ES2327855T3 - Procedimiento para la explotacion de una maquina termica, de manera preferente de una instalacion de turbinas de gas. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la explotación de una máquina térmica, de manera preferente de una instalación de turbinas de gas, según el cual se acciona una unidad rotativa, de manera preferente al menos una etapa de turbinas de gas por medio de la combustión de combustible en estado gaseoso dentro de una cámara de combustión con formación de gases calientes, cuya energía de rotación se transforma en otra forma de energía, de manera preferente energía eléctrica y describe un estado de carga (L) de la máquina térmica, ajustándose el estado de carga (L) por medio de la regulación de la cantidad del combustible en estado gaseoso, que es alimentado para la combustión, explotándose la máquina térmica con un estado de carga (L), en tanto en cuanto el combustible en estado gaseoso sea aportado a la combustión a través de un conducto de gas bajo una presión de gas pGas, cumpliéndose pGas > plímite de acción (L), representando la plímite de acción (L) un valor de la presión que depende, al menos, del estado de carga (L) de la máquina térmica, caracterizado porque, en el caso de que se produzca una caída de la presión del gas pGas hasta el valor de la presión p límite de acción (L) se introduce, al menos, una de las medidas siguientes: - la estrangulación del enfriamiento del aire de combustión, que se aporta para la formación de la mezcla con el combustible para la combustión - la estrangulación del aporte de vapor de agua en la mezcla de combustible-aire que debe ser sometida a la combustión, así como - la estrangulación del enfriamiento del vapor de agua, que debe ser aportado a la mezcla de combustibleaire, en el caso de que la estrangulación hasta la desconexión completa de una o de varias de las medidas precedentes no conduzca a una estabilización o a un aumento de la presión del gas pGas, se reduce la temperatura del combustible en estado gaseoso, que es alimentado a la combustión, y en el caso de que la reducción de la temperatura del combustible no conduzca a la estabilización o al aumento de la presión del gas, se realiza una disminución regulada de la carga de la máquina térmica.
Description
Procedimiento para la explotación de una máquina
térmica, de manera preferente de una instalación de turbinas de
gas.
La invención se refiere a un procedimiento para
la explotación de una máquina térmica, de manera preferente de una
instalación de turbinas de gas, en la que se genera gas caliente por
medio del calentamiento de una cámara de combustión, cuya energía
cinética aerodinámica se transforma, al menos de manera parcial, en
energía de rotación cuando pasa a través de una máquina rotativa y,
por último, se transforma en energía eléctrica destinada a la
alimentación de una red eléctrica por medio de un agrupamiento
generador, que está acoplado con la máquina rotativa.
Las máquinas térmicas, concebidas para la
generación de energía eléctrica, deben hacerse operar de una manera
fiable, tanto por motivos de seguridad así como, también, por
consideraciones económicas de tal manera, que pueda garantizarse
por la máquina térmica una demanda, rápida y constantemente
presente, de energía eléctrica por parte del operador de la red.
Tal como ya se ha citado precedentemente, las instalaciones de
turbinas de gas constituyen el centro de otras consideraciones,
siendo empleadas de una manera muy extendida, sin embargo, tales
máquinas térmicas para la generación de corriente eléctrica. Las
instalaciones de turbinas de gas son calentadas, en la mayoría de
los casos, con combustible en estado gaseoso, que se proporciona a
través de conductos de gas, adecuados, para la combustión en la
instalación de turbinas de gas.
La relación entre las presiones correspondientes
a la presión en el sistema, que se establece dentro de la cámara de
combustión en función del estado de carga de la instalación de
turbinas de gas, por medio de la compresión del aire adicional para
la combustión, y a la presión en el conducto de gas, con la que el
combustible en estado gaseoso es alimentado al proceso de
combustión, requiere una consideración especial en el caso de una
instalación de turbinas de gas, que sea explotada con combustible en
estado gaseoso. Bajo condiciones normales de explotación, la
presión en el conducto de gas es siempre mayor que la presión en la
cámara de combustión, que depende de la carga. En aquellos casos,
en los que la presión en el conducto de gas del combustible
alimentado caiga hasta el intervalo de la presión en la cámara de
combustión, que depende de la carga, deben tomarse precauciones
especiales para evitar a todo trance una caída de la presión en el
conducto de gas por debajo de la presión en la cámara de
combustión. En el caso de que la presión en el conducto de gas
cayese por debajo de la presión en la cámara de combustión, se
produciría un retorno de la llama hasta el conducto de alimentación
del gas, con lo que se pondría en peligro la seguridad de la
explotación del conjunto del suministro de combustible. Como
mínimo, podrían penetrar gases calientes en el sistema de
alimentación del combustible, con lo que se colapsaría por completo
el aporte de combustible y se extinguiría la llama del quemador. En
este caso quedaría inoperante la instalación de turbinas de gas
durante un período considerable de tiempo para seguir generando
corriente eléctrica, exigiendo, sobre todo, una nueva puesta en
marcha de la instalación importantes medidas, y que requieren mucho
tiempo, hasta alcanzarse una carga nominal, requerida.
Así pues, por los motivos que han sido citados
precedentemente, deben tomarse precauciones para evitar las
consecuencias debidas a la caída de la presión en el conducto de gas
por debajo de la presión de explotación en la cámara de
combustión.
