ES2350221B1 - Sistema y procedimiento de acumulacion de vapor en tanques para aplicacion solar. - Google Patents
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Abstract
Sistema y procedimiento de acumulación de vapor
en tanques para aplicación solar formado por dos grupos de tanques o
acumuladores (1, 2) tipo Ruths, denominados grupo base y grupo de
sobrecalentamiento, iguales entre sí y compuestos cada uno de ellos
por una entrada de vapor saturado (3), unos inyectores de vapor (10)
instalados en el interior del tanque (1, 2), una salida de vapor (4,
4') con una válvula (13) y un drenaje (11). Entre ambos grupos de
tanques (1, 2) se instala un intercambiador de calor (6). El
procedimiento de almacenamiento se compone de una etapa de carga de
los tanques y otra de descarga de los mismos, estando esta última
formada por dos fases de descarga la primera de una presión máxima a
una intermedia y la segunda de una presión intermedia a una
mínima.
Description
Sistema y procedimiento de acumulación de vapor
en tanques para aplicación solar.
El procedimiento que se describe en la presente
invención se encuadra dentro del sector de la acumulación de vapor a
altas presiones, más concretamente para aplicaciones termosolares
en la producción de energía eléctrica.
El almacenamiento en plantas termosolares para
la generación de energía eléctrica se hace indispensable para que
esta tecnología se presente madura.
El almacenamiento es clave para rentabilizar al
máximo las grandes inversiones que suponen los campos solares. Al
mismo tiempo es imprescindible para que la producción de energía a
partir de esta tecnología renovable se presente como
gestionable.
La gestionabilidad está convirtiéndose en los
últimos tiempos en un requisito cada vez más indispensable en
plantas de generación eléctrica.
El uso de almacenamiento cubre varias
finalidades dentro de una planta solar. Por un lado, permite
aumentar la producción, tanto aumentando la carga en horas de alta
irradiancia como extendiendo ésta a los periodos nocturnos. Esto,
como ya se ha mencionado, consigue maximizar la rentabilidad de la
inversión. Por otro lado, permite operar en continuo aún en
presencia de periodos nubosos (condiciones transitorias de
radiación). Y por último, permite un funcionamiento continuo de la
turbina durante largos periodos, reduciendo los ciclos de arranque
y parada, disminuyendo por tanto las tensiones térmicas a las que se
somete este equipo.
Las tensiones térmicas son las responsables de
algunos de los fallos más fatales de una turbina, elemento clave, al
mismo tiempo que costoso, de una central termoeléctrica. El estado
del arte actual en la acumulación de energía en centrales
termosolares se dirige en gran medida a la acumulación a través de
medio líquido, bien aceite térmico, bien en sales fundidas.
Además de los elevados costos asociados a estas
dos tecnologías existen otros inconvenientes. El principal
inconveniente del aceite térmico es su impacto medioambiental, al
tratarse de un producto inflamable y en cierto rango tóxico. En el
caso de las sales los inconvenientes se deben más a riesgos
técnicos. Las sales tienen un alto riesgo de congelación en
condiciones normales de operación puesto que tienen un punto de
congelación muy elevado (entre 140 y 230ºC). Esto requiere un diseño
complejo y costoso para el traceado de tuberías y equipos.
Con la acumulación en vapor se eliminan por
completo todos esos riesgos y se independiza además el costo del
almacenamiento de las variaciones del mercado de sales y aceite.
Además, las plantas termosolares aprovechan la
radiación directa del sol, concentrándola y generando vapor. Sin
embargo, la radiación solar presenta un perfil variable que depende
de una gran cantidad de factores, entre ellos la nubosidad. La
nubosidad hace que la radiación que alcanza las superficies
colectoras de un campo solar fluctúe de manera importante en
tiempos muy cortos. Es necesario que el sistema tenga un tiempo de
reacción lo más próximo posible al de estas variaciones para evitar
que estas mismas se transmitan al sistema de generación o turbina,
lo cual sería fatal para su durabilidad. La frecuencia de estos
periodos transitorios varía según el lugar del mundo, pero no son en
ningún caso despreciables.
A diferencia de las sales y aceite, con la
acumulación en vapor se asegura una alimentación prácticamente
inmediata al sistema generador o turbina.
