ES2343336T3 - Conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor y procedimiento para operar el mismo. - Google Patents
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Abstract
Conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) con un generador (2) de frecuencia variable, una turbina de vapor (3) y un turbocompresor (4) que puede accionarse mediante el generador (2) y la turbina de vapor (3), acoplados formando un conjunto alineado en un eje (5), pudiendo acoplarse eléctricamente el generador (2) a una red eléctrica (6) para alimentar la red y pudiendo conectarse la turbina de vapor (3) a un equipo de aportación de vapor vivo (7) para aportar vapor vivo a la turbina de vapor (3), tal que el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) puede regularse en velocidad de giro variando la alimentación de la red y mediante la aportación de vapor vivo, presentando el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) un convertidor de frecuencia (9), con el que el generador puede acoplarse a la red eléctrica (6) para alimentar la red y siendo regulable la potencia del generador (2), con lo que puede regularse la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) mediante el convertidor de frecuencia.
Description
Conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor y procedimiento para operar el
mismo.
La invención se refiere a un conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor y a un procedimiento para
operar el conjunto alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor.
Un turbocompresor se utiliza por ejemplo en una
instalación de aplicación de la industria química. En la
instalación existe tradicionalmente energía térmica disponible en
forma de vapor de proceso. El vapor del proceso está a disposición
en un sistema de vapor de proceso, del que puede tomarse el vapor de
proceso para accionar una turbina de vapor. La turbina de vapor se
utiliza tradicionalmente para accionar el turbocompresor.
Tradicionalmente se opera el turbocompresor en
distintos estados de servicio, que implican distintas velocidades
de giro del turbocompresor. Tradicionalmente influye sobre la
velocidad de giro del turbocompresor la potencia de accionamiento
absorbida por el turbocompresor, siendo tradicionalmente la potencia
térmica proporcionada por el sistema de vapor de proceso mayor que
la potencia necesaria para accionar el turbocompresor. Este
excedente de potencia aumenta cuando desciende el consumo de
potencia del turbocompresor.
Tradicionalmente no se utiliza este excedente de
potencia o bien se transforma en electricidad en un turbogrupo de
vapor levantado adicionalmente en la instalación, compuesto por una
turbina de vapor y un generador.
En la figura 2 se muestra un turbogrupo de vapor
que representa un generador 101 y una turbina de vapor 102. La
turbina de vapor 102 acciona el generador 101 a través de un primer
acoplamiento 104. Para accionar la turbina de vapor 102 se lleva a
la turbina de vapor 102 vapor vivo procedente de una tubería de
vapor vivo 106. La potencia eléctrica generada por el generador 101
se cede a una red eléctrica 107.
Además, con el vapor de la tubería de vapor vivo
106 se acciona otra turbina de vapor 108, que a su vez está
acoplada a través de un acoplamiento 105 con un turbocompresor 103
para accionar el mismo. La velocidad de giro del turbocompresor 103
se regula mediante un equipo de realimentación de la velocidad de
giro 109, que controla una válvula de vapor vivo 108a. Con ello y
prescribiéndose una velocidad de giro previamente determinada para
el turbocompresor 103, mediante el equipo de realimentación de la
velocidad de giro 109 se controla la válvula de vapor vivo 108a tal
que la cantidad de vapor aportada desde la tubería de vapor vivo 106
a la turbina de vapor 108 se ajusta tal que el turbocompresor 103
se regula hasta la velocidad de giro previamente determinada.
Por razones técnicas de proceso y de regulación
está diseñada la turbina de vapor 108 sobredimensionada para el
accionamiento del turbocompresor 103. La turbina de vapor 108 tiene
que aportar, cuando los parámetros de la tubería de vapor vivo 106
son mínimos, una potencia de accionamiento máxima necesaria para el
turbocompresor 103. Además, incluso con los parámetros de vapor
vivo reducidos, la turbina de vapor 108 tiene que hacer posible el
arranque del turbocompresor 103. Por lo tanto, en funcionamiento
nominal se carga la turbina de vapor 108 sólo con aprox. un 70% del
caudal máximo de vapor. Esto trae como consecuencia que la turbina
de vapor 108 funciona la mayoría del tiempo de servicio con la
válvula de vapor vivo 108a con estrangulamiento. Debido a ello el
rendimiento de la turbina de vapor 108 se encuentra muy por debajo
de su rendimiento máximo.
Mediante la turbina de vapor 102 y el generador
101, se transforma en electricidad la energía del vapor vivo
excedente disponible en la tubería de vapor vivo 106. No obstante,
es complejo y costoso prever adicionalmente la turbina de vapor 102
y el generador 106 en la instalación.
