ES2387724A1

ES2387724A1 - Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor.

Info

Publication number: ES2387724A1
Application number: ES201000271A
Authority: ES
Inventors: Antonio Rovira De Antonio; María José Montes Pita; José María Martínez-Val Peñalosa; Manuel Valdés Del Fresno; Rubén Amengual Matas
Original assignee: Universidad Nacional de Educacion a Distancia UNED; Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Nacional de Educacion a Distancia UNED; Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2012-09-28
Anticipated expiration: 2030-03-05
Also published as: ES2387724B1

Abstract

Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor.Ciclo combinado que contiene:- dos ramales (7) y (8) por los que circula el flujo de escape de la turbina (1);- una caldera de recuperación de calor (14) dividida en dos cuerpos: de alta temperatura y menor temperatura;que permiten que el ciclo de gas (1) sea regenerativo sin perder temperatura en la parte más caliente de la caldera de recuperación ni reducir la temperatura del fluido del ciclo de baja temperatura (18).También puede incluirse una instalación solar o de otro tipo (20) que transfiera energía térmica al ciclo de baja temperatura (18).El sistema actúa para mejorar el rendimiento del ciclo combinado, a plena carga o a cargas parciales y, si existe hibridación con otra fuente de energía, para mejorar además el rendimiento de la turbina de vapor.

Description

SISTEMA DE REGENERACiÓN PARCIAL EN TURBINAS DE GAS DE

CICLOS COMBINADOS CON UNA O VARIAS FUENTES DE CALOR

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de las centrales térmicas de ciclo combinado, cuya aplicación principal es la generación de trabajo mecánico o energía eléctrica. Los componentes básicos de este tipo de centrales son, generalmente, una turbina de gas y un ciclo de vapor, acoplados mediante una caldera de recuperación de calor, la cual transfiere la energía térmica del gas de escape de la turbina de gas al fluido que va a circular por la turbina de vapor.

La fuente térmica habitual de este tipo de centrales es la combustión de un combustible fósil, generalmente gas natural, gasóleo o fuel, aunque cuando se trata de plantas integradas de gasificación se emplean combustibles sólidos como el carbón, coque o cualquier otro de otra procedencia. El combustible, cualquiera que sea, se suministra a la cámara de combustión de la turbina de gas.

Actualmente, se están desarrollando ciclos combinados cuya fuente térmica es la radiación solar, de forma única o conjunta con las anteriores, caso este último en el que es usual denominar ese tipo de centrales como "híbridas". La invención también prevé la hibridación del ciclo combinado; de forma particular con una instalación solar de alta temperatura y de forma general con cualquier tecnología capaz de suministrar energía térmica al sistema.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN Y PROBLEMA TÉCNICO QUE SE RESUELVE CON ELLA

Los ciclos termodinámicos en los que se basa el funcionamiento de una central de ciclo combinado son, generalmente, de tipo Joule-Brayton en el caso de la turbina de gas, que constituye el ciclo de alta temperatura, y de tipo Rankine en el caso del ciclo de vapor, que es el ciclo de baja temperatura. En el caso, poco habitual, de que el ciclo de vapor tenga por fluido de trabajo una mezcla de sustancias de distinta volatilidad, el ciclo se materializa generalmente con un ciclo de Kalina o alguna de sus variantes.

En el estado actual de la técnica, se conocen y se utilizan distintas variantes de ambos ciclos, de alta y baja temperatura, para una conversión altamente eficiente de la energía térmica en energía mecánica y, posteriormente, eléctrica. Asimismo, se conocen distintas formas de integración de ambos ciclos

por medio de calderas de recuperación de calor, utilizando distintos niveles de presión de producción de vapor para reducir las pérdidas exergéticas en la caldera e, incluso, aprovechando el calor procedente de la refrigeración de la turbina de gas en el ciclo de vapor, que de otra forma se pierde.

