ES2286884T3 - Funcionamiento de una turbina de gas con aire comprimido suplementario. - Google Patents
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Abstract
Sistema para mostrar información en una primera pantalla (16) que está conectada a un medio de control de lógica programable (14) que, a su vez, está conectado a un dispositivo electrónico (19), que incluye una segunda pantalla (17), a través de un medio de entrada/salida de datos (15); caracterizado porque la primera pantalla (16) muestra invertidos los mismos datos de información que muestra la segunda pantalla (17), de manera que un pasajero, de un vehículo a motor, pueda leer la imagen reflejada en un parabrisas del vehículo procedente de la primera pantalla (16).
Description
Funcionamiento de una turbina de gas con aire
comprimido suplementario.
Esta invención se refiere a una central de
energía eléctrica de turbina de combustión y, más particularmente,
a un método para hacer funcionar una central de energía eléctrica
de turbina de combustión a fin de restablecer una pérdida de
potencia que puede ocurrir cuando el conjunto de turbina de
combustión está funcionando a temperatura ambiente alta o con
densidad baja del aire y/o generar potencia que supere la
producción de potencia de un conjunto de turbina de combustión
convencional mediante el uso de caudal de aire suplementario.
En el documento
WO-A-94/05904 se muestra una
turbina de gas que tiene un compresor suplementario conectado aguas
arriba de una válvula en el lado de entrada de la cámara de
combustión.
Una central de energía eléctrica de turbina de
combustión es la central de energía eléctrica preferida para
suministrar potencia de pico (máxima). Para una mayoría abrumadora
de clientes de energía eléctrica (en los EE.UU. y en el exterior),
el consumo de potencia alcanza su máximo durante el verano, el
tiempo cuando la producción de potencia eléctrica de turbinas de
combustión está en su valor mínimo debido a la temperatura ambiente
alta. La explicación simplificada de la producción reducida de
potencia es que la temperatura ambiente alta con menor densidad
asociada del aire de entrada reduce el caudal másico a través del
conjunto de turbina de combustión con una reducción respectiva de
la potencia producida. Las Figuras 1a, 1b y 1c representan balances
simplificados de calor y masa de un conjunto 12 de turbina de
combustión General Electric (GE) Frame 7 EA convencional que
funciona a tres temperaturas ambientes: (Figura 15ºC 1a), -17,8ºC
(Figura 1b) y 32,2ºC (Figura 1c). La turbina 12 de combustión
incluye un compresor 14, una turbina 16 de expansión, una cámara 18
de combustión que alimenta gas calentado de productos de combustión
a la turbina 16 de expansión. La turbina 16 de expansión está
acoplada para accionar el compresor 14 y un generador eléctrico 20
que está acoplado a la red eléctrica 17.
Las Figuras 1a-1c demuestran que
el conjunto de turbina de combustión General Electric (GE)
convencional, especificado en 84,5 MW en condiciones ISO (15ºC con
60% de humedad relativa), producirá potencia máxima de 102,5 MW
aproximadamente cuando la temperatura ambiente es -17,8ºC y
reducirá su potencia a 76,4 MW aproximadamente a 32,2ºC. La pérdida
significativa de potencia de un conjunto de turbina de combustión
durante los períodos de temperatura ambiente alta precisa una
empresa de servicios públicos para adquirir capacidades de pico
adicionales para satisfacer las exigencias de pico en el verano.
Las pérdidas de potencia para una central de energía eléctrica de
ciclo combinado que funciona a temperaturas ambiente altas son
similares a las de los conjuntos de turbinas de combustión.
Hay métodos convencionales para restablecer
parcialmente la potencia perdida de centrales de turbinas de
combustión/ciclo combinado durante los períodos de temperatura
ambiente alta: refrigeración por evaporación y diversos enfriadores
del aire de entrada de turbina de combustión (tipo mecánico o de
absorción). Estos métodos solo producen un restablecimiento parcial
de la potencia de turbina de combustión mientras que incrementan
significativamente los costes de inversión, lo que no está siempre
justificado para un funcionamiento limitado a períodos de tiempo
con temperaturas ambientes altas.
Por consiguiente, existe una necesidad de
desarrollar un método que permita que un conjunto de turbina de
combustión funcione a potencia máxima con independencia de la
temperatura ambiente.
Problemas similares de pérdida de potencia
existen en el caso de un conjunto de turbina de combustión
instalado a gran altitud. El problema en estas aplicaciones está
asociado con la densidad menor del aire y una pérdida
correspondiente de potencia de turbina de combustión. Actualmente
no hay métodos para restablecer la pérdida de potencia asociada con
aplicaciones a gran altitud.
Por consiguiente, existe una necesidad de
desarrollar un método que permita que un conjunto de turbina de
combustión mantenga la potencia máxima aunque funcione a grandes
altitudes.
Un objeto de la invención es satisfacer las
necesidades mencionadas anteriormente. De acuerdo con los
principios de la presente invención, estos objetivos son
conseguidos por un método para asegurar que un sistema generador de
energía eléctrica de turbina de combustión puede funcionar con
potencia admisible máxima a temperatura ambiente elevada y/o con
densidad baja del aire y/o funcionar con una potencia que supere la
de un conjunto de turbina de combustión convencional suministrando
aire complementario procedente de un almacenamiento de aire. El
método incluye proporcionar al menos un conjunto de turbina de
combustión que incluye un compresor, una turbina de expansión
asociada operativamente con el compresor, un generador acoplado con
la turbina de expansión, una cámara de combustión que alimenta la
turbina de expansión, estructura de trayecto de flujo que conecta
fluidamente una salida del compresor con una admisión de la cámara
de combustión, un almacenamiento de aire comprimido, un compresor
de carga para cargar el almacenamiento de aire; estructura de carga
que conecta fluidamente una salida del compresor de carga con una
entrada al almacenamiento de aire; estructura de conexión que
conecta fluidamente una salida del almacenamiento de aire a una
entrada de la cámara de combustión; y estructura de válvulas
asociada con la estructura de conexión y la estructura de carga
para controlar el caudal a través de la estructura de conexión y la
estructura de carga, respectivamente.