Con objeto de proteger a las instalaciones de
turbinas de gas contra las consecuencias de una caída de presión,
imprevista, en el conducto de aporte del gas, se han establecido
límites de explotación muy estrictos, cuyo exceso, o bien cuyo
defecto, conduce, respectivamente de manera automática a la
introducción de medidas de protección en el caso de que se produzca
una caída de la presión en un conducto para el aporte de gas, de
manera concreta se introduce una inmediata disminución de la carga
de la turbina de gas, por medio de la reducción del aporte de
combustible hasta que está desconectada por completo la instalación
de turbinas de gas. Esta medida sirve, ciertamente, para la
protección contra daños irreversibles de los componentes
individuales de las turbinas de gas, especialmente de todos
aquellos que participen el proceso de combustión pero, sin embargo,
la disminución completa de la carga de la instalación de turbinas de
gas conduce a una reducción considerable de la disponibilidad
económica a la que, sin embargo, se da mayor importancia cada día,
como consecuencia de las condiciones de competencia, que son cada
vez más duras.
Algunas instalaciones de turbinas de gas han
previsto las denominadas etapas de compresión del combustible, por
medio de las cuales puede mantenerse siempre la presión del gas de
suministro a un nivel de presión, que garantice la explotación
segura de la instalación de turbinas de gas. Tales etapas de
compresión del combustible pueden ser conectadas, en caso de
necesidad, con objeto de estabilizar la presión del gas de
suministro a un nivel de presión necesario en aquellos casos, en
los que la aparición de una caída de la presión del gas de
suministro, con relación a la presión variable del gas, que es
necesaria, que no solamente depende del estado de carga de la
turbina de gas, sino que también está sometida, además, a otros
parámetros, tales como, por ejemplo, la temperatura del medio
ambiente, la temperatura del combustible, la humedad del aire, por
citar sólo algunos. Sin embargo, una conexión de una etapa de
compresión del combustible no es deseable desde el punto de vista
de la generación de energía, sobre todo teniendo en consideración
que debe ser empleada una parte considerable de la energía, que es
generada por la instalación de turbinas de gas, para el
accionamiento de la unidad para la compresión del combustible, con
lo cual se reduce considerablemente el rendimiento energético total
de la instalación de turbinas de gas.
\newpage
Se conoce un procedimiento para la explotación
de una máquina térmica de conformidad con el estado de la técnica,
por el documento DE 4211681.
Por lo tanto, existe la tarea de enunciar un
procedimiento para la explotación de una máquina térmica, de manera
especial para la explotación de una instalación de turbinas de gas,
por medio del cual pueda ser generada, en último lugar, energía
eléctrica para la alimentación de una red eléctrica de tal manera,
que se mejore la disponibilidad de la máquina térmica, es decir
que, de manera especial, en aquellos casos en los que descienda la
presión en el conducto de gas en el sistema de suministro del
combustible, deben buscarse mecanismos de regulación alternativos,
que no conduzcan, de manera necesaria, a una desconexión de
emergencia del conjunto de la máquina térmica. De la misma manera,
debe evitarse el empleo de etapas de compresión del combustible,
que consuman energía, con el fin de poder mantener la explotación de
la máquina térmica ampliamente sin pérdidas drásticas de energía
incluso en aquellos casos, en los que se produzca una caída de la
presión de suministro del combustible. Sin embargo, debe cumplirse
de manera ilimitada, por otra parte, con los elevados patrones de
seguridad, que son exigidos a una máquina térmica, que se encuentre
en explotación.
La idea general inventiva general se refiere,
básicamente, a todas las máquinas térmicas, en las que se generen
gases calientes por medio de la combustión de combustibles en estado
gaseoso dentro de una cámara de combustión, por medio de cuyos
gases calientes sea accionada una unidad rotativa, cuya energía de
rotación sea transformada en otra forma de energía, de manera
preferente en energía eléctrica. En este caso, la energía de
rotación, que es inherente a la unidad de rotación, representa el
denominado estado de carga de la máquina térmica, que es ajustada
por medio de la regulación de la cantidad del combustible en estado
gaseoso, que es alimentado para la combustión, y que puede ser
considerada como magnitud equivalente a la energía eléctrica, que es
alimentada en la red para el suministro de corriente eléctrica. El
estado de carga debe ser adaptado, de manera correspondiente, de
conformidad con las necesidades energéticas que sean determinantes
en la red eléctrica, por medio de la regulación del aporte de
combustible. Por otra parte, se conocen, así mismo, otras medidas,
que sirven para aumentar la potencia de las máquinas térmicas, por
medio de las cuales puede optimizarse el proceso de combustión sin
tener que aumentar el aporte de combustible propiamente dicho. De
este modo, puede ser aumentada la corriente másica, por medio de
una alimentación específica de vapor de agua en la mezcla de
combustible-aire, que llega hasta el interior de la
cámara de combustión, para el encendido, y puede acrecentarse el
volumen de los gases calientes, que se generan por medio del
proceso de combustión. Al mismo tiempo, la alimentación de vapor de
agua sirve para el enfriamiento de todos los componentes de la
instalación, que participan en el proceso de combustión. El
enfriamiento del aire adicional para la combustión, que es aportado
al proceso de combustión, ofrece otra medida destinada a aumentar
la potencia. De este modo, el aire mas frío dispone de una mayor
densidad y, por lo tanto, dispone de una mayor proporción de
oxígeno que el aire caliente. Es evidente, que el proceso de
combustión se lleva a cabo con mejores resultados de combustión
completa en presencia de una mayor cantidad de oxígeno. Así mismo,
un enfriamiento específico del combustible en estado gaseoso, que es
alimentado al proceso de combustión, contribuye a aumentar la
densidad del combustible y, por lo tanto, a aumentar la eficiencia
del quemador.