Las configuraciones más conocidas de los ciclos y de las calderas de recuperación de calor están bien documentadas en textos de referencia relativos a ciclos combinados, como pueden ser los de J. H. Horlock (Combined power plants, 18 ed., 1992, Pergamon Press) o R. Kehlhofer (Combined cycle gas

steam turbine power plants, ed., 1999, PennWell). En ellos también se describen y discuten configuraciones menos usuales. En otros documentos de la literatura técnica, como los de A. Franco (Applied Thermal Engineering 22 (2002) 1501-1518) o A. L. Polyzakis (Energy Conversion and Management 49 (2008) 551-563), se muestran esquemas y resultados termodinámicos de diversas configuraciones, entre las que se incluyen ciclos de gas regenerativos, de combustión secuencial, con compresiones escalonadas y refrigeradas y con calderas con post-combustión. Y. S. H. Najjar (Applied Thermal Engineering 21 (2001) 407-438) realiza un exhaustivo repaso y enumera las ventajas de numerosas tecnologías asociadas los sistemas que emplean turbinas de gas y ciclos combinados. En otras invenciones como las presentadas en los documentos ES 2.168.986 o US 4.896.499 se proponen mejoras que resultan de aprovechar el calor de refrigeración entre distintas etapas de compresión.

De entre las posibles variantes en el ciclo Joule-Brayton, una de las que habitualmente se desecha a nivel comercial para su aplicación en ciclos combinados es, precisamente, el ciclo regenerativo. En este ciclo se incluye un intercambiador de calor llamado regenerador por el que circula todo el gas de escape que procede de la turbina y todo el aire que proviene del compresor. Al estar los dos flujos en contacto térmico, la corriente de gas de escape, a mayor temperatura, cede calor al aire procedente del turbocompresor. De esa forma, el aire que se dirige a la cámara de combustión se precalienta. Gracias al precalentamiento del aire con los gases de escape, se requiere menps aporte térmico de la fuente de energía y, por tanto, se reduce el consumo de combustible (y, con ello, se reducen las pérdidas exergéticas asociadas al proceso de combustión). Además, se aumenta la temperatura media de aporte de calor al ciclo de gas al tiempo que se reduce la temperatura media de cesión de calor, lo que deriva en un aumento de rendimiento del ciclo. Sin embargo, la temperatura del gas que se dirige a la caldera de recuperación se reduce, debido

a la necesaria cesión de calor del gas de escape al aire que se precalienta. Esto conlleva una disminución de la exergía de flujo específica que entra en la caldera de recuperación de calor, lo que se traduce en una merma de potencia del ciclo de vapor y en un peor aprovechamiento del calor residual de la turbina de gas, que reduce el rendimiento del ciclo de vapor y tiende a reducir el rendimiento del conjunto del ciclo combinado. Esta merma puede ser incluso más acusada cuando la turbina de gas opera a cargas parciales, ya que, en ese caso, se tienen menores caudales másicos y/o menores temperaturas de escape en la turbina. Si bien la mejora del rendimiento de la turbina de gas, debido al ahorro de combustible, suele dominar, el efecto contrapuesto de la bajada de la temperatura del gas de escape con la consecuente merma de potencia en el ciclo de baja temperatura disminuye la mejora de rendimiento de la instalación. Esto, sumado al aumento en la complejidad de la instalación y a su encarecimiento, desaconseja normalmente el empleo de ciclos de gas regenerativos en plantas de potencia con ciclos combinados de turbinas de gas y vapor.

En el documento US 6.244.039 se propone un método para precalentar el aire a la salida del compresor, no con el gas de escape de la turbina sino con el vapor vivo generado en la caldera de recuperación, que de esa forma se enfría.

En este caso, la presente invención se refiere, concretamente, a los dispositivos que se deben incluir en la central, al modo de disponerlos y al modo de operar, para posibilitar la realización del ciclo de la turbina de gas de forma regenerativa, con la consecuente reducción de consumo de combustible, sin que con ello se incurra en una pérdida de temperatura en la parte más caliente de la caldera de recuperación de calor y sin reducir la temperatura del vapor antes de que entre en la turbina, como ocurría en la propuesta del documento anteriormente citado. Esto, dependiendo de las características concretas de la turbina de gas empleada, repercute en un aumento de rendimiento del ciclo combinado, a plena carga o a cargas parciales.