La estructura de válvulas es controlada para
permitir selectivamente uno de los modos siguientes de
funcionamiento: (1) un modo de funcionamiento de turbina de
combustión en el que el aire comprimido procedente del compresor se
mueve a través de la estructura de trayecto de flujo a la cámara de
combustión que alimenta la turbina de expansión tal que la turbina
de expansión acciona el generador, (2) un modo de funcionamiento de
aumento de aire comprimido en el que el aire comprimido procedente
del almacenamiento de aire es suministrado a través de la
estructura de conexión a la cámara de combustión además del aire
comprimido que pasa a través de la estructura de trayecto de flujo
a la cámara de combustión, lo que incrementa el caudal másico de
aire comprimido y gas a la turbina de expansión y permite así que
el generador suministre una potencia incrementada debido al aire
comprimido adicional que es suministrado a la turbina de expansión,
y (3) un modo de funcionamiento de carga de almacenamiento de aire
en el que el aire comprimido procedente del compresor de carga se
mueve a través de la estructura de carga para cargar el
almacenamiento de aire.
De acuerdo con un aspecto de la invención, el
aire comprimido procedente del almacenamiento de aire es dirigido a
un saturador donde el aire comprimido es mezclado con agua
caliente. El aire comprimido saturado y precalentado es enviado a
un recuperador para calentamiento adicional antes de ser inyectado
aguas arriba de la cámara de combustión.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, el
almacenamiento de aire comprimido es eliminado y una estructura
suplementaria de compresor está dimensionada para caudal de aire
suplementario completo a la cámara de combustión a fin de funcionar
continuamente y producir potencia incremental sin estar limitado
por el tamaño de un almacenamiento de aire.
Los objetos anteriores y otros de la presente
invención resultarán evidentes durante el curso de la descripción
detallada siguiente y las reivindicaciones adjuntas.
La invención puede ser comprendida mejor con
referencia a los dibujos adjuntos en los que se muestran
realizaciones ilustrativas, y las partes iguales tienen números de
referencia iguales.
La Figura 1a es un diagrama esquemático de una
turbina de combustión GE 7 EA convencional que funciona a 15ºC;
la Figura 1b es un diagrama esquemático de una
turbina de combustión GE 7 EA convencional que funciona a
-17,8ºC;
la Figura 1c es un diagrama esquemático de una
turbina de combustión GE 7 EA convencional que funciona a
32,2ºC;
la Figura 2 es una realización de un sistema
generador de energía eléctrica de turbina de combustión provisto de
acuerdo con los principios de la presente invención;
la Figura 3 es otra realización de un sistema
generador de energía eléctrica de turbina de combustión de la
invención;
la Figura 4 es otra realización más de un
sistema generador de energía eléctrica de turbina de combustión de
la invención que tiene un ciclo de vapor por el fondo;
la Figura 5 es un diagrama esquemático de los
parámetros de funcionamiento aplicables a las realizaciones
ilustradas en las Figuras 2 y 3 en las que un conjunto de turbina
de combustión funciona en un modo de funcionamiento de aumento de
aire a temperatura ambiente de 32,2ºC;
la Figura 6 es otra realización de un sistema
generador de energía eléctrica de turbina de combustión de la
invención que incluye la humidificación del caudal de aire
suplementario;
la Figura 7 es un diagrama esquemático de los
parámetros de funcionamiento aplicables a la realización ilustrada
en la Figura 6 en la que un conjunto de turbina de combustión
funciona en un modo de funcionamiento de aumento de aire a
temperatura ambiente de 32,2ºC;
la Figura 8 es otra realización de un sistema
generador de energía eléctrica de turbina de combustión de la
invención que elimina el almacenamiento de aire compri- mido pero
incluye la humidificación del caudal de aire suplementario; y
la Figura 9 es un diagrama esquemático de los
parámetros de funcionamiento aplicables a la realización ilustrada
en la Figura 8 en la que un conjunto de turbina de combustión
funciona en un modo de funcionamiento de aumento de aire a
temperatura ambiente de 32,2ºC.
Con referencia a la Figura 2, se muestra un
sistema generador de energía eléctrica de turbina de combustión
provisto de acuerdo con los principios de la presente invención,
indicado generalmente por 10. Se apreciará que la física y la
mecánica del sistema inventivo 10 son idénticas para el
funcionamiento a temperatura ambiente alta y a grandes altitudes.
Por tanto, todas las explicaciones en esto describirán el método y
su eficacia para la aplicaciones a temperatura ambiente alta
solamente. Además, ha de comprenderse que la invención se aplica
igualmente a una central de ciclo combinado donde una turbina de
combustión es un componente principal.
Refiriéndose a la Figura 2, una realización de
un sistema 10 generador de energía eléctrica de turbina de
combustión es ilustrado esquemáticamente e incluye un conjunto 12
de turbina de combustión convencional que puede ser, por ejemplo,
un conjunto de turbina de combustión GE 7 EA. El conjunto 12 de
turbina de combustión incluye un conjunto en árbol que tiene un
compresor 14, una turbina 16 de expansión y una cámara 18 de
combustión que alimenta gas calentado de productos de combustión a
la turbina 16 de expansión. La turbina 16 de expansión está
acoplada para accionar el compresor 14 y está acoplada con un
generador eléctrico 20. El generador 20 está acoplado a una red
eléctrica 17. En un modo de funcionamiento de turbina de
combustión, el aire es comprimido en el compresor 14 y, por vía de
una estructura 21 de trayecto de flujo, el aire comprimido es
enviado a la cámara 18 de combustión y después el gas calentado de
productos de combustión es expandido en la turbina 16 de expansión
para producir
energía.
energía.