En la figura 3 se muestra un conjunto alineado
tradicional, que presenta un generador 101, una turbina de vapor
102 y un turbocompresor 103. La turbina de vapor 102 se alimenta con
el vapor vivo procedente de una tubería de vapor vivo 106 y está
acoplada mediante un acoplamiento 104 con el generador 101 y
mediante un acoplamiento 105 con el turbocompresor 103, para
accionar los mismos.
La potencia eléctrica generada en el generador
101 se cede a una red eléctrica 107. El turbocompresor 103
funciona con una velocidad de giro constante.
La turbina de vapor 102 funciona con
estrangulamiento tanto para carga nominal como para carga parcial,
por las razones antes citadas, con lo que el rendimiento de la
turbina de vapor 102 igualmente se encuentra por debajo de su
óptimo de rendimiento. Además, no existe ninguna posibilidad de
regular el turbocompresor 103 mediante la velocidad de giro, lo
cual da lugar a una pérdida de rendimiento del proceso completo.
En el documento JP 58005407 A se describe un
conjunto alineado compuesto por una turbina de vapor, un motor y
una turbomáquina, estando conectado el motor eléctricamente a una
red eléctrica. El motor está realizado como motor asíncrono y se
utiliza como motor auxiliar para arrancar el conjunto alineado. Si
al arrancar el motor se ha alcanzado el 100% de la velocidad de
giro síncrona, se utiliza el motor como generador, con el que se
cede potencia eléctrica a la red eléctrica. En el documento JP 62
099602 A se indica una bomba de aceite 12 accionada por una turbina
de vapor 9 con velocidad de giro regulada. En el documento WO
2006/084809 A se describe una turbina de expansión con la que se
acciona un generador. El generador está conectado eléctricamente a
través de un convertidor de frecuencia con una red. El convertidor
de frecuencia está previsto para un funcionamiento como motor
eléctrico y asíncrono respecto a la red del generador al arrancar la
turbina de expansión. En otro ramal está previsto un turbocompresor
formado por un turbogrupo de gas, un generador y el
turbocompresor.
Es tarea de la invención lograr un conjunto
alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor, así como un procedimiento
para operar el mismo, en el que el conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor tenga un elevado rendimiento,
una buena posibilidad de regulación y reducidos costes de
inversión.
El conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor correspondiente a la invención
presenta un generador de frecuencia variable, una turbina de vapor
y un turbocompresor que puede accionarse mediante el generador y la
turbina de vapor, acoplados conjuntamente para formar una conjunto
alineado en un eje, pudiendo acoplarse eléctricamente el generador
a una red eléctrica para alimentar la red y pudiendo conectarse la
turbina de vapor a una tubería de entrada de vapor vivo para
aportar vapor vivo a la turbina de vapor, con lo que puede
regularse la velocidad de giro del conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor variando la alimentación de la
red y mediante la aportación de vapor vivo, presentando el conjunto
alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor un convertidor de frecuencia,
con el que puede acoplarse el generador a la red eléctrica para la
alimentación eléctrica de la red y puede regularse la potencia del
generador, con lo que el conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor puede regularse en velocidad de
giro mediante el convertidor de frecuencia.
El procedimiento correspondiente a la invención
para operar el conjunto alineado generador-turbina
de vapor-turbocompresor presenta las siguientes
etapas:
preparación del conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor; variación de la alimentación
de la red del generador y/o variación de la aportación de vapor vivo
a la turbina de vapor para regular la velocidad de giro del
conjunto alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor.
En el conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor puede accionarse el
turbocompresor mediante la turbina de vapor, transformándose por
completo la energía de proceso puesta a disposición del conjunto
alineado. Puesto que la turbina de vapor acciona el generador, no ha
de preverse un accionamiento adicional para el generador, con lo
que los costes de inversión para el conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor son reducidos.
La turbina de vapor en el conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor puede marchar con una válvula
de regulación de vapor completamente abierta. Esto da lugar a un
elevado rendimiento de la turbina de vapor, con lo que la
explotación de la energía del proceso es alta.
Además resulta posible así regular la potencia
del turbocompresor en el conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor mediante la velocidad de giro
variable, siendo efectiva la regulación de potencia del
turbocompresor.
Al arrancar el turbocompresor puede funcionar el
generador como un motor, con lo que al arrancar el turbocompresor
mediante el generador se pone a disposición una potencia de
accionamiento adicional. Debido a ello, no hay necesidad de diseñar
la turbina de vapor tal que tenga que realizarse el arranque del
turbocompresor cuando los parámetros de vapor sean eventualmente
bajos con un elevado consumo de potencia del turbocompresor. De
esta manera la turbina de vapor puede realizarse económicamente, con
lo que los costes de inversión para la turbina de vapor son bajos.