Por otro lado, como ya se ha dicho, en la actualidad se están desarrollando distintas formas de integración de plantas solares con plantas de ciclo combinado. La integración puede ser la mera sustitución de la combustión por energía térmica obtenida de la radiación solar, o bien conformar una central híbrida. Debido al interés de esta última tecnología, la integración de plantas solares con ciclos combinados se toma, para desarrollar la idea, como ejemplo otras posibles formas de hibridación del ciclo combinado con otras fuentes de calor. En el caso de una hibridación con energía solar, existen diferentes formas de aprovechar la energía térmica procedente de la radiación solar. El campo solar, que recibe la radiación solar y la concentra, transforma dicha radiación en energía térmica que se transfiere a un fluido, denominado en adelante fluido calorífero. Dicho fluido puede ser el propio fluido de trabajo de cualquiera de los ciclos de potencia u otro distinto, en cuyo caso se dispondrá un intercambiador de calor entre ambos fluidos. Asimismo, dicha energía térmica se puede almacenar para ser aprovechada posteriormente.

La forma de aprovechar la energía térmica procedente del Sol, haya sido

o no almacenada, depende de la temperatura alcanzada por el fluido calorífero. De esa forma, siempre que tenga un estado térmico adecuado, puede ser empleada para calentar o precalentar el fluido de trabajo de la turbina de gas generalmente el aire que sale del compresor de la turbina de gas-, como queda descrito en US 5.417.052 A, o bien puede ser empleado para contribuir a la producción de vapor, tanto en la parte de calentamiento en estado líquido como en el cambio de fase, el sobrecalentamiento y/o el recalentamiento, como estudia M. J. Montes (Proceedings of 15th Intemational SolarPACES) y se describe en el documento WO 95/11371 A 1.

En la primera de las opciones, denominada caso primero, el calor procedente de la instalación solar se dirige hacia el fluido de trabajo de la turbina de gas y la energía térmica se suele aprovechar en forma de precalentamiento del fluido de trabajo una vez comprimido y antes de la entrada a la cámara de combustión, donde se aumenta aún más su temperatura. La razón de efectuar el calentamiento en ese orden se debe a que las temperaturas alcanzables por una combustión son mucho mayores que las alcanzables, con el estado actual de la técnica, gracias a la radiación solar. Con esta configuración, el aporte solar conlleva directamente un ahorro de combustible, sin pérdida en el rendimiento térmico ni de la turbina de gas ni del ciclo combinado: en efecto, los ciclos termodinámicos quedan inalterados (excepto en pequeñas modificaciones de las pérdidas de carga y en la composición de los gases de escape) y solo se sustituye, en parte, la fuente de energía. Como ventaja de esta configuración, la eficiencia en la conversión de la energía térmica que proviene de la radiación solar en energía mecánica es mayor que con cualquier otra tecnología empleada en plantas termosolares (superando el 50%). Como inconveniente, la temperatura demandada en el precalentamiento suele ser alta, por lo que la temperatura del fluido calorífero es también alta, lo que implica que se produzcan grandes pérdidas energéticas en el campo y en el receptor solar, que pueden mermar la obtención de energía térmica y, así, el aprovechamiento neto de la energía solar.