De acuerdo con la invención, el conjunto 12 de
turbina de combustión está dispuesto a fin de inyectar el aire
comprimido almacenado previamente en una entrada de la cámara 18 de
combustión que alimenta la turbina 16 de expansión. Si ha de
suministrarse potencia que supere la potencia generada por el
conjunto 12 de turbina de combustión, la capacidad del generador
puede ser mejorada, cuya función será explicada más completamente a
continuación.
Un sistema de compresión, almacenamiento y
recuperación de aire comprimido adicional (CACSRS: compressed air
compression, storage and retrieval system) es provisto y, en la
realización ilustrada en la Figura 2, incluye un tren 32 de
compresores para suministrar aire comprimido a una almacenamiento
28 de aire comprimido por vía de una estructura 34 de carga en la
forma de tubería. En la realización ilustrada, el tren 32 de
compresores incluye los compresores primero y segundo 36 y 38,
respectivamente, accionados por un motor eléctrico 40. Un
refrigerador intermedio 42 puede estar dispuesto entre el primer
compresor 36 y el segundo compresor 38. Además, un refrigerador
posterior 44 puede estar dispuesto entre la salida del segundo
compresor 38 y una entrada al almacenamiento 28 de aire comprimido.
Una válvula 46 está dispuesta entre la salida del segundo compresor
38 y una entrada al refrigerador posterior 44. Una válvula 48 está
dispuesta entre una salida del refrigerador posterior 44 y una
entrada al almacenamiento 28 de aire comprimido. Las válvulas 46 y
48 definen un primer sistema de válvulas.
Una salida del almacenamiento 28 de aire
comprimido está acoplada de modo fluido a una entrada de la cámara
18 de combustión por vía de una estructura 50 de conexión. En la
realización ilustrada, un recuperador 52 está dispuesto entre una
salida del almacenamiento 28 de aire y una entrada a la cámara 18
de combustión. Una válvula 54 está dispuesta entre una salida del
recuperador 52 y una entrada de la cámara 18 de combustión y una
válvula 55 está dispuesta en la estructura 50 de conexión entre la
salida del almacenamiento 28 de aire y la entrada al recuperador
52. Las válvulas 54 y 55 definen un segundo sistema de válvulas.
Además, una válvula opcional 56 está dispuesta aguas abajo de la
unión entre la estructura 34 de carga y la estructura 50 de
conexión, que conduce el almacenamiento 28 de aire. Puede
apreciarse que si el recuperador 52 no es provisto, entonces la
válvula 54 no es necesaria. De modo similar, si el refrigerador
posterior 44 no es provisto, la válvula 46 no es necesaria.
El motor eléctrico 40 está acoplado a la red
eléctrica 17 tal que, durante las horas de menor consumo, el motor
el 6ctrico 40 puede accionar el tren 32 de compresores sores para
cargar el almacenamiento 28 de aire.
El almacenamiento de aire comprimido puede ser
una formación geológica subterránea tal como una bóveda de sal, un
depósito de sal, un acuífero, o puede estar hecho a partir de roca
dura. Alternativamente, el almacenamiento 28 de aire puede ser una
vasija de presión fabricada por el hombre que puede estar dispuesta
por encima del suelo.
El método de la presente invención incluye una
integración del conjunto 12 de turbina de combustión y el sistema
adicional de carga, almacenamiento y recuperación de aire
comprimido para proporcionar tres modos de funcionamiento:
- (1)
- un modo de funcionamiento de carga del sistema de almacenamiento de aire comprimido, con un trayecto de flujo que pasa a través del tren 32 de compresores, el refrigerador posterior 44 y la estructura 34 de carga al almacenamiento 28 de aire comprimido; en el que las válvulas 46 y 48 en la estructura 34 de carga están abiertas y las válvulas 54 y 55 en la estructura 50 de conexión están cerradas, y el tren 32 de compresores accionado por motor, que usa la energía en horas de menor consumo procedente de la red 17, comprime el aire ambiente a la presión especificada en el almacenamiento 28 de aire.
- (2)
- un modo de funcionamiento de aumento de aire, en el que el funcionamiento del conjunto 12 de turbina de combustión convencional es integrado con el caudal de aire comprimido procedente del almacenamiento 28 de aire; el aire procedente del almacenamiento 28 de aire es precalentado en el recuperador 52 y es inyectado aguas arriba de la cámara 18 de combustión; y en el que el aire comprimido procedente del almacenamiento 28 de aire pasa a través de la estructura 50 de conexión, a través del recuperador 52, a un punto aguas arriba de la cámara 18 de combustión; durante este funcionamiento, las válvulas 46 y 48 en la estructura 34 de carga están cerradas y las válvulas 54 y 55 en la estructura 50 de conexión están abiertas y controlan el caudal adicional procedente del almacenamiento 28 de aire; este modo de funcionamiento causa una producción de potencia que supera significativamente la del conjunto 12 de turbina de combustión porque la potencia producida por la turbina 16 de expansión resulta de la expansión del caudal total que es la suma del caudal comprimido por el compresor 14 y de un caudal adicional procedente del almacenamiento 28 de aire comprimido; las aletas de guía de entrada del compresor 14 pueden ser cerradas para reducir el consumo de potencia por el compresor 14 para aumentar la potencia eléctrica por el generador eléctrico 20 a la red eléctrica 17; y
- (3)
- un modo de funcionamiento de turbina de combustión convencional, donde el sistema de compresión, almacenamiento y recuperación de aire comprimido (CACSRS) está desconectado del conjunto 12 de turbina de combustión, y las válvulas 46 y 48 en la estructura 34 de carga y las válvulas 54 y 55 en la estructura 50 de conexión están cerradas, permitiendo que el aire comprimido se mueva desde el compresor 14, a través de la estructura 21 de trayecto de flujo, a la cámara 18 de combustión que alimenta la turbina 16 de expansión.
Aunque un solo conjunto 12 de turbina de
combustión es mostrado en las realizaciones en esto, puede
apreciarse que numerosos conjuntos de turbinas de combustión pueden
estar dispuestos y acoplados con un almacenamiento de aire común
para suministrar el caudal de aire aumentado deseado y, de este
modo, la producción de potencia
deseada.
deseada.