Sin que queden limitadas las ideas inventivas
generales, en lo que se refiere a la forma de la explotación de las
máquinas térmicas, del tipo considerado, las otras realizaciones
están dirigidas a una instalación de turbinas de gas, diseñada para
la generación de energía eléctrica, que debe ser considerada como
representativa de la máquina térmica, a la que se hace
referencia.
El procedimiento, de conformidad con la
invención, según la parte introductoria de la reivindicación 1,
prevé en primer lugar, a diferencia de lo que ocurre con las
medidas tomadas hasta el presente, que contribuyen a la
estabilización de la presión de suministro del combustible y a la
protección del conjunto de la instalación de turbinas de gas contra
los deterioros irreversibles, la estrangulación o bien la
desconexión completa, en el caso de que se presente una caída de
presión de la presión de suministro del combustible, en una primera
etapa, de aquellas medidas que contribuyan al aumento de potencia de
la instalaciones de turbinas de gas y no la de aquellas que se
refieren a la cantidad de combustible, que es alimentada al proceso
de combustión.
De este modo, la máquina térmica es explotada,
en el caso normal, en un estado de carga, en tanto en cuanto el
combustible en estado gaseoso sea aportado a la combustión, a través
del conducto del gas de suministro bajo una presión de gas
p_{Gas}, que debe ser mayor que un valor de la presión crítico
p_{\text{límite de acción}}, que depende, a su vez, del estado
de carga de la instalación de turbinas de gas. Si se presenta el
caso de que la presión de gas de suministro p_{Gas} cae hasta el
valor de la presión crítico p_{\text{límite de acción}}, se
efectuará, de conformidad con la invención, en una primera etapa, al
menos una de las medidas siguientes:
- \bullet
- la estrangulación del enfriamiento del aire de combustión, que se aporta para la formación de la mezcla con el combustible para la combustión
- \bullet
- la estrangulación del aporte de vapor de agua en la mezcla de combustible-aire que debe ser sometida a la combustión, así como
- \bullet
- la estrangulación del enfriamiento del vapor de agua, que debe ser aportado a la mezcla de combustible-aire.
Todas las medidas precedentes contribuyen en
conjunto, así como de manera individual, a la distensión del
proceso de combustión, con lo cual se reduce la presión en la cámara
de combustión y, de este modo, por último se reduce también el
valor de la presión crítico p_{\text{límite de acción}}. Estas
medidas tienen sobre el comportamiento a la explotación de la
turbina de gas el mismo efecto que si se aumentase la temperatura
del medio ambiente, bajo la cual son explotadas las instalaciones
de turbinas de gas.
En el caso de que se produzca una estabilización
deseada de la presión del gas de suministro como consecuencia de la
realización de las medidas precedentes, las medidas pueden ser
reducidas de nuevo o pueden ser suspendidas por completo. En el
caso de que una estrangulación de las medias individuales o de todas
las medidas precedentes no conduzca al resultado deseado, se
llevará a cabo una desconexión completa del enfriamiento del aire
para la combustión, del aporte de vapor de agua así como del
enfriamiento del vapor de agua que debe ser aportado. En el caso de
que las medidas individuales o todas las medidas de desconexión no
conduzcan al resultado deseado de una estabilización de la presión
de suministro del combustible, se llevará a cabo, en una segunda
etapa, una reducción activa de la temperatura del combustible. Una
reducción de la temperatura del combustible conduce, como
consecuencia del aumento de la densidad del combustible, a una
reducción de la corriente volumétrica del combustible y, al mismo
tiempo, conduce a una reducción de las pérdidas de presión dentro de
la alimentación del combustible.
Cuando la reducción de la temperatura del
combustible tampoco condujese a la estabilización o al aumento de
la presión del gas, se realizará una desconexión regulada de la
máquina térmica.
Cuando la instalación de turbinas de gas se
encuentre en un estado inicial de carga, en el que la presión en el
conducto de gas p_{Gas} disminuya, por los motivos que sea, y
alcance el valor de la presión p_{\text{límite de acción}}
previsto en el estado inicial de carga, se llevará a cabo una
disminución de la carga denominada estándar, con la que se reduce
la cantidad de combustible en estado gaseoso, que es aportada al
proceso de combustión, por medio de la especificación de una
velocidad de estrangulación del combustible, que depende del tipo
correspondiente de la instalación de turbinas de gas.
Con ayuda de estas medidas se reduce
automáticamente la carga que reina en el estado inicial de carga,
con lo cual disminuye automáticamente la presión en la cámara de
combustión condicionada por el sistema.
Puesto que el nivel de la presión de referencia
p_{\text{límite de acción}}, que depende del estado de carga,
se encuentra siempre por encima de la presión en la cámara de
combustión p_{necesaria \ para \ el \ sistema}, condicionada por
el sistema, que depende, así mismo, del estado de carga, la
diferencia de presión, que está prevista los dos niveles de
presión, posibilita una especie de intervalo tampón, por medio del
cual puede ser observado el comportamiento ulterior de la presión
del vapor p_{Gas}, predominante en el conducto de alimentación
del gas, especialmente en relación con la presión de referencia
p_{\text{límite de acción}}, que depende del estado de carga,
como paso previo a la realización de otras medidas, tal como, por
ejemplo, una desconexión de emergencia.
De este modo, el procedimiento prevé, además, en
función de una relación de las presiones, que se forma cuando se
reduce la carga, entre la presión de gas p_{Gas} y la presión de
referencia p_{\text{límite de acción}}, que depende de la
carga, tomándose como base un criterio de decisión, bien la
conclusión de la disminución estándar de la carga y la reconducción
de la instalación de turbinas de gas de nuevo hasta el estado
inicial de carga, o bien la ejecución de una disminución total de
emergencia de la carga, con la que se lleva a cabo la reducción del
combustible de una manera más rápida que en el caso de la
disminución estándar de la carga, o bien la provocación de una
conmutación del suministro de combustible a otro tipo de
combustible, en tanto en cuanto la instalación de turbinas de gas
disponga de un suministro dual de combustible.