Con la segunda opción, denominada caso segundo, la energía térmica de procedencia solar se emplea en aumentar la producción de vapor en el ciclo Rankine, introduciendo la energía en cualquiera de los niveles de presión de la caldera y en cualquiera de las etapas del calentamiento del fluido (precalentamiento, evaporación, sobrecalentamiento o recalentamiento). Con esta configuración, la central genera mayor potencia por aumentar la producción de vapor, y la temperatura demandada al fluido calorífero solar puede ser menor, por lo que las pérdidas en el campo y en el receptor solar se reducen en comparación con la configuración anterior. Además, los cambiadores de calor pueden ser más compactos por ser las propiedades termo-físicas del fluido de trabajo del ciclo de vapor (generalmente agua) más ventajosas para la transferencia de calor que las del aire. El rendimiento térmico de la central disminuye ligeramente en comparación con el ciclo combinado convencional, ya que el aporte de calor se introduce en el ciclo de baja temperatura y, por ese motivo, el aprovechamiento de la energía térmica obtenida del Sol no es tan alto como en el caso anterior. Otro inconveniente de esta configuración, que también se aborda en el documento WO 95/11371 A1, es el inadecuado dimensionamiento de la turbina de vapor en periodos en los que no hay aporte solar. En efecto, si la turbina se dimensiona para la máxima producción de vapor alcanzable, lo que ocurre cuando se encuentran tanto el gas de escape de la turbina de gas como el fluido calorífero de la instalación solar en sus niveles exergéticos más altos, en el momento en el que el aporte solar se reduce, los rendimientos de la turbina de vapor y del ciclo de vapor bajan notablemente a causa de la menor producción de vapor. Si, previendo el anterior inconveniente, la turbina de vapor se dimensiona para una menor contribución solar, seleccionando un punto de operación nominal de menor potencia en el que la producción de vapor es menor que la máxima alcanzable, cuando el aporte térmico solar aumente, el equipo funcionará sobrecargado a no ser que se reduzca la carga de la turbina de gas, lo que también empeora el rendimiento.

Con la invención, en el caso de que la central de ciclo combinado esté hibridada con un campo solar, se logran reunir las principales ventajas de las dos opciones anteriormente comentadas y eliminar parcialmente los inconvenientes también de ambos casos descritos, como se explica posteriormente. Estas ventajas son igualmente válidas en el caso de que la hibridación de la central se efectúe con otra tecnología diferente de la solar, siempre que el aprovechamiento de la energía primaria procedente de esa segunda fuente en forma de calor sea tanto más ineficiente cuanto mayor sea la temperatura requerida en fluido calorífero.

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención consiste en dotar a la central de un conjunto de sistemas que permite que el ciclo de gas sea regenerativo sin, por ello, perder temperatura en la parte más caliente de la caldera de recuperación de calor ni reducir la temperatura del vapor del fluido del ciclo de baja temperatura. En concreto, considerando que la central la constituyen un ciclo de gas y otro de vapor de tipo Rankine, la invención consiste en:

la división de la corriente de gases de escape de la turbina de gas en dos caudales, uno dirigido hacia un intercambiador regenerativo y otro dirigido a la caldera de recuperación de calor; la inclusión de un intercambiador regenerativo que precalienta el fluido de trabajo del ciclo de gas antes de su entrada a la cámara de combustión con parte de los gases de escape de la turbina. Por él circulan y están en contacto térmico todo el fluido de trabajo del ciclo de gas que se dirige a la cámara de combustión y solo parte del gas de escape que procede de la turbina de gas; la separación funcional de la caldera de recuperación de calor en dos cuerpos o partes diferenciadas: una de alta temperatura, que está constituida exclusivamente por sobrecalentadores y recalentadores que reciben calor de la otra parte de los gases de escape que provienen de la turbina, y otra parte o cuerpo de menor temperatura que alimenta de vapor al cuerpo de alta temperatura mencionado anteriormente y que está constituido por economizadores, evaporadores y sObrecalentadores, según los diseños habituales en este tipo de calderas, y que reciben calor de la totalidad de los gases de escape; la mezcla de los caudales del gas de escape de la turbina que provienen de la salida del intercambiador regenerativo y del cuerpo de alta temperatura de la caldera de recuperación de calor. La mezcla se introduce en el cuerpo de menor temperatura de la caldera por la zona más caliente de éste, que es en la zona de salida del vapor.

La invención incluye la adición a la central de un conjunto de válvulas de de corte o cierre y de regulación en los diversos ramales de los circuitos del gas entre los componentes antedichos, que en su posición natural estarán cerradas, abriéndose y controlándose cada una de ellas, individualmente, cuando reciba la orden electromagnética o mecánica correspondiente. Estas órdenes a válvulas concretas se dan en función de las condiciones de presión, temperatura y caudales másicos del fluido en los puntos relevantes, y en función de si se requiere o no la actuación del intercambiador regenerativo.