La Figura 3 es una ilustración esquemática de
una segunda realización de la invención e incluye el conjunto 12 de
turbina de combustión. Como antes, hay una disposición para
inyectar aire comprimido almacenado previamente aguas arriba de la
cámara 18 de combustión y una disposición para extraer el aire
comprimido aguas abajo del compresor 14 para una refrigeración
intermedia adicional en un refrigerador intermedio 58 y la
compresión en un compresor 60 elevador de presión. Asimismo, la
capacidad del generador eléctrico 20 puede ser mejorada si es
necesario.
El método también proporciona un sistema de
compresión, almacenamiento y recuperación de aire comprimido (CAC
SRS) que tiene un motor eléctrico 40 que acciona el compresor 60
elevador de presión de carga alimentado por el refrigerador
intermedio 58. Un refrigerador posterior 44 está dispuesto aguas
abajo del compresor 60 elevador de presión y las válvulas 46 y 48
están dispuestas antes y después del refrigerador posterior,
respectivamente, y están dispuestas en la estructura 34 de carga.
Así, un trayecto de flujo está dispuesto desde una salida del
compresor 14, a través del refrigerador intermedio 58 dispuesto en
la estructura integradora 62, a una entrada del compresor 60
elevador de presión, a través del refrigerador posterior 44, al
almacenamiento 28 de aire comprimido. Además, el aire comprimido
puede circular desde una salida del compresor 14 a una entrada de
la cámara 18 de combustión por vía de la estructura 21 de trayecto
de flujo. El almacenamiento de aire comprimido comunica de modo
fluido por vía de la estructura 50 de conexión con un punto aguas
arriba de la cámara 18 de combustión. La válvula 64 en la
estructura integradora 62 junto con la válvula 66 en la estructura
21 de trayecto de flujo, las válvulas 44 y 46 en la estructura 34
de carga y las válvulas 54 y 55 en la estructura 50 de conexión
controlan selectivamente el caudal a través de la estructura 21 de
trayecto de flujo, la estructura 50 de conexión, la estructura 34
de carga y la estructura integradora
62.
62.
Como en la primera realización, el conjunto 12
de turbina de combustión y el sistema de compresión, almacenamiento
y recuperación de aire comprimido (CACSRS) están integrados para
proporcionar tres modos de funcionamiento:
- (1)
- un modo de funcionamiento de carga del sistema de almacenamiento de aire comprimido, en el que existe un trayecto de flujo desde el compresor 14, a través de la estructura integradora 62 que contiene el refrigerador intermedio 58, al compresor 60 elevador de presión, a través de la estructura 34 de carga que contiene el refrigerador posterior 44, al almacenamiento 28 de aire comprimido; un caudal de refrigeración de turbina de expansión del 5-10% aproximadamente del caudal nominal está circulando desde el almacenamiento 28 de aire comprimido, por vía de la estructura 50 de conexión, al recuperador 52 y a la turbina 16 de expansión, por vía de la cámara 18 de combustión no encendida, y a la chimenea de escape; las válvulas 46 y 48 en la estructura 34 de carga están abiertas, las válvulas 54 y 55 en la estructura 50 de conexión están parcialmente abiertas para suministrar el caudal de refrigeración, por vía de la cámara 18 de combustión no encendida, a la turbina 16 de expansión; la válvula 64 en la estructura integradora 62 está abierta y la válvula 66 está cerrada; el generador eléctrico 20 de turbina de combustión, alimentado por energía en horas de menor consumo (potencia reducida) procedente de la red 17, acciona el árbol de turbina de combustión y el compresor 60 elevador de presión es accionado por el motor eléctrico 40 alimentado también por energía en horas de menor consumo (potencia reducida) procedente de la red 17;
- (2)
- un modo de funcionamiento de aumento de aire, en el que el funcionamiento de una turbina de combustión convencional está integrado con el caudal de aire comprimido adicional procedente del almacenamiento 28 de aire, que es precalentado en el recuperador 52 e inyectado aguas arriba de la cámara 18 de combustión; de este modo, el aire comprimido procedente del almacenamiento 28 de aire pasa a través de la estructura 50 de conexión, a través del recuperador 52, a un punto aguas arriba de la cámara 18 de combustión; las válvulas 46 y 48 en la estructura 34 de carga están cerradas, las válvulas 55 y 54 en la estructura 50 de conexión están abiertas y controlan el caudal adicional procedente del almacenamiento 28 de aire; la válvula 64 en la estructura integradora 62 está cerrada y la válvula 66 está abierta; este modo de funcionamiento causa una producción de potencia que supera significativamente la del conjunto 12 de turbina de combustión porque la potencia producida por la turbina 16 de expansión resulta de la expansión del caudal total que es la suma del caudal comprimido por el compresor 14 y de un caudal adicional procedente del almacenamiento 28 de aire comprimido; las aletas de guía de entrada del compresor 14 pueden ser cerradas para reducir el consumo de energía por el compresor 14 para aumentar la potencia eléctrica por el generador eléctrico 20 a la red eléctrica 17;
- (3)
- un modo de funcionamiento de turbina de combustión convencional, en el que el sistema de compresión, almacenamiento y recuperación de aire comprimido (CACSRS) está desconectado del conjunto 12 de turbina de combustión, y las válvulas 46 y 48 en la estructura 34 de carga y las válvulas 55 y 54 en la estructura 50 de conexión están cerradas y la válvula 64 en la estructura integradora 62 está cerrada mientras que la válvula 66 en la estructura de trayecto de flujo está abierta, permitiendo que el aire comprimido se mueva desde el compresor 14, a través de la estructura de trayecto de flujo, a la cámara 18 de combustión que alimenta la turbina 16 de expansión.