En el caso de que una disminución estándar de la
carga, que haya sido necesaria como consecuencia de la caída de
presión de la presión del gas p_{Gas} hasta el nivel de presión
p_{\text{límite de acción}}, conduzca a una estabilización de
la presión del gas p_{Gas}, permaneciendo la presión del gas
p_{Gas} siempre mayor que la presión de referencia
p_{\text{límite de acción}}, debido a la reducción de la carga,
podrá hacerse retornar de nuevo a la instalación de turbinas de gas
hasta su estado inicial de carga, tomándose como base un aumento
específico de la carga.
Con ayuda del procedimiento regulado es posible,
por lo tanto, explotar de manera segura las instalaciones de
turbinas de gas incluso en el caso de que se reduzca la presión del
gas p_{Gas}, sin que tenga que realizarse una desconexión de
emergencia, con lo cual se mejora de manera considerable la
disponibilidad y, por último, la economía de las instalaciones de
turbinas de gas.
Únicamente en aquellos casos en los que la
presión del gas p_{Gas} siga cayendo, a pesar de la disminución
estándar de la carga, son imprescindibles desconexiones de
emergencia para garantizar la seguridad de la explotación y para
evitar deterioros irreversibles. En aquellos casos en los que las
instalaciones de turbinas de gas dispongan de un suministro dual de
combustible, es decir que pueda llevarse a cabo la explotación tanto
con combustible en estado gaseoso así como, también, con
combustible en estado líquido, puede llevarse a cabo
alternativamente para la desconexión de emergencia una conmutación
del suministro de combustible de alimentación de combustible en
estado gaseoso a alimentación de combustible en estado líquido.
La invención se describe, con carácter
ejemplificativo, a continuación, sin limitación de la idea general
inventiva, por medio de un ejemplo de realización con referencia a
los dibujos. Se muestra:
en la figura 1 el diagrama de flujo para la
exposición del procedimiento, y
en la figura 2 el diagrama de presión del
gas/carga, para describir la disminución regulada de la carga.
En la figura 1 se ha representado un diagrama de
flujo de decisión, por medio del cual se explicará el procedimiento
de conformidad con la invención. En el diagrama no se ha tenido en
consideración el caso normal, en el que la instalación de turbinas
de gas se explotada bajo aquellas condiciones de presión, a las que
la presión de suministro del gas se encuentre siempre por encima de
un nivel de presión mínimo, condicionado por el sistema. Sin
embargo, si la presión del gas cae por debajo del nivel de presión
mínimo p_{\text{límite de acción}}, se reducirán o bien se
desconectarán por completo en la primera etapa I todas las medidas
destinadas al aumento de la potencia, es decir el enfriamiento del
aire para la combustión (KV), que se aporta para la formación de la
mezcla con el combustible para la combustión, el aporte de de vapor
de agua (WB) en la mezcla de combustible-aire, que
debe ser sometida a la combustión, así como el enfriamiento del
vapor de agua (KW) que debe ser aportado a la mezcla de
combustible-aire.
Con ayuda de las medidas precedentes, la
instalación de turbinas de gas experimenta una modificación del
intervalo de explotación, que es equivalente a un aumento de la
temperatura del medio ambiente T. Si como consecuencia de ello se
estabilizase la presión del gas p_{Gas} en el conducto de
suministro con relación al nivel de la presión mínima
p_{\text{límite de acción}}, podrán mantenerse las medidas
precedentes o podrán anularse de manera sucesiva teniendo bajo
observación a la presión del gas. En el caso de que la presión del
gas siga cayendo invariablemente, se lleva a cabo, en la etapa II,
una reducción activa de la temperatura del combustible T_{B}.
Una reducción de la temperatura del combustible
conduce a una disminución de la corriente volumétrica del
combustible BV como consecuencia del aumento de la densidad del
combustible y, al mismo tiempo, conduce a una reducción de las
pérdidas de presión dentro de la alimentación del combustible.
De igual modo, otras medidas se hacen depender
el comportamiento de la presión del gas p_{Gas}. Si, como
consecuencia de la reducción de la temperatura del combustible se
estabilizase la presión del gas p_{Gas} en el conducto de
suministro con relación al nivel de la presión mínima
p_{\text{límite de acción}}, podrá mantenerse la reducción de
la temperatura o podrá anularse de manera sucesiva teniendo bajo
observación a la presión del gas. En el caso de que la presión del
gas siga cayendo invariablemente, se lleva a cabo, en la etapa III,
una disminución regulada de la carga (GA) de la instalación de
turbinas de gas, que se realiza con objeto de evitar deterioros, la
instalación de turbinas de gas sufre una conmutación (save) a un
estado de explotación segura y se describe a continuación
haciéndose referencia a la figura 2.
La figura 2 muestra un diagrama p/L, en el que a
lo largo de las ordenadas se ha dispuesto la presión p y a lo largo
de las abscisas se ha dispuesto el estado de carga L.
Básicamente se cumple que la presión del gas
p_{Gas} debe mantenerse siempre mayor que la presión en la cámara
de combustión p_{necesaria \ para \ el \ sistema}, condicionada
por el sistema, que se establece en función del estado de carga L,
si se quiere impedir que se presenten las consecuencias que han sido
explicadas al principio, que conducen inevitablemente a un
deterioro irreversible de todos los componentes que participan en el
proceso de combustión.