De esa forma, la turbina de gas puede trabajar según un ciclo regenerativo mientras la parte de alta temperatura de la caldera sigue estando en contacto con parte de los gases de escape a la temperatura de salida de la turbina. La energía que entra en esa parte de la caldera es menor en magnitud absoluta (por el menor gasto másico) si es comparada con el caso de un ciclo combinado convencional no regenerativo, pero igual en valor específico, cuya importancia a efectos termodinámicos es mayor. En efecto, con la ayuda de la figura 1 se comprende que se puede obtener la misma temperatura de vapor para caudales másicos del fluido que se calienta parecidos, ya que la capacidad calorífica del gas que cede calor en una caldera de recuperación convencional es mayor que la del fluido sobrecalentado en los diferentes niveles de presión de la caldera, por lo que puede reducirse el caudal másico de gas de escape de la turbina y, a pesar de eso, obtenerse la misma temperatura del vapor. Por otro lado, es conocido que es más favorable termodinámicamente incrementar el calor aportado en forma de una mayor temperatura que en forma de un mayor caudal (y viceversa).

En el caso de que se trate de una planta de ciclo combinado hibridada, cualquiera que sea la segunda fuente de energía, el sistema descrito se emplea para mantener prácticamente constante la producción de vapor en el ciclo de Rankine o de baja temperatura. El calor procedente de la segunda fuente de energía se introduce en el ciclo de baja temperatura, de forma que cuando el aporte es mayor, se deriva más caudal de gas de escape al regenerador, con el consecuente ahorro en combustible en la turbina de gas y manteniendo constante el calor aportado al líquido-vapor del ciclo de baja temperatura por la contribución de la segunda fuente. Por tanto, el aporte adicional de la segunda fuente se traduce en una reducción del consumo de combustible, como en el caso de la hibridación denominado como primero, pero realizando el aporte adicional en el ciclo de vapor, a menor temperatura, como en el caso segundo,

pero sin reducir el rendimiento de la planta, al quedar los ciclos prácticamente inalterados, y sin variar significativamente el caudal másico que circula por la turbina de vapor. El calor que suministra la segunda fuente es el mismo que el que se resta de la caldera de recuperación de calor al derivar mayor caudal al regenerador, y es el mismo que se deriva al regenerador para precalentar el fluido de trabajo del ciclo de gas.

La invención también puede aplicarse si el ciclo de vapor de baja temperatura no es de tipo Rankine, tanto si la central está hibridada como si no, siempre que existan intercambiadores destinados específicamente al cambio de fase del fluido de trabajo del ciclo de baja temperatura. Un ejemplo de estos serían los ciclos de tipo Kalina.

BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS

A continuación se describe de manera breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La figura 1 muestra un ejemplo de diagrama calor-temperatura (q-T) de la caldera de recuperación de calor de un ciclo combinado convencional. La figura 2 muestra, de forma esquemática, un ejemplo de realización de un sistema de regeneración parcial de turbinas de gas aplicada a un ciclo combinado con una única fuente de calor y la figura 3 muestra otro ejemplo aplicado a un ciclo combinado hibridado con otra fuente de calor.

Para facilitar la comprensión de las materializaciones preferentes de la invención, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma, que aparecen en las figuras:

1.: Turbina de gas. Sin que afecte a la invención, puede ser de ciclo simple, como en el ejemplo, o de ciclo compuesto con compresiones y refrigeraciones intermedias y/o con combustión secuencial. Pueden ser varias turbinas de gas si la configuración del ciclo combinado es de múltiples turbinas de gas y múltiples calderas de recuperación para un único ciclo de vapor.

2.: Admisión de la turbina de gas.

3.: Compresor de la turbina de gas. Para cada turbina de gas, puede ser uno si el ciclo es simple, como en el ejemplo, o varios si la compresión tiene refrigeraciones intermedias.