La Figura 4 es una ilustración esquemática de
una tercera realización de la invención e incluye una central de
ciclo combinado con un conjunto 12 de turbina de combustión con
componentes de ciclo de vapor por el fondo convencional: un
generador 68 de vapor de recuperación de calor, una turbina 70 de
vapor, un generador 71 acoplado con la turbina 70, un condensador
72, un dispositivo 74 de desaireación y las bombas 76. El conjunto
de turbina de combustión requiere una disposición para inyectar el
aire comprimido almacenado previamente aguas arriba de la cámara 18
de combustión y una disposición para extraer el aire comprimido
aguas abajo del compresor 14 para una refrigeración intermedia y
compresión adicionales en el compresor 60 elevador de presión.
Asimismo, la capacidad del generador eléctrico 20 puede ser
mejorada si es necesario.
El método inventivo también proporciona un
sistema adicional de compresión, almacenamiento y recuperación de
aire comprimido (CACSRS) que incluye un motor eléctrico 40 que
acciona un compresor 60 elevador de presión alimentado por el
refrigerador intermedio 58, el refrigerador posterior 44,
permitiendo la estructura integradora 62 la comunicación entre una
salida del compresor 16, por vía del refrigerador intermedio 58, a
la entrada del compresor elevador de presión y, a través de la
estructura 21 de trayecto de flujo, a la entrada de la cámara 18 de
combustión. La estructura 34 de carga permite la comunicación
entre una salida del compresor 60 elevador de presión y una entrada
al almacenamiento 28 de aire comprimido. La estructura 50 de
conexión permite la comunicación entre el almacenamiento 28 de aire
comprimido y un punto aguas arriba de la cámara 18 do combustión.
Las válvulas 46 y y 48 están dispuestas en la estructura 34 de
carga, la válvula 55 está dispuesta en la estructura 50 de conexión
y la válvula 64 está dispuesta en la estructura integradora 62,
mientras que la válvula 66 está dispuesta en la estructura 21 de
trayecto de flujo, para controlar selectivamente el caudal a través
de la estructura 34 de carga, la estructura 50 de conexión y la
estructura integradora 62 y la estructura 21 de trayecto de
flujo.
El conjunto 12 de turbina de combustión está
integrado con un ciclo de vapor por el fondo, indicado generalmente
en 78, y el sistema adicional de compresión, almacenamiento y
recuperación de aire comprimido (CACSRS) para tener en cuenta tres
modos de funcionamiento:
- (1)
- un modo de funcionamiento de carga de almacenamiento de aire comprimido, en el que el flujo pasa a través del compresor 14, a través de la estructura integradora 62 que tiene el refrigerador intermedio 58, al compresor 60 elevador de presión, a través de la estructura 34 de carga que tiene el refrigerador posterior 44, al almacenamiento 28 de aire comprimido; un caudal de refrigeración de turbina, que es aproximadamente el 5-10% del caudal nominal, está circulando desde el almacenamiento 28 de aire comprimido a través de la estructura 50 de conexión, y por vía de una cámara 18 de combustión no encendida, a la turbina 16 de expansión y después a la chimenea de escape; las válvulas 46 y 48 en la estructura 34 de carga están abiertas, la válvula 55 en la estructura 50 de conexión está parcialmente abierta para suministrar el caudal de refrigeración, por vía de la cámara 18 de combustión no encendida, a la turbina de expansión; y la válvula 64 en la estructura integradora 62 está abierta y la válvula 66 está cerrada; el generador eléctrico 20 de turbina de combustión, alimentado por energía en horas de menor consumo (potencia reducida) procedente de la red 17, acciona el árbol de turbina de combustión y el compresor 60 elevador de presión es accionado por el motor eléctrico 40 alimentado también por energía en horas de menor consumo (potencia reducida) procedente de la red 17;
- (2)
- un modo de funcionamiento de aumento de aire, donde el funcionamiento de turbina de combustión convencional está integrado con caudal de aire comprimido adicional procedente del almacenamiento 28 de aire, que es inyectado aguas arriba de la cámara 18 de combustión; donde el aire comprimido procedente del almacenamiento 28 de aire pasa, a través de la estructura 50 de conexión, a un punto aguas arriba de la cámara 18 de combustión; las válvulas 46 y 48 en la estructura 34 de carga están cerradas, la válvula 55 en la estructura 50 de conexión está abierta y controla el caudal adicional procedente del almacenamiento 28 de aire; la válvula 64 en la estructura integradora 62 está cerrada y la válvula 66 está abierta; además, un trayecto de flujo de vapor/agua de condensación en bucle cerrado convencional está dispuesto donde el vapor generado en el generador 68 de vapor de recuperación de calor se expande a través de la turbina 70 de vapor produciendo energía hacia la red 17, y después pasa a través del condensador 72, el dispositivo 74 de desaireación, las bombas 76 de agua de alimentación y de vuelta al generador 68 de vapor de recuperación de calor; este modo de funcionamiento causa una producción de potencia por el conjunto 12 de turbina de combustión que supera significativamente la del conjunto de turbina de combustión convencional sin el caudal de aire adicional, porque la potencia producida por la turbina 16 de expansión resulta de la expansión del caudal total que es la suma del caudal comprimido por el comprosor 14 y de un caudal adicional procedente del almacenamiento 28 de aire comprimido; asimismo, una potencia adicional es producida por la turbina de vapor del ciclo 78 de vapor por el fondo debido al caudal de vapor adicional por el generador 68 de vapor de recuperación de calor que recupera calor del escape de la turbina 16 de expansión; las aletas de guía de entrada del compresor 14 pueden ser cerradas para reducir el consumo de potencia por el compresor 14 para aumentar la potencia eléctrica por el generador eléctrico 20 a la red eléctrica 17; y
- (3)
- un modo de funcionamiento de turbina de combustión convencional, en el que el sistema de compresión, almacenamiento y recuperación de aire comprimido (CACSRS) está desconectado del conjunto 12 de turbina de combustión, y las válvulas 46 y 48 en la estructura 34 de carga y las válvulas 55 y 54 en la estructura 50 de conexión están cerradas y la válvula 66 en la estructura 21 de trayecto de flujo está abierta, permitiendo que el aire comprimido se mueva desde el compresor 14, a través de la estructura de trayecto de flujo, a la cámara 18 de combustión que alimenta la turbina 16 de expansión.