Además, puede funcionar la turbina de vapor en servicio normal sin
estrangulación o sólo con una muy baja, con lo que el rendimiento
de la turbina de vapor es elevado.
Mediante el convertidor de frecuencia la cesión
de potencia del generador cuando alimenta la red es variable, con
lo que la demanda de potencia del generador puede adaptarse a la
demanda de potencia del turbocompresor. De esta manera puede
predeterminarse la potencia de accionamiento de la turbina de vapor
y con ello adaptarse a la potencia disponible del equipo de
aportación de vapor vivo. Debido a ello puede expandirse todo el
vapor disponible del equipo de entrada de vapor vivo en la turbina
de vapor, con lo que el turbocompresor puede funcionar en un estado
de operación deseado.
Preferiblemente presenta la turbina de vapor una
válvula de vapor vivo para aportar el vapor vivo desde el equipo de
aportación de vapor vivo a la turbina de vapor, pudiendo regularse
mediante la válvula de vapor vivo la aportación de vapor vivo, con
lo que el conjunto alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor puede regularse en cuanto a
velocidad de giro mediante la válvula de vapor vivo.
De esta manera es posible regular la aportación
de energía a la turbina de vapor con la válvula de vapor vivo, que
tiene para ello la correspondiente posición de válvula. De esta
manera puede regularse fácilmente la cesión de potencia de la
turbina de vapor y con ello la velocidad de giro de la turbina de
vapor.
Es preferible que el generador pueda funcionar
tanto en servicio como generador como también en servicio como
motor de accionamiento.
Si funciona el generador en servicio como motor
de accionamiento, entonces aporta el generador una potencia de
accionamiento adicional. Esta potencia de accionamiento adicional
puede ser necesaria por ejemplo al arrancar el turbocompresor,
cuando por ejemplo el vapor disponible en el equipo de aportación de
vapor vivo es demasiado escaso para arrancar el turbocompresor. De
esta manera es posible arrancar no obstante el turbocompresor, aún
cuando la potencia de accionamiento de la turbina de vapor por sí
sola no sería suficiente. En el servicio como motor de
accionamiento el generador obtiene la potencia de la red.
Preferiblemente el generador es un generador de
alta velocidad de giro.
En el procedimiento para operar el conjunto
alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor se tienen además las
siguientes etapas preferentes: preparar la turbina de vapor con la
válvula de vapor vivo; variar la posición de la válvula de vapor
vivo para regular la velocidad de giro del conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor; durante el funcionamiento
normal: operar la turbina de vapor con la válvula de vapor vivo
completamente abierta.
Debido a ello opera durante el funcionamiento
normal la turbina de vapor con la carga nominal y no a carga
parcial, con lo que rendimiento de la turbina de vapor es alto.
Además, se tienen en el procedimiento para
operar el conjunto alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor las siguientes etapas
preferentes: preparar el generador para que pueda funcionar tanto en
servicio como generador como también en servicio como motor de
accionamiento; en el funcionamiento en arranque: operar el generador
en servicio como motor de accionamiento.
A continuación se muestra la invención en base a
un ejemplo de ejecución preferente del conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor correspondiente a la invención.
Se muestra en:
figura 1 una representación esquemática del
conjunto alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor correspondiente a la
invención,
figura 2 un conjunto alineado turbina de
vapor-turbocompresor y un conjunto alineado turbina
de vapor-generador según el estado de la técnica
y
figura 3 una conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor según el estado de la
técnica.
Tal como puede observarse en la figura 1,
presenta un conjunto alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor 1 un generador 2, una turbina
de vapor 3 y un turbocompresor 4, que forman un conjunto alineado en
un eje 5. La turbina de vapor 3 está acoplada para accionar el
generador 2 con el mismo mediante un primer acoplamiento 5a y para
accionar el turbocompresor 4 mediante un segundo acoplamiento 5b. La
turbina de vapor 3 es accionada con vapor desde un equipo de
aportación de vapor vivo 7, pudiendo regularse el flujo de vapor a
la turbina de vapor 3 mediante una válvula de vapor vivo 8. La
válvula de vapor vivo 8 está acoplada mediante un equipo de
realimentación de la velocidad de giro 10 con la velocidad de giro
del conjunto alineado 5. Mediante el equipo de realimentación de la
velocidad de giro 10 puede controlarse la válvula de vapor vivo 8
tal que se regula la velocidad de giro del conjunto alineado 5.