4.: Regenerador, que transfiere el calor de parte de los gases de escape al fluido de trabajo que se dirige a la cámara de combustión.

5.: Cámara de combustión de la turbina de gas. Para cada turbina de gas, pueden existir varias si la turbina de gas es de combustión secuencial, con recalentamientos intermedios entre las expansiones.

6.: Turbina de la turbina de gas. Para cada turbina de gas, puede ser una o varias si el ciclo es de combustión secuencial.

7.: Ramal que dirige parte del gas de escape de la turbina de gas (1) directamente a la caldera de recuperación (14) por su cuerpo o parte de alta temperatura (15).

8.: Ramal que dirige parte del gas de escape de la turbina de gas (1) hacia el regenerador (4).

9.: Válvula de regulación que conecta la salida de la turbina de gas (1) con el cuerpo de alta temperatura de la caldera (15).

10.: Válvula de regulación que conecta la salida de la turbina de gas (1) con el regenerador (4).

11.: Ramal de derivación que dirige el fluido del trabajo que sale del compresor (3) hacia la cámara de combustión (5), evitando el paso por el regenerador (4).

12.: Válvula de corte que conecta la salida del compresor (3) con el regenerador (4).

13.: Válvula de corte, de baipás, que conecta el compresor (3) con la cámara de combustión (5).

14.: Caldera de recuperación de calor.

15.: Cuerpo de alta temperatura de la caldera de recuperación de calor. Compuesto por sobrecalentadores y recalentadores de vapor, según los diseños habituales de las calderas de recuperación de calor.

16.: Cuerpo de menor temperatura de la caldera de recuperación de calor. Constituido por precalentadores, economizadores, evaporadores y

sObrecalentadores, según los diseños típicos de las calderas de recuperación de calor.

17.: Salida de gas del cuerpo de baja temperatura, desde donde los gases de escape se dirigen hacia la chimenea o las chimeneas si la instalación cuenta con varias.

18.: Ciclo de vapor. Semejante a los ciclos de vapor instalados en las centrales convencionales de ciclo combinado o a los de las centrales en las que el fluido de trabajo experimente cambios de fase.

19.: Generador eléctrico. Transforma la energía mecánica proporcionada por las turbinas en energía eléctrica. Puede haber uno o varios en función del número de ejes y del número de turbinas de gas.

20.: Conjunto de sistemas que constituyen la instalación de aprovechamiento térmico de una segunda fuente de energía y que transfieren la energía térmica al fluido de trabajo del ciclo de vapor.

Todos los elementos enumerados, excepto el ciclo de vapor (18) y la instalación secundaria de aporte térmico (20) se verían multiplicados en número si la configuración de la central incluye múltiples turbinas de gas para un solo ciclo de vapor.

DESCRIPCiÓN DE UNA REALIZACiÓN PREFERIDA DE LA INVENCiÓN

Se describe primero una realización preferida de la invención, aunque no única o limitativa, aplicada a una central convencional de ciclo combinado. Posteriormente se describe una variante, no limitativa, en la que se incluye el aporte de calor procedente de una segunda fuente térmica.

Como se ha señalado, la figura 1 muestra de diagrama calor-temperatura (q-T) de la caldera de recuperación de calor de un ciclo combinado convencional, particularizado, a modo de ejemplo, para el caso de un ciclo de vapor de un nivel de presión. Asimismo, en ella se indica cómo se modifica la curva de cesión de calor del gas al vapor que se calienta en la parte de alta temperatura de la caldera (en la zona de sobrecalentamiento) cuando se reduce el gasto másico de gas en dicha parte, tal y como sucede con la invención propuesta. Se puede observar que es posible obtener la misma temperatura del vapor con menor caudal de gases, al tiempo que se reducen las pérdidas exergéticas asociadas a la diferencia de temperaturas entre el fluido que cede calor y el que lo absorbe en esa zona, si bien es cierto que, por balance de energía, la producción de vapor será menor a no ser que haya un aporte extemo como puede ser el de un campo solar.