Aplicaciones prácticas del método inventivo son
ilustradas en la Figura 5 que es un diagrama esquemático con
parámetros de funcionamiento aplicables a las realizaciones
ilustrativas primera y segunda según la presente invención, donde
un conjunto 12 de turbina de combustión GE Frame 7EA funciona en un
modo de aumento de aire y a temperatura ambiente de 32,2ºC. La
Figura 5 ilustra que durante el aumento de aire a una temperatura
ambiente elevada de 32,2ºC, el caudal de aire comprimido adicional
de 72,2 kg/s es recuperado desde el almacenamiento 28 de aire
comprimido e inyectado aguas arriba de la cámara 18 de combustión
para aumentar la producción de potencia de turbina de combustión a
129,2 MW desde 76,4 MW para el funcionamiento del conjunto de
turbina de combustión convencional a la misma temperatura ambiente
de 32,2ºC (véase la Figura 1c). La cantidad del aire recuperado es
limitado por un número de limitaciones de diseño. Para un conjunto
de turbina de combustión GE Frame 7EA, la limitación es la potencia
máxima de turbina de expansión de 228 MW y es conseguida cuando el
conjunto de turbina de combustión funciona a -17,8ºC (véase la
Figura 1b).
La Tabla 1a presenta las características de
comportamiento funcional del conjunto de turbina de combustión GE
Frame 7EA que funciona como un conjunto de turbina de combustión
convencional con aumento de aire (aplicable a las realizaciones
ilustrativas primera y segunda de la invención). La Tabla la indica
que en todo el margen de temperaturas ambientes superiores a
-17,8ºC, el aumento de aire produce potencia incrementada en 52,8
MW para temperatura ambiente de 32,2ºC y en 32,8 MW para 15ºC. Los
parámetros de comportamiento funcional para el concepto de aumento
de aire son el consumo calorífico que caracteriza el consumo de
combustible en kJ por kWh producido y el consumo en kWh para la
recarga del almacenamiento de aire comprimido. El coste de la
electricidad producida es calculado como:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
\newpage
\vskip1.000000\baselineskip
La Tabla 1b muestra las características de
comportamiento funcional de la tercera realización ilustrativa de
la invención, o sea, la central de ciclo combinado convencional,
basada en la turbina GE Frame 7EA, y el funcionamiento de la central
en un modo de aumento de aire. Las recomendaciones son similares a
las de las realizaciones ilustrativas primera y segunda.
Los costes de conversión de un sistema de
turbina de combustión provisto de aumento de aire son los
siguiente:
- \bullet
- coste de almacenamiento de aire comprimido;
- \bullet
- coste del tren de compresores para la recarga del almacenamiento;
- \bullet
- costes de una tubería de interconexión, válvulas y controles para la integración del sistema.
El almacenamiento de aire comprimido deberá ser
dimensionado para almacenar una masa suficiente de aire para
soportar las operaciones de aumento de aire con producción de
potencia máxima durante un número especificado de horas con
temperaturas ambientes elevadas. La presión del aire comprimido
almacenado debería ser suficiente para inyectar la masa adicional
de aire aguas arriba de la cámara de combustión. Para la
realización mostrada en la Figura 5, y las Tablas 1a y 1b, cuando
el almacenamiento de aire está dimensionado para proporcionar seis
(6) horas continuas de funcionamiento a 32,2ºC con producción de
potencia máxima de 129,2 MW, el almacenamiento de aire comprimido
dimensionado apropiadamente en una bóveda de sal necesita 152.000
m^{3} (con profundidad de 305 m aproximadamente y la diferencia
de presión máxima menos presión mínima de 10, 335 bar (1 bar =
10^{5} Pa)) con un coste de 5 millones \textdollar
aproximadamente. Los cálculos de ingeniería y costes demostraron
que para las condiciones anteriores, los costes totales para
proporcionar el conjunto de turbina de combustión GE Frame 7 EA que
incluye el aumento de aire son 8,8 millones \textdollar
aproximadamente con potencia adicional de 52,8 MW a temperatura
ambiente de 32,2ºC (véase la Tabla 1a) o el coste específico de la
modificación es de 160 \textdollar/kW aproximadamente. Esto se
compara favorablemente con un coste específico de 300
\textdollar/kW aproximadamente para un conjunto de turbina de
combustión de capacidad similar (50 MW). Una modificación similar
para una central de ciclo combinado (véase la Tabla 1b) costará
aproximadamente 150 \textdollar/kW que es aún más atractivo en
comparación con 500 \textdollar/kW aproximadamente para una
central de energía eléctrica de ciclo combinado.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, la
realización de la Figura 2 ha sido modificada y el sistema
modificado es mostrado en la Figura 6. Los número iguales indican
partes iguales en las Figuras 2 y 6. Así, la realización de la
Figura 6 incluye un saturador 80 comercialmente disponible que
define una torre con relleno interno para mejorar la mezcla de aire
comprimido que entra en el saturador 80 por vía de la estructura 50
de conexión. Un calentador 82 de agua está acoplado al saturador 80
por vía del tubo 85 de entrada y del tubo 87 de salida. El
calentador 82 de agua es preferiblemente un diseño típico de
envoltura y tubos (tubular). Una bomba 83 de agua suministra agua
de reposición por la tubería 84 al saturador 80 y una bomba 81 de
agua está dispuesta en el tubo 85 de entrada para hacer circular
agua a través del calentador 82 de agua.
El aire comprimido procedente del almacenamiento
28 de aire es dirigido por vía de la estructura 50 de conexión al
saturador 80 donde el aire comprimido es mezclado con agua caliente
calentada en el calentador 82 de agua. El aire comprimido es
saturado y precalentado en el saturador 80 y después es enviado al
recuperador 52 para calentamiento adicional antes de la inyección
aguas arriba de la cámara 18 de combustión. Para la misma potencia
máxima y caudal volumétrico de la turbina 16, el caudal de aire
comprimido suplementario necesario es establecido para una
temperatura ambiente dada.
