresor se
desvía del reactor (1).
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