La figura 2 muestra un ejemplo de central de ciclo combinado con el sistema propuesto de regeneración parcial de la turbina de gas. La turbina de gas (1) puede ser una sola o pueden ser varias si se configura la central con múltiples turbinas de gas y múltiples calderas de recuperación para un ciclo de vapor. Asimismo, puede ser de ciclo simple o compuesto, con compresiones escalonadas y refrigeraciones intermedias y/o con expansiones escalonadas y recalentamientos intermedios conformando una turbina con combustión secuencial.

Durante la operación en modo de producción de la central, el fluido de trabajo del ciclo de gas, en la admisión (2), una vez filtrado y tras su paso por cualquier sistema que exista previo a la compresión, se introduce en el compresor (3) (o en el primer compresor si hay varios) para que obtenga la presión de trabajo deseada. A la salida del compresor, el fluido encuentra la válvula (13) cerrada, por lo que pasa a través de la válvula (12), completamente abierta, y se precalienta a su paso por el regenerador (4), recibiendo el calor que es cedido por una parte de los gases de escape de la turbina de gas (1). A la salida del regenerador (4), se introduce en la cámara de combustión (5) (o la primera cámara si la turbina es de combustión secuencial) hasta obtener una temperatura de consigna. Finalmente, el gas a alta presión y temperatura se expande en la turbina (6) (que serán varias o una dividida en varios cuerpos si se trata de una turbina de combustión secuencial) hasta una presión ligeramente mayor que la que reina a la salida de la caldera de recuperación de calor (14) (determinada por las pérdidas de carga aguas abajo de la turbina).

A la salida de la turbina (6) de la turbina de gas (1) se disponen dos ramales (7) y (8) que, gracias a la acción de las válvulas de regulación (9) y (10), dividen el flujo de gas de escape en dos caudales. Los ramales (7) y (8) dirigen, respectivamente, sendos caudales hacia la caldera de recuperación de calor (14) en la zona que se describe más adelante y hacia el regenerador (4). Para minimizar las pérdidas de carga, ambas válvulas se mantienen en la posición más abierta posible que satisface, a su vez, el reparto de caudal que se especifica posteriormente.

La parte de gas de escape de la turbina de gas (1) que se dirige a la caldera de recuperación de calor (14) por el ramal (7) entra en la caldera de recuperación (14) por el cuerpo de alta temperatura (15). En ella se aprovecha el calor sensible del gas para sobrecalentar el vapor de uno o de varios niveles de presión, así como para recalentar el vapor procedente de la turbina de vapor si la instalación, al margen de la invención, se ha diseñado de tal forma. La temperatura del gas a la entrada del cuerpo de alta temperatura (15) de la caldera (14) es, excepto por pequeñas pérdidas de calor, la misma que en el escape de la turbina de gas (1). Por tanto, la temperatura del vapor sobrecalentado o recalentado es similar a la de los diseños de ciclo combinado convencionales.

Por otro lado, la otra parte del caudal de gas se dirige al regenerador (4) por el ramal (8). El regenerador aprovecha el calor sensible del gas para precalentar el fluido de trabajo de la turbina de gas (1) que proviene del compresor (3), después de su paso por la válvula (12) y que se dirige a la cámara de combustión (5). La proporción de gas de escape que se deriva por este ramal (8) es aquella que asegura que las temperaturas del vapor en los distintos niveles de presión a la salida del cuerpo de alta temperatura de la caldera (15) alcanzan un valor de consigna, que es mayor que la temperatura del gas de escape de la turbina de gas (1) después de su paso por el regenerador (4). Para asegurar que la pérdida de carga es la mínima, al menos una de las válvulas (9) o (10) está completamente abierta y la otra en la posición que garantiza el caudal descrito antes.

Las corrientes de gas de escape que salen del cuerpo de alta temperatura (15) y del regenerador (4) se mezclan en la entrada al cuerpo de menor temperatura (16) de la caldera de recuperación de calor (14).