Cuando se enciende una instalación de turbinas
de gas debe tenerse en consideración que la presión del gas
presente, para el aporte del combustible, una presión del gas mínima
p_{min}, que se encuentre claramente por encima de la presión
interna de la cámara de combustión p_{necesaria \ para \ el \
sistema}, condicionada por el sistema, en el intervalo inferior
del estado de carga. Cuando este requisito no pueda cumplirse, no
se liberará la chispa de encendido, por motivos de seguridad, para
el encendido de una mezcla de combustible-aire, que
se forma en el interior del quemador.
Partiendo de la presión del gas mínima p_{min}
en el intervalo inferior de carga, se prolonga una curva de
referencia de la presión p_{\text{límite de acción}}, en el
intervalo de las cargas superiores L, que tiene una pendiente
proporcional a la presión en la cámara de combustión p_{necesaria
\ para \ el \ sistema} y que se elige independientemente del
respectivo estado de carga, en cada caso mayor que p_{necesaria \
para \ el \ sistema}.
Por otra parte, se han dibujado otras tres
curvas de presión en el diagrama, que está representado en la
figura, en detalle estas curvas son: p_{\text{límite de
protección}}, p_{margen \ de \ seguridad} y p_{histéresis \ de
\ carga}. Las tres curvas de presión adicionales discurren, en su
conjunto, de un manera ampliamente paralela con respecto a la curva
de presión de referencia p_{\text{límite de acción}}, resultando
la curva de presión de referencia p_{\text{límite de acción}}
en el intervalo medio y superior de carga, en la forma que se indica
a continuación, a partir de la presión interna de la cámara de
combustión p_{necesaria \ para \ el \ sistema}, condicionada por
el sistema, que depende de la carga:
p_{\text{límite de acción}} =
p_{necesaria \ para \ el \ sistema} \cdot a, con 1,2 \leq a
\leq 1,5, de manera preferente a =
1,35.
En lo que se refiere a las curvas de presión
adicionales, que están previstas en la representación del diagrama,
para p_{\text{límite de protección}}, p_{margen \ de \
seguridad} así como p_{histéresis \ de \ carga}, se cumplen, de
manera preferente, las condiciones siguientes:
p_{margen \ de
\ seguridad} = p_{necesaria \ para \ el \ sistema} \cdot a + 1
bar,
p_{histéresis
\ de \ carga} = p_{necesaria \ para \ el \ sistema} \cdot a +
1,3
bares
así
como
p_{\text{límite de
protección}} = p_{necesaria \ para \ el \ sistema} \cdot a -
0,3
bares.
De conformidad con el tipo de las turbinas de
gas pueden elegirse de manera variable los factores elegidos en las
relaciones precedentes.
La explotación normal de una instalación de
turbinas de gas se lleva a cabo bajo una presión de gas p_{Gas}
suficientemente elevada, que en cualquier estado de carga L se
encuentra siempre por encima de la presión de referencia
p_{\text{límite de acción}}, que depende del estado de carga. En
el estado de explotación normal se cumple siempre que:
p_{Gas} >
p_{\text{límite de
acción}}
Sin embargo, cuando la presión del gas p_{Gas}
deba descender en un estado inicial de carga L_{0}, elegido de
manera arbitraria, y deba alcanzar el valor de la presión
p_{\text{límite de acción}} en el estado inicial de carga
L_{0}, se reducirá la carga de la instalación de turbinas de gas
automáticamente tomándose como base una estrangulación normalizada
del combustible con una velocidad de estrangulación r_{1}, que
depende de la correspondiente instalación de turbinas de gas.
En el caso de la disminución estándar de la
carga pueden distinguirse, básicamente, los siguientes casos:
Caso 1 (véase la flecha 1 en el
diagrama)
Por medio de la disminución estándar de la
carga, la presión del gas p_{Gas} permanece ampliamente constante
de tal manera que se establece un sobreaumento relativo de la
presión correspondiente a la presión del gas p_{Gas} frente al
valor de la presión p_{\text{límite de acción}} en el estado de
carga L_{1} como consecuencia de la reducción de la carga cuando
se alcanza un menor estado de carga L_{1}, con: p_{Gas} =
p_{margen \ de \ seguridad} (L_{1}).
La curva de presión p_{margen \ de \
seguridad} sirve a modo de un nivel de presión de seguridad que se
encuentra siempre por encima de la curva de presión de referencia
p_{\text{límite de acción}}. Si se iguala la presión del gas
p_{Gas}, por medio de un aporte de combustible reducido en un
estado reducido de carga L_{1}, con el nivel de la presión de
seguridad p_{margen \ de \ seguridad}, se concluirá la disminución
estándar de la carga. Si la presión del gas p_{Gas} permanece
constante, incluso tras la disminución estándar de la carga y si
mantiene nivel de presión p_{margen \ de \ seguridad} en el estado
de carga L_{1}, podrá conmutarse de nuevo la instalación de
turbinas de gas hasta el estado inicial de carga L_{0} en el marco
de un aumento estándar de la carga.