Aún así, el principal inconveniente de la
acumulación en vapor son los costes asociados a los grandes
volúmenes requeridos. La presente invención presenta una propuesta
para la minimización de costes en almacenamiento haciendo uso de
tanques que almacenan en un rango importante de presiones con una
geometría adecuada.
La capacidad de almacenamiento del tanque es
proporcional a la diferencia de presiones con las que trabaja el
tanque. Así un mismo volumen será aprovechado tanto más cuanto
mayor sea esta diferencia.
Como inconveniente al aumento de la presión en
el tanque, es necesaria una mayor resistencia del buffer. Esto se
traduce en un aumento de costos, sin embargo este costo puede verse
reducido si se construyen los tanques de modo que su diseño sea
óptimo en cuanto al reparto de tensiones.
Otro de los inconvenientes que plantea el uso de
acumulación en vapor es el hecho de que únicamente es posible una
descarga de vapor saturado. Para preservar la durabilidad de una
turbina de vapor es imprescindible que se mantengan las condiciones
especificadas por el fabricante.
Uno de los puntos más críticos en una turbina de
vapor es el grado de humedad del fluido que se expansiona en los
últimos escalonamientos. El vapor al expansionarse desde el estado
inicial de entrada a la turbina sufre una bajada de presión
acompañada de un enfriamiento que hace que el fluido vaya perdiendo
la energía que contenía para transformarla en trabajo mecánico.
Esta pérdida de energía en los últimos escalonamientos se convierte
en una condensación parcial. En el último escalonamiento de la
turbina, el vapor deja de ser un vapor seco para convertirse en un
vapor húmedo, que como tal contiene ciertas gotas de agua líquida.
Estas gotas de agua actúan cómo pequeños proyectiles que al contacto
con los álabes de la turbina pueden dañarla. Es por eso que el
último escalonamiento de una turbina de vapor está diseñado con
materiales reforzados, pero aún así es imprescindible asegurar que
el grado de humedad de este vapor no sobrepasa unos límites, en caso
contrario este refuerzo de los álabes no sería suficiente y la
turbina se dañaría irreversiblemente.
Por esta razón la calidad de vapor de entrada a
una turbina es un parámetro crítico. Si se trata de una turbina que
trabaja con vapor saturado se podrá libremente alimentar el equipo
con un vapor de este tipo ya que el fabricante ha realizado un
diseño apropiado para esta entrada. Sin embargo, si se trata de una
turbina de vapor sobrecalentado y la turbina es alimentada con un
vapor sin sobrecalentar (vapor saturado) es inevitable que la
turbina se dañe debido a la elevada humedad con la que llegaría el
vapor a los últimos escalonamientos.
La presente invención solventa todos estos
inconvenientes planteados logrando un sistema de acumulación de
vapor óptimo, tal y como se describe a continuación.
La presente invención propone utilizar en las
plantas termosolares de generación de energía eléctrica la
acumulación en vapor mediante tanques esféricos o semiesféricos a
altas presiones, determinando además los procedimientos concretos
para la carga y la descarga de modo que la capacidad de éstos sea
óptimamente aprovechada.
Así pues, la presente invención propone la
acumulación de vapor desde presiones mayores o iguales a 100 bar
hasta presiones en el entorno de 20 bar y, para que el reparto de
tensiones que se produce en los depósitos se lleve a cabo, la
invención plantea el uso de tanques esféricos. Este tipo de tanque
permite la acumulación de vapor para una determinada presión con
espesores menores a los de los tanques cilíndricos, lo cual permite
una reducción importante de costos, gracias a la disminución en la
cantidad de material requerido.
Estos tanques de geometría esférica podrían ser
construidos tanto en metal como en hormigón pretensado o en
cualquier material equivalente.
Además, el sistema de almacenamiento a altas
presiones que se presenta, cuenta con otra ventaja adicional: es
capaz de trabajar no sólo con vapor saturado sino también con vapor
sobrecalentado.
Más concretamente, la acumulación de vapor a la
que se refiere la presente invención hace uso de un sistema tipo
Ruths. El sistema tipo Ruths consiste en un depósito parcialmente
lleno de agua en equilibrio con un vapor que ocupa el resto del
volumen.
El tanque o acumulador es cargado mediante un
vapor que se produce externamente. Este vapor cede su calor al
resto de fluido existente en el tanque, por condensación.