Con la realización de la Figura 6, la
humidificación del caudal de aire suplementario reduce
significativamente la cantidad del aire comprimido a ser comprimido
por el tren 32 de compresores y almacenado en el almacenamiento 28
de aire comprimido. La Figura 7 presenta el balance de flujos
calorífico y másico para la realización de la Figura 6 y muestra
que para caudal a temperatura ambiente de 32,2ºC y 60% de humedad
que sale del saturador 80, el caudal de aire comprimido
suplementario que sale del almacenamiento 28 de aire es 5,9 kg/s.
Para la misma producción de potencia neta, esta es una reducción,
respecto a 45,4 kg/s, para la realización de la Figura 2 sin
humidificación del 70% aproximadamente (nota: la Figura 5 muestra
el balance de flujos calorífico y másico para la realización de la
Figura 2 en la que la potencia bruta era 129,2 MW). Así, el coste
del almacenamiento de aire comprimido es reducido en el 70%
aproximadamente y el coste del tren 32 de compresores y del
recuperador 52 también puede ser reducido significativamente. Los
costes añadidos para el saturador 80, el calentador 82 de agua y
las bombas 81 y 83 son una fracción pequeña de los ahorros de
costes asociados con la reducción del volumen de almacenamiento. La
Figura 7 muestra el consumo calorífico de 9.508 kJ/kWh que es
similar que el de la realización de la Figura 5 (que no proporciona
humidificación). Debido al hecho de que el caudal de aire
suplementario de la realización de la Figura 7 con respecto a la
realización de la Figura 2 es reducido en el 70%, en la realización
de la Figura 7, las exigencias de energía para la recarga de
almacenamiento también son reducidas en el 70%. Esto reduce el
coste de la electricidad (costes de combustible y de la energía en
horas de menor consumo) para el sistema. Los esfuerzos de
ingeniería y cálculo de coste han establecido que el coste de
inversión específico (\textdollar/kW incremental) para el sistema
de la Figura 6 (170 \textdollar/kW aproximadamente) es reducido
en el 40% aproximadamente en comparación con el sistema de la
Figura 2.
Otra realización más de la invención es mostrada
en la Figura 8. Esta realización es similar a la de la Figura 6 y
números iguales indican partes iguales. La realización de la Figura
8 difiere de la de la Figura 6 en que, en la realización de la
Figura 8, el almacenamiento de aire comprimido es eliminado y la
estructura suplementaria de compresores en la forma del tren 32 de
compresores está dimensionada para suministrar el caudal de aire
suplementario completo (por ejemplo, unos 5,9 kg/s). Se observa que
el tren de compresores de las Figuras 2 y 6 podría ser dimensionado
para un caudal de aire menor que el caudal de aire suplementario
completo y depende de la relación de las horas de producción de
potencia de pico (máxima) y las horas de menor consumo (potencia
reducida) disponibles para cargar el almacenamiento de aire.
El balance calorífico y másico del sistema de la
Figura 8 es mostrado en la Figura 9. Para la potencia máxima
incremental generada, el caudal de aire suplementario es
suministrado continuamente por el tren 32 de compresores con el
caudal de descarga del tren de compresores siendo saturado en el
saturador 80 con el agua caliente producida en el calentador 82 de
agua. El aire saturado y precalentado es calentado más en el
recuperador 52 antes de ser inyectado aguas arriba de la cámara 18
de combustión.
La ventaja principal del sistema de la Figura 8
es que puede funcionar continuamente cuando energía está siendo
producida para suministrar potencia incremental. No hay ninguna
limitación impuesta por el dimensionamiento del almacenamiento de
aire comprimido durante las horas particulares de potencia máxima
(de pico). El dimensionamiento del almacenamiento de aire podría
ser limitado por costes de inversión excesivos o limitaciones de
emplazamiento. Asimismo, el sistema de la Figura 8 es de
funcionamiento y mantenimiento sencillos.
Como se muestra en la Figura 9, las
características de comportamiento funcional del sistema de la
Figura 8 son similares a las mostradas en la Figura 7. Por ejemplo,
ambas realizaciones tienen los mismos costes de funcionamiento
asociados con el combustible y la energía en horas de menor
consumo. Se prevé que el sistema de la Figura 8 tendría costes
menores de funcionamiento y mantenimiento debido la ausencia del
almacenamiento de aire. Los esfuerzos de ingeniería y cálculo de
costes han mostrado que el sistema de la Figura 8 tiene costes de
inversión específicos aproximadamente iguales que los del sistema
de la Figura 6 (el incremento de coste para el tren de compresores
de caudal mayor es aproximadamente igual que los ahorros de costes
debido a la eliminación del almacenamiento de aire).
Así, se ha visto que los objetos de a invención
han sido conseguidos completa y eficazmente. Sin embargo, se
comprenderá que las realizaciones anteriores y preferidas han sido
mostradas y descritas con el fin de ilustrar los principios
estructurales y funcionales de la presente invención, así como
ilustrar el método para emplear las realizaciones preferidas, y
están sujetas a cambio sin separarse de tales principios. Por
tanto, esta invención incluye todas las modificaciones incluidas
dentro del alcance de las reivindicaciones siguientes.