La totalidad del gas mezclado, que se introduce en el cuerpo de menor temperatura (16), cede calor al fluido del ciclo de baja temperatura en los distintos niveles de presión a su paso por los intercambiadores, que se disponen en orden descendiente de temperaturas según en el sentido de paso del gas de escape. El cuerpo de baja temperatura (16) alimenta de vapor al cuerpo de alta temperatura (15) de la caldera (14). A la salida de la caldera (17), el gas de escape de la turbina de gas se dirige hacia la chimenea o las chimeneas de la instalación, y al sistema de tratamiento de emisiones, de captura de CO2 o cualquier otro que exista sin que ello afecte a la invención.

Por su parte, el ciclo de vapor (18) o de baja temperatura no sufre ninguna alteración con respecto a los de los ciclos combinados convencionales o a los que se aplique la invención. La energía mecánica la producen las turbinas de gas y de vapor y se materializa en forma de par en un eje (o varios ejes) que rota. El generador eléctrico (19) (o generadores) se encarga de transformar la energía mecánica en eléctrica.

Durante los transitorios de arranque o ante emergencias, la válvula (12) está cerrada y la válvula (13) está abierta, por lo que el fluido proveniente del compresor (3) se dirige por el ramal de derivación (11) hacia la cámara de combustión (5). A su vez, la válvula (9) está totalmente abierta y la (10) totalmente cerrada, por lo que el gas de escape de la turbina de gas (1) pasa en su totalidad por el cuerpo de alta temperatura (15) de la caldera de recuperación de calor (14), no circulando ningún fluido por el regenerador (4).

En el caso de que se trate de una central de cido combinado hibridada con al menos una segunda fuente de energía, el sistema consta de una instalación (20) por cada fuente secundaria que aprovecha la energía primaria suministrada por dicha fuente para producir energía térmica, que transfiere al fluido del ciclo de vapor para contribuir a la producción de vapor en alguno de los niveles de presión de la caldera, preferentemente en el de mayor presión. La figura 3 esquematiza un ejemplo de dicha aplicación.

En el ejemplo, cuando la central opera en condiciones de producción, la instalación (20) recibe parte del líquido del ciclo de vapor (18) una vez que ha sido bombeado hasta la presión de trabajo. Aunque es posible cualquier punto para la toma de flujo, éste es el preferente en los casos en los que la conversión de la energía primaria de la fuente secundaria en energía térmica es tanto más ineficiente cuanto mayor es la temperatura requerida. El fluido que se calienta con la energía térmica que procede de la segunda fuente se introduce, preferentemente, en forma de vapor saturado en el calderín de la presión correspondiente.

El resto de la instalación trabaja de la forma que se ha descrito anteriormente, con la particularidad de que las válvulas (9) y (10) regulan el caudal másico que circula por los ramales (7) y (8) de forma que la potencia térmica que se cede en el regenerador (4) es la misma que cede la instalación

(20) al ciclo de baja temperatura. De esa forma, las condiciones de presión, temperatura y gasto másico del vapor generado, en cualquiera de los niveles, son prácticamente independientes de la contribución de la segunda fuente. Cuando la instalación (20) no aporta energía térmica, la central trabaja como un ciclo combinado convencional (o de la forma descrita anteriormente y ejemplarizada con la figura 2). Cuando aumenta el aporte de la segunda fuente, se deriva más caudal másico de gases al regenerador (4) por acción de las válvulas (9) y (10), reduciendo la cesión de calor de los gases de escape en la caldera (14) pero aprovechando el caudal derivado al regenerador (4) para ahorrar combustible en la turbina de gas (1). La menor cesión de calor de los

5 gases de escape queda suplida por el aporte térmico secundario.

En las situaciones de arranque o de emergencia, la central provista de dos o más fuentes de calor opera al igual que en el caso descrito para las centrales que operan con una sola fuente, con la diferencia de que la instalación

(20) sigue, en estos casos, el protocolo de actuación que se haya diseñado a tal 10 efecto.

Claims

REIVINDICACIONES

1 -