En la descarga del acumulador se produce una
caída de presión que provoca una evaporación flash en el interior
del mismo, lo que se traduce en una generación espontánea de vapor
que se descargará a continuación. Una de las principales
características de este tipo de descarga es que la presión del
vapor descargado va disminuyendo a medida que avanza la misma.
Este sistema de acumulación permite disponer del
vapor acumulado en ciclo en tiempos muy cortos. Esta velocidad de
reacción que permite la acumulación de vapor frente a la
acumulación a través de otros medios como sales o aceite, es
totalmente imprescindible para una óptima operación de plantas
termosolares para la generación de energía eléctrica.
Para completar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, un juego de dibujos donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1: Sistema de almacenamiento de
vapor.
Para lograr una mayor comprensión de la
invención a continuación se va a describir, con ayuda de la figura
1, en qué consiste el sistema de almacenamiento así como el
procedimiento de carga y descarga.
El sistema de almacenamiento está compuesto por
un conjunto de tanques o acumuladores y dos intercambiadores de
calor. El número concreto de tanques vendrá determinado a partir de
los parámetros generales de diseño de la central termosolar y la
característica del recurso solar de la ubicación de la
instalación.
Los tanques tienen un funcionamiento tipo Ruths
como el descrito anteriormente, es decir, que el vapor se va
generando a medida que el tanque se va descargando.
Los tanques se dividen en dos grupos: Grupo base
(1) y Grupo de sobrecalentamiento (2), ambos grupos no difieren en
diseño siendo así mismo intercambiables.
Cada tipo de tanque tiene varias presiones
características:
- 1.
- Máxima presión de carga
- 2.
- Presión de funcionamiento A
- 3.
- Presión de funcionamiento B
- 4.
- Mínima presión de descarga
La máxima presión de carga es la presión máxima
que soporta el tanque cuando está completamente cargado. Este
sistema está concebido para que estas presiones sean mayores o del
orden de 100 bar. Esta presión es la misma para ambos tipos de
tanques.
Las presiones de funcionamiento A y B son
valores de consigna que pueden variarse según la conveniencia del
operador. Son presiones intermedias entre la máxima de carga y la
mínima de descarga. Éstas deben definirse para cada tanque teniendo
en cuenta que las corrientes (4') obtenidas de la descarga de los
tanques del grupo de sobrecalentamiento (2) son usadas en un
intercambiador de calor (6) para elevar la temperatura de las
corrientes resultantes (4) de la descarga de los tanques del grupo
base (1).
La presión de funcionamiento B del grupo base
(1) viene definida además por el funcionamiento de mínimo técnico
de la turbina. De este modo, estas presiones son necesariamente
diferentes para cada tipo de tanque, cumpliéndose en cualquier caso
lo siguiente:
- -
- Presión de funcionamiento A en tanque grupo base (1) < Presión de funcionamiento A en tanque grupo sobrecalentamiento (2).
- -
- Presión de funcionamiento B en tanque grupo base (1) < Presión de funcionamiento B en tanque grupo sobrecalentamiento (2).
La presión mínima de descarga es la presión
mínima a la que se descarga el tanque. La mínima presión de
descarga estará en torno a 1 bar. Esta presión es la misma para
ambos tipos de tanques (1, 2).
A continuación se describe un procedimiento para
la carga y la descarga del sistema de almacenamiento de forma que se
aseguren dos aspectos principales: aprovechamiento del vapor de
cada tanque en todo el rango de presiones y la obtención de un vapor
sobrecalentado (5) para la alimentación de la turbina. Para ello se
hace uso de un ejemplo.
Las presiones características de los tanques en
este ejemplo vienen definidas en la siguiente tabla:
El vapor de carga del sistema (3) puede provenir
tanto de una caldera convencional como de la caldera o receptor
solar de la instalación. En ambos casos el vapor generado será un
vapor saturado a la presión máxima de carga. El objetivo de esta
fase es llevar a los acumuladores (1, 2) al estado de máxima
carga.
Este vapor (3) se introduce por la entrada y
sale al tanque por medio de los inyectores (10). Dentro del tanque
se encontrará en equilibrio este vapor saturado (8) con el líquido
saturado (9).