El generador 2 está acoplado mediante un
convertidor de frecuencia 9 con una red eléctrica 6 para la
alimentación de la red. El convertidor de frecuencia 9 está
acoplado mediante un equipo de realimentación de la velocidad de
giro 11 con la velocidad de giro del conjunto alineado en un eje
5.
La turbina de vapor 3 está equipada mediante la
válvula de vapor vivo 8 y el equipo de realimentación de la
velocidad de giro 10 para accionar el turbocompresor 4 con velocidad
de giro regulada. Además, está combinada la turbina de vapor 3 para
accionar el generador 2 en un conjunto alineado en un eje 5. El
generador 2 y el convertidor de frecuencia 9 pueden, cuando las
condiciones que se dan en el arranque del turbocompresor 4 exigen
una energía auxiliar, funcionar también como motor. La turbina de
vapor 3 marcha en funcionamiento normal con la válvula de vapor
vivo 8 totalmente abierta, con lo que la turbina de vapor puede
funcionar en servicio nominal con un elevado rendimiento.
La potencia excedente que existe en el
funcionamiento nominal de la turbina de vapor 3, se utiliza en el
generador para producir energía eléctrica.
Con ayuda del convertidor de frecuencia 9
produce el generador 2 corriente trifásica con la frecuencia de red
correspondiente a la red 6, con la cual se alimenta la red 6. Caso
necesario, puede aportar el generador 3, funcionando como motor,
una potencia mecánica adicional para arrancar el turbocompresor 4.
La regulación de la velocidad de giro del conjunto alineado en un
eje 5 se realiza bien mediante la adaptación de la potencia de
alimentación de la red o bien, si la potencia del generador 2 es
constante, mediante la válvula de vapor vivo 8 de la turbina de
vapor 2. La regulación de potencia del generador 2 se realiza en el
convertidor de frecuencia 9.
Claims (7)
1. Conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor (1) con un generador (2) de
frecuencia variable, una turbina de vapor (3) y un turbocompresor
(4) que puede accionarse mediante el generador (2) y la turbina de
vapor (3), acoplados formando un conjunto alineado en un eje (5),
pudiendo acoplarse eléctricamente el generador (2) a una red
eléctrica (6) para alimentar la red y pudiendo conectarse la turbina
de vapor (3) a un equipo de aportación de vapor vivo (7) para
aportar vapor vivo a la turbina de vapor (3), tal que el conjunto
alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor (1) puede regularse en
velocidad de giro variando la alimentación de la red y mediante la
aportación de vapor vivo, presentando el conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor (1) un convertidor de
frecuencia (9), con el que el generador puede acoplarse a la red
eléctrica (6) para alimentar la red y siendo regulable la potencia
del generador (2), con lo que puede regularse la velocidad de giro
del conjunto alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor (1) mediante el convertidor de
frecuencia.
2. Conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor (1) según la reivindicación
1,
en el que la turbina de vapor (3) presenta una
válvula de vapor vivo (8) para aportar el vapor vivo desde el
equipo de aportación de vapor vivo (7) a la turbina de vapor (3),
pudiendo regularse con la válvula de vapor vivo (8) la aportación
de vapor vivo, con lo que puede regularse la velocidad de giro del
conjunto alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor (1) mediante la válvula de
vapor vivo (8).
3. Conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor (1) según la reivindicación 1 ó
2,
en el que el generador (2) puede funcionar tanto
como generador como también como motor de accionamiento.
4. Conjunto alineado
generador-turbina de
vapor-turbocompresor (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 3,
en el que el generador (2) es un generador de
alta velocidad de giro.
5. Procedimiento para operar un conjunto
alineado generador-turbina de
vapor-turbocompresor (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 4, que presenta las etapas:
- -
- preparar el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1);
- -
- variar la alimentación de la red mediante el generador (2) y variar la aportación de vapor vivo a la turbina de vapor (3) para regular la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1);
- -
- preparar el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) con el convertidor de frecuencia (9);
- -
- variar la potencia del generador (2) con el convertidor de frecuencia (9) para regular la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1).
6. Procedimiento según la reivindicación 5, con
las etapas:
- -
- preparar la turbina de vapor (3) con la válvula de vapor vivo (8);
- -
- variar la posición de la válvula de vapor vivo (8) para regular la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1);
- -
- en funcionamiento normal: operar la turbina de vapor (3) con la válvula de vapor vivo (8) totalmente abierta.
7. Procedimiento según la reivindicación 5 ó 6,
con las etapas:
- -
- preparar el generador (2) para funcionar tanto en servicio como generador como también en servicio como motor de accionamiento;
- -
- en funcionamiento en arranque: operar el generador (2) en servicio como motor de accionamiento.
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