Por el contrario, si la presión del gas
p_{Gas} desciende de nuevo, inmediatamente tras alcanzar el valor
de la presión p_{margen \ de \ seguridad} en el estado de carga
L_{1}, una vez concluida la disminución estándar de la carga, y
se aproxima al estado de carga L_{1} al nivel de la presión de
referencia p_{\text{límite de acción}}, se llevará a cabo una
nueva disminución estándar de la carga hasta otro estado reducido de
carga L_{2} (no representado en el diagrama). Si la presión del
gas p_{Gas} se iguala, en el estado reducido de carga L_{2},
con la presión de seguridad p_{margen \ de \ seguridad}, que reina
en este nivel de carga, se concluirá de nuevo la disminución
estándar de la carga. Si la presión del gas p_{Gas} se estabiliza,
se comenzará con un aumento de la carga desde el estado de carga
L_{2} hasta el estado inicial de carga L_{0}.
Sin embargo, si las medidas para la disminución
estándar de la carga, que han sido descritas precedentemente, no
conducen al resultado deseado en lo que se refiere a una
estabilización de la presión del gas con conmutación subsecuente de
la instalación de turbinas de gas de vuelta hasta el estado inicial
de carga L_{0}, la presión del gas llega hasta un nivel de
presión mínimo p_{min}, por medio de repeticiones escalonadas del
procedimiento precedente, desde el cual ya no es posible otra
disminución de la carga, con objeto de de evitar deterioros. En
este caso, quedan únicamente dos alternativas A y B, concretamente o
bien una desconexión de emergencia de la instalación de turbinas de
gas, con objeto de evitar una caída adicional de la presión del gas
por debajo de la presión interna de la cámara de combustión
p_{necesaria \ para \ el \ sistema}, condicionada por el sistema
(caso B), o bien una conmutación a un tipo de combustible
alternativo (caso A) por ejemplo un calentamiento de la cámara de
combustión con combustible líquido en lugar de hacerlo con
combustible en estado gaseoso. Sin embargo, el caso A es únicamente
posible, tal como ya se ha indicado, en sistemas de quemadores
duales.
El escenario, que ha sido descrito
precedentemente, describe el caso de una pérdida de presión que se
produce lentamente en el conducto de alimentación del combustible,
en el que al menos una estrangulación del combustible, como
consecuencia de la disminución estándar de la carga, conduce a una
presión del gas p_{Gas} que permanece constante, que se
estabiliza de nuevo cuando se alcanza el nivel de la presión de
seguridad p_{margen \ de \ seguridad} en un estado reducido de
carga L_{1} y ofrece la posibilidad de una conmutación de la
instalación de turbinas de gas al estado inicial de carga.
Caso 2 (véase la flecha 2 en el
diagrama)
Por el contrario, si se presenta una caída de la
presión más evidente y más rápida de la presión del gas p_{Gas},
se alcanzará de una manera relativamente rápida la presión de
referencia p_{\text{límite de acción}} en el estado inicial de
carga L_{0}. De la misma manera, se lleva a cabo automáticamente
la disminución estándar de la carga, que ha sido descrita
precedentemente, por medio de la estrangulación del aporte de
combustible. Ciertamente, en un caso de este tipo la presión del
gas p_{Gas} no permanece constante, a pesar de la disminución
estándar de la carga, sino que sigue cayendo dinámicamente pero
haciéndolo más lentamente que el valor de la presión de referencia
p_{\text{límite de acción}}, que cae debido a la disminución
estándar de la carga. También en este caso se cumple, durante toda
la disminución estándar de la carga que p_{Gas} >
p_{\text{límite de acción}} (L). Cuando se alcanza la presión
del gas de seguridad p_{margen \ de \ seguridad} en un estado de
carga L_{3}, sometido a una fuerte disminución de la carga, se
concluye la estrangulación del combustible, del mismo modo que en
el caso que ha sido descrito precedentemente, como consecuencia de
una disminución estándar de la carga. En el caso de una
estabilización de la presión del gas en el estado de carga L_{3}
puede conmutarse de nuevo el estado de carga L_{3} al estado
inicial de carga L_{0} en el marco de un aumento estándar de la
carga. Se hará referencia con mayor detalle al aumento estándar de
la carga en otro punto más adelante.
Caso 3 (véase la flecha 3 en el
diagrama)
En el caso de que la disminución estándar de la
carga, iniciada automáticamente, con una fuerte caída de la presión
del gas p_{Gas} hasta el nivel de la presión de referencia
p_{\text{límite de acción}} en el estado inicial de carga
L_{0}, no condujese a una estabilización deseada del nivel de la
presión dentro del conducto de gas y si la presión del gas
p_{Gas} descendiese por debajo del nivel de la presión de
referencia p_{\text{límite de acción}}, a pesar de la
disminución estándar de la carga, sería inevitable una desconexión
de emergencia de la instalación de turbinas de gas, en el caso de
una reducción de la presión correspondiente a la presión del gas
p_{Gas} hasta un nivel de la presión de protección
p_{\text{límite de protección}} situada por encima de la
presión de la cámara de combustión p_{necesaria \ para \ el \
sistema}.
En un caso de este tipo es inevitable una
desconexión de emergencia con objeto de evitar deterioros
irreversibles del sistema. Como alternativa a la desconexión de
emergencia puede conmutarse la instalación de turbinas de gas desde
el suministro del proceso de combustión con combustible en estado
gaseoso a la explotación con combustible líquido, en el caso de un
suministro dual de combustible.
En el caso de una disminución de emergencia de
la carga se lleva a cabo el aporte del combustible con una
velocidad de estrangulación r_{2} ampliamente mayor que en el caso
de una disminución estándar de la carga. De manera típica la
velocidad de estrangulación r_{2}, en el caso de una disminución
de emergencia de la carga, supone al menos 6 veces, de manera
preferente al menos 10 veces la velocidad de estrangulación r_{1},
que es empleada en el caso de la disminución estándar de la
carga.