Debido a la existencia de pérdidas de carga en
los periodos de inactividad, es necesario realizar drenajes (11)
durante esta fase para poder movernos sobre la curva de equilibrio
del tanque. Estos drenajes se envían a un desaireador o
desgasificador.
Este desaireador es un elemento tradicional de
los ciclos de turbinas de vapor que además de desairear el agua,
funciona como calentador de mezcla que recibe vapor de algunas
extracciones de la turbina con el objetivo de precalentar el agua de
alimentación a la caldera (en este caso al receptor solar).
La descarga se realiza en dos fases:
La fase I comprende la descarga de los
acumuladores (1, 2) desde la presión máxima de almacenamiento hasta
la presión de funcionamiento B. En esta fase hay dos etapas. En la
primera etapa los tanques (1, 2) se descargan desde la presión
máxima de carga hasta la presión de funcionamiento A y en la segunda
etapa desde la presión de funcionamiento A hasta la presión de
funcionamiento B.
En general, la descarga de un tanque de este
tipo se caracteriza porque la presión desciende continuamente. Sin
embargo, en este procedimiento se dispondrá de una válvula (13) que
reducirá la presión de salida de cada tanque (4, 4') a un valor fijo
e igual al mínimo de cada etapa (presión de funcionamiento A en la
primera etapa de la fase I y presión de funcionamiento B en la
segunda etapa de esta misma fase).
De este modo en nuestro ejemplo, durante la
primera etapa de esta fase, las corrientes (4') que se obtienen de
un tanque de sobrecalentamiento (2) tendrán una presión constante
de 85 bar, mientras que las corrientes (4) del grupo base (1)
tendrán una presión de 23 bar. En la segunda etapa, las presiones
serán de 40 bar y 10 bar respectivamente.
Esta diferencia de presiones de descarga en cada
etapa se realiza con el objetivo de sobrecalentar las corrientes del
grupo base (4) con las del grupo de sobrecalentamiento (4'), para
así poder alimentar la turbina sin problemas.
En la primera etapa de esta fase la corriente de
85 bar tiene una temperatura correspondiente al estado de
saturación de 299.23ºC, la cual será suficiente para sobrecalentar
la corriente de 23 bar la cual se encuentra a una temperatura de
219.55ºC.
De modo análogo, en la segunda etapa, la
corriente de 40 bar la cual se encuentra a 250.33ºC, servirá para
sobrecalentar la corriente de 10 bar, cuya temperatura inicial es de
179.88ºC.
La fase II comprende la descarga de los
acumuladores (1, 2) desde la presión de funcionamiento B hasta la
mínima presión de descarga.
Una vez descargados todos los acumuladores (1,
2) hasta la presión de funcionamiento B, el vapor que queda
acumulado (8) se aprovechará en la operación del día siguiente. Dado
que las presiones disponibles ya son muy bajas para alimentar la
turbina, este vapor se usará en lugares del ciclo donde no sean
necesarias altas presiones.
Con esta fase se consigue aprovechar la
capacidad del tanque prácticamente en su totalidad. El vapor que
queda acumulado (8) podría aprovecharse de múltiples maneras, a
continuación se señala una de las más intuitivas.
En la operación del día siguiente, encontraremos
los tanques (1,2) a una presión algo menor que la correspondiente a
la presión de funcionamiento B. Esto es debido a las pérdidas
nocturnas. En cualquier caso se encontrarán a una presión suficiente
para la siguiente función. Los acumuladores (1, 2) se descargarán
hasta la presión mínima usándose este vapor (4, 4') en dos
aplicaciones:
- 1.
- Parte de los tanques se descargarán en la última de las extracciones de la turbina. Para mantener el balance de masas en el ciclo y una vez utilizado ese vapor en la extracción, se llevará a otro tanque denominado tanque de almacenamiento de condensado y que se utilizará para alimentar los tanques o acumuladores.
- 2.
- La otra parte de vapor que queda en los tanques se descargará haciendo pasar a las corrientes por un segundo intercambiador. En este intercambiador se aprovechará su calor en el precalentamiento del agua que alimentará el receptor solar. Al igual que en el caso anterior, para conservar el balance de masas en el ciclo, una vez usada esta corriente se llevará al tanque de almacenamiento de condensado.