Claims (5)
1. Un método para proporcionar una central de
energía eléctrica derivada de turbina de combustión integrada con
una estructura de aire comprimido suplementario para proporcionar
dos modos de funcionamiento que incluyen un modo de funcionamiento
de turbina de combustión y un modo de funcionamiento de aumento de
potencia eléctrica, incluyendo el método:
- proporcionar un conjunto (12) de turbina de combustión para generación de energía eléctrica que tiene al menos un compresor (14), al menos una turbina (16) de expansión asociada operativamente con dicho al menos un compresor, con al menos una cámara (18) de combustión que alimenta dicha al menos una turbina de expansión; al menos un generador eléctrico (20) que está acoplado con una de dicha al menos una turbina de expansión y dicho al menos un compresor, con dicho al menos un compresor comunicando con una entrada a dicha al menos una cámara de combustión por vía de la estructura (21) de trayecto de flujo;
- asegurar que la al menos una turbina (16) de expansión está construida y dispuesta para funcionar por encima de la potencia de régimen completa del conjunto (12) de turbina de combustión;
- asegurar que el generador (20) tiene una capacidad para suministrar potencia eléctrica que supera la potencia de régimen completa del conjunto (12) de turbina de combustión;
- proporcionar un sistema de aire comprimido suplementario que comprende:
- una estructura (36) de compresor suplementario configurada para suministrar aire comprimido suplementario máximo que es una fracción del aire comprimido máximo suministrado por el al menos un compresor (14) del conjunto (12) de turbina de combustión;
- al menos un motor eléctrico (40) para accionar la estructura de compresor suplementario;
- integrar dicho conjunto de turbina de combustión y dicha estructura de aire comprimido suplementario proporcionando:
- la estructura (50) de conexión que permite la comunicación entre una salida de dicha estructura de compresor suplementario y una entrada de un saturador (80), y estando la salida del saturador en comunicación con un punto aguas arriba de dicha al menos una cámara (18) de combustión; y
- la estructura (54) de válvula para controlar el caudal a través de dicha estructura de conexión, asegurando al controlar la estructura de válvula y el sistema total que la integración proporciona selectivamente dos modos de funcionamiento: a) el modo de funcionamiento de turbina de combustión en el que, cuando la estructura (54) de válvula es cerrada, aire comprimido procedente de dicho al menos un compresor (14) se mueve, a través de dicha estructura (21) de trayecto de flujo, a dicha al menos una cámara (18) de combustión que alimenta dicha al menos una turbina (16) de expansión tal que dicha al menos una turbina de expansión acciona dicho al menos un generador eléctrico (20) y dicho al menos un compresor (14), y b) cuando es necesaria potencia mayor que la potencia de régimen completa del conjunto de turbina de combustión, el modo de funcionamiento de aumento de potencia eléctrica en el que, cuando la estructura (54) de válvula es abierta al menos parcialmente, aire comprimido suplementario procedente de dicha estructura (36) de compresor suplementario es suministrado a través de dicha estructura (50) de conexión y es humidificado en dicho saturador (80) y es dirigido a dicha al menos una cámara (18) de combustión que alimenta dicha al menos una turbina (16) de expansión, además del aire comprimido que pasa, a través de dicha estructura (21) de trayecto de flujo, a dicha al menos una cámara (18) de combustión que alimenta dicha al menos una turbina (16) de expansión, lo que aumenta el caudal másico de aire comprimido y gas a dicha al menos una turbina (16) de expansión, para generar potencia eléctrica que supera la potencia de régimen completa del conjunto (12) de turbina de combustión mientras mantiene una frecuencia constante del conjunto (12) de turbina de combustión.
2. El método según la reivindicación 1,
proporcionando además un recuperador (52) en dicha estructura (50)
de conexión entre una salida del saturador y una entrada a dicha
cámara (18) de combustión que alimenta dicha al menos una turbina
(16) de expansión, para precalentar el aire humidificado procedente
de dicho saturador (80) con calor del gas de escape antes de entrar
en dicha cámara de combustión que alimenta dicha al menos una
turbina de expansión.
3. El método según la reivindicación 1, en el
que el paso de asegurar la capacidad del generador (20) incluye
mejorar la capacidad del generador.
4. El método según la reivindicación 1,
incluyendo además un almacenamiento (28) de aire asociado con la
estructura (50) de conexión para almacenar aire comprimido por la
estructura (36) de compresor suplementaria para uso como el aire
comprimido suplementario en el modo de funcionamiento de aumento de
potencia eléctrica.
5. Un método para hacer funcionar un sistema
generador de energía eléctrica de turbina de combustión y derivados
de él, comprendiendo:
- proporcionar al menos un conjunto (12) de turbina de combustión que incluye un compresor (14), una turbina (16) de expansión asociada operativamente con dicho compresor, un generador (20) acoplado con dicha turbina de expansión; una cámara (18) de combustión que alimenta dicha turbina de expansión; estructura (21) de trayecto de flujo que conecta de modo fluido una salida de dicho compresor a una entrada de dicha cámara de combustión; un almacenamiento (28) de aire comprimido; estructura (32) de compresores de carga para cargar dicho almacenamiento de aire; estructura (34) de carga que conecta de modo fluido una salida de dicha estructura de compresores de carga con una entrada a dicho almacenamiento de aire; estructura (50) de conexión que conecta de modo fluido una salida de dicho almacenamiento de aire a una entrada de dicha cámara de combustión; y la estructura (55, 48) de válvulas asociadas con dicha estructura de conexión y dicha estructura de carga, respectivamente,
- controlar dicha estructura de válvulas para permitir selectivamente uno de los modos de funcionamiento siguientes:
- un modo de funcionamiento de turbina de combustión en el que aire comprimido procedente de dicha compresor se mueve, a través de dicha estructura de trayecto de flujo, a dicha cámara de combustión que alimenta dicha turbina de expansión tal que dicha turbina de expansión acciona dicho generador,
- un modo de funcionamiento de aumento de aire comprimido en el que aire comprimido procedente de dicho almacenamiento de aire es suministrado, a través de dicha estructura de conexión, a dicha cámara de combustión además del aire comprimido que pasa a través de dicha estructura de trayecto de flujo a dicha cámara de combustión, lo que aumenta el caudal másico de aire comprimido y gas a dicha turbina de expansión, y
- un modo de funcionamiento de carga de almacenamiento de aire en el que aire comprimido procedente de dicho compresor de carga se mueve a través de dicha estructura de carga para cargar dicho almacenamiento de aire.
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