En los casos, que han sido descritos
precedentemente, en los cuales puede ser estabilizada la presión del
gas p_{Gas}, por medio de una disminución estándar de la carga,
específica, hasta el nivel de presión de seguridad p_{margen \ de
\ seguridad}, que depende, respectivamente, del nivel reducido de
carga, es decir que la presión del gas p_{Gas} permanece
invariablemente estable durante un período de tiempo prefijable de,
al menos, 1 minuto, con aporte constante de combustible, se cumple
que se retorna de nuevo a la instalación de turbinas de gas hasta
el estado inicial de carga L_{0}, original. Esto se lleva a cabo,
tal como ya se ha indicado en el ámbito de un aumento estándar de
la carga, que se verifica escalonadamente como puede verse por la
representación del diagrama (véase la trayectoria de puntos de la
línea 4). En primer lugar debe indicarse que el estado inicial de
carga L_{0}, en el que se presenta la caída de presión en el
conducto para el aporte del combustible, es memorizado en el
sistema de tal manera que el estado inicial de carga puede ser
establecido de nuevo específicamente tras la disminución estándar
de la carga correspondiente. Haciendo referencia a la
representación del diagrama, se supone que el estado de carga
L_{5}, reducido, es aquel al que se llega como consecuencia de la
disminución estándar de la carga, en el que la presión del gas
p_{Gas} ha tomado el valor de la presión de seguridad p_{margen
\ de \ seguridad} y que aumenta hasta el nivel de la presión
p_{histéresis \ de \ carga}, permaneciendo constante el estado de
carga L_{5}, cumpliéndose que: p_{histéresis \ de \ carga} >
p_{margen \ de \ seguridad}, siendo el nivel de presión
p_{histéresis \ de \ carga} siempre mayor que el nivel de presión
de seguridad p_{margen \ de \ seguridad}.
Cuando se alcanza el nivel de presión
p_{histéresis \ de \ carga} se verifica un aumento estándar de la
carga por medio de un mayor aporte de combustible con una velocidad
de aporte de combustible que depende de la instalación de turbinas
de gas, que, de manera preferente, se elige constante en el tiempo.
Durante el aumento estándar de la carga, la presión del gas
p_{Gas} permanece constante de manera típica, interrumpiéndose el
aumento estándar de la carga cuando se alcanza el nivel de presión
de seguridad p_{margen \ de \ seguridad} en el estado de carga
L_{4}. De nuevo se lleva a cabo un aumento de la presión del gas
p_{Gas} en el estado de carga L_{4} acrecentado hasta que se
alcance el nivel de presión p_{histéresis \ de \ carga} en el
estado de carga L_{4}. De nuevo se aumenta el aporte del
combustible de tal manera que se alcanza el nivel de la presión de
seguridad p_{margen \ de \ seguridad} en el estado acrecentado de
carga L_{3}. El aumento estándar de la carga, que se lleva a cabo
de manera escalonada, se repite tantas veces como sea necesario
hasta que se alcance el estado inicial de carga L_{0}.
Con ayuda del procedimiento, de conformidad con
la invención, es posible mejorar la disponibilidad de las
instalaciones de turbinas de gas y reducir claramente la
vulnerabilidad en lo que se refiere a las oscilaciones de la
presión dentro de los conductos para el aporte del combustible. Las
desconexiones de emergencia solamente son necesarias en raras
ocasiones, con el procedimiento descrito, en tanto en cuanto la
máquina térmica sea calentada exclusivamente con combustible en
estado gaseoso y no pueda ser estabilizada la caída de la presión en
el conducto del gas a pesar de la disminución estándar de la
carga.
De manera especial, en aquellos países y
regiones, en los que esté sometido a oscilaciones el suministro de
combustible en estado gaseoso, el procedimiento ofrece una forma de
explotación fiable de las máquinas térmicas calentadas con gas,
especialmente de las instalaciones de turbinas de gas.
Claims (9)
1. Procedimiento para la explotación de una
máquina térmica, de manera preferente de una instalación de turbinas
de gas, según el cual se acciona una unidad rotativa, de manera
preferente al menos una etapa de turbinas de gas por medio de la
combustión de combustible en estado gaseoso dentro de una cámara de
combustión con formación de gases calientes, cuya energía de
rotación se transforma en otra forma de energía, de manera
preferente energía eléctrica y describe un estado de carga (L) de
la máquina térmica, ajustándose el estado de carga (L) por medio de
la regulación de la cantidad del combustible en estado gaseoso, que
es alimentado para la combustión, explotándose la máquina térmica
con un estado de carga (L), en tanto en cuanto el combustible en
estado gaseoso sea aportado a la combustión a través de un conducto
de gas bajo una presión de gas p_{Gas}, cumpliéndose
p_{Gas} >
p_{\text{límite de acción}}
(L),
representando la p_{\text{límite
de acción}} (L) un valor de la presión que depende, al menos, del
estado de carga (L) de la máquina térmica, caracterizado
porque, en el caso de que se produzca una caída de la presión del
gas p_{Gas} hasta el valor de la presión p_{\text{límite de
acción}} (L) se introduce, al menos, una de las medidas
siguientes:
- -
- la estrangulación del enfriamiento del aire de combustión, que se aporta para la formación de la mezcla con el combustible para la combustión
- -
- la estrangulación del aporte de vapor de agua en la mezcla de combustible-aire que debe ser sometida a la combustión, así como
- -
- la estrangulación del enfriamiento del vapor de agua, que debe ser aportado a la mezcla de combustible-aire,
en el caso de que la estrangulación hasta la
desconexión completa de una o de varias de las medidas precedentes