\newpage
El tanque de almacenamiento de condensado es el
equipo que almacena el agua que sirve para la carga de los tanques
de almacenamiento. El agua en el proceso de carga sale del tanque de
almacenamiento de condensado, pasa por un intercambiador aumentando
su temperatura y se introduce posteriormente en el desaireador del
ciclo de la turbina de vapor. De ahí pasará por los precalentadores
del ciclo hasta llegar a la caldera (en este caso receptor solar) y
una vez que el vapor alcance las condiciones de carga se llevará a
los tanques de almacenamiento, tal y como se explicó en el proceso
de carga.
Claims (6)
1. Sistema de acumulación de vapor en tanques
para aplicación solar caracterizado porque está formado por
dos grupos de tanques tipo Ruths, denominados grupo base (1) y grupo
de sobrecalentamiento (2), iguales entre sí y compuestos cada uno de
ellos por una entrada de vapor saturado (3), unos inyectores de
vapor (10) instalados en el interior del tanque (1, 2), una salida
de vapor (4, 4') con una válvula (13) y un drenaje (11). Entre ambos
grupos de tanques (1, 2) se instala un intercambiador de calor
(6).
2. Sistema de acumulación de vapor según
reivindicación 1 caracterizado porque los tanques son de
geometría esférica.
3. Sistema de acumulación de vapor según
reivindicación 1 caracterizado porque los tanques podrían
ser construidos tanto en metal como en hormigón pretensado.
4. Procedimiento de acumulación de vapor para
aplicación solar en tanques como los reivindicados anteriormente
caracterizado porque conlleva una fase de carga del sistema
y otra etapa de descarga del mismo donde:
- \bullet
- En la etapa de carga de los tanques o acumuladores (1, 2) el objetivo consiste en llevar a estos al estado de máxima carga. Para ello se introduce vapor saturado en los tanques (1, 2) por medio de los inyectores (10). Dentro del tanque se encontrará en equilibrio este vapor saturado (8) con el líquido saturado (9). Si existen variaciones de carga se podrán realizar drenajes (11) que se enviarán a un desaireador.
- \bullet
- La etapa de descarga se realiza en dos fases:
- -
- Fase I o fase de turbina: comprende la descarga de los tanques o acumuladores (1, 2) desde la presión máxima de almacenamiento hasta una presión intermedia de funcionamiento, realizándose esta descarga en dos etapas. En este procedimiento se dispondrá de una válvula (13) que reducirá la presión de salida de cada tanque (4, 4') a un valor fijo e igual al mínimo de cada etapa, siendo siempre superior la presión de descarga del tanque de sobrecalentamiento (2) que la del tanque del grupo base (1). Mediante un intercambiador de calor (6) se sobrecalienta el vapor del tanque del grupo base (4) con el del grupo de sobrecalentamiento (4') para alimentar la turbina.
- -
- Fase II o fase de precalentamiento: comprende la descarga de los tanques (1, 2) desde la presión intermedia hasta la mínima presión de descarga. Una vez descargados todos los tanques (1, 2) hasta la presión intermedia, el vapor que queda acumulado (8) se aprovechará en la operación del día siguiente donde los tanques (1, 2) se descargarán hasta la presión mínima usándose este vapor (4, 4') para distintas aplicaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Procedimiento de acumulación de vapor en
tanques para aplicación solar según reivindicación 3
caracterizado porque una de las posibles aplicaciones para
usar el vapor cuando baja de de la presión media a la mínima
consiste en descargar en la turbina una parte de los acumuladores
(1, 2) y una vez utilizado ese vapor en la turbina llevarlo a otro
tanque (tanque de almacenamiento de condensado) y utilizarlo para
alimentar los acumuladores (1, 2). La otra parte de vapor que queda
en los acumuladores (1, 2) se descarga haciéndolo pasar por un
intercambiador de calor para precalentar el agua que alimenta el
receptor solar. A la salida del intercambiador también se lleva el
vapor al tanque de almacenamiento de condensado.
6. Procedimiento de acumulación de vapor en
tanques para aplicación solar según reivindicación 3
caracterizado porque el vapor saturado que se introduce en el
sistema (3) puede provenir tanto de una caldera convencional como de
un receptor solar. En ambos casos el vapor generado será un vapor
saturado a la presión máxima de carga.
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