no conduzca a una estabilización o a un aumento de la presión del
gas p_{Gas}, se reduce la temperatura del combustible en estado
gaseoso, que es alimentado a la combustión, y
en el caso de que la reducción de la temperatura
del combustible no conduzca a la estabilización o al aumento de la
presión del gas, se realiza una disminución regulada de la carga de
la máquina térmica.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la disminución regulada de la carga de
la máquina térmica se lleva a cabo cuando la presión del gas
p_{Gas} caiga por debajo del valor de la presión p_{\text{límite
de acción}} (L_{0}) en un estado inicial de carga (L_{0}),
llevándose a cabo una disminución estándar de la carga por medio de
la reducción de la cantidad de combustible en estado gaseoso, que es
aportada a la combustión, y
porque se lleva a cabo en función de una
relación de las presiones entre p_{Gas} y p_{\text{límite de
acción}} (L), que se forma por disminución de la carga, tomándose
como base un criterio de decisión
- i)
- bien se concluye la disminución estándar de la carga y se conmuta la máquina térmica a su estado inicial de carga o bien
- ii)
- se ejecuta una disminución de emergencia de la carga, completa, en la que se lleva a cabo la reducción del combustible de una manera más rápida que en el caso de la disminución estándar de la carga, o bien
- iii)
- se lleva a cabo una conmutación del suministro de combustible a otro tipo de combustible.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque en el caso de que p_{Gas} =
p_{\text{límite de acción}} (L_{0}) la disminución estándar de
la carga conduzca a una presión de gas p_{Gas}, que adquiera un
valor de presión p_{margen \ de \ seguridad} (L_{1}) en un
estado disminuido de carga L_{1}, cumpliéndose que:
p_{margen \ de
\ seguridad} (L_{1}) > p_{\text{límite de acción}}
(L_{1})
se concluye la disminución estándar
de la carga y se conmuta la máquina térmica hasta el estado inicial
de carga L_{0} por medio del aumento del aporte de
combustible.
4. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque en el caso de que p_{Gas} =
p_{\text{límite de acción}} (L_{0}) la disminución estándar de
la carga conduzca a una caída de la presión del gas p_{Gas} hasta
un valor de la presión p_{\text{límite de protección}} (L_{2})
con un estado disminuido de carga L_{2}, con p_{necesaria \ para
\ el \ sistema} (L_{2}) < p_{\text{límite de protección}}
(L_{2}) < p_{\text{límite de acción}} (L_{2}), se lleva a
cabo la disminución de emergencia de la carga completa o la
conmutación del aporte de combustible a otro tipo de combustible,
siendo P_{necesaria \ para \ el \ sistema} (L_{2}) una presión
interna del sistema que se establece con un estado de carga
(L_{2}) de la máquina térmica en la región de la cámara de
combustión.
\newpage
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque la disminución
estándar de la carga se lleva a cabo por medio de la estrangulación
del aporte del combustible con una velocidad de estrangulación
r_{1}, y
porque la disminución de emergencia de la carga
se lleva a cabo con una velocidad de estrangulación r_{2},
siendo
r_{2} \geq 6\cdotr_{1}.
r_{2} \geq 6\cdotr_{1}.
6. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque, en aquellos casos en los que se
produzca una caída repetida de la presión del gas p_{Gas} una vez
alcanzada la p_{margen \ de \ seguridad} (L) hasta un valor de
la presión p_{\text{límite de acción}} (L) se repite la medida
descrita en la reivindicación 2 y porque, en el caso de una
realización repetida de la medida precedente, la presión del gas
p_{Gas} descienda por debajo de un valor de la presión mínimo
p_{min}, se lleva a cabo o bien la disminución de emergencia de
la carga completa o bien se verifica una conmutación del suministro
de combustible a otro tipo de combustible.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque se lleva a cabo
la conmutación de la máquina térmica hasta el estado inicial de
carga L_{0}, una vez que se haya estabilizado el estado de carga,
que se establece para p_{Gas} = p_{margen \ de \ seguridad}
(L).
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 2 a 7, caracterizado porque se lleva a cabo
la conmutación de la máquina térmica hasta el estado inicial de
carga L_{0}, de conformidad con un aumento estándar de la carga,
en tanto en cuanto se cumpla que:
p_{Gas}
\geq p_{histéresis \ de \ la \
carga}
y
p_{histéresis
\ de \ carga} > p_{\text{límite de
acción}},
y
porque el aumento estándar de la carga se lleva
a cabo a una velocidad de aporte del combustible que depende de la
máquina térmica correspondiente, llevándose a cabo de manera
preferente con una velocidad constante en el tiempo.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 3, 5 a 8, caracterizado porque la
conmutación de la máquina térmica hasta el estado inicial de carga
L_{0}, por medio de aumentos escalonados del estado de carga (L),
se lleva a cabo de tal manera, que, en el caso de que p_{Gas}
\geq p_{histéresis \ de \ carga} (L_{4}), con p_{histéresis
de carga} (L_{4}) > p_{\text{límite de acción}} (L_{4})
se lleva a cabo, en un estado de carga L_{4}, un aumento de la
carga de la máquina térmica hasta que p_{Gas} corresponda al valor
de la presión p_{margen \ de \ seguridad} (L_{3}), en un estado
mayor de carga (L_{3}), aumentando p_{Gas} adicionalmente
hasta que el estado de carga (L_{3}) permanezca constante y
alcance el valor de la presión p_{histéresis \ de \ carga}
(L_{3}), se repite el precedente aumento de la carga tantas veces
como sea necesario para que se alcance el estado inicial de carga
(L_{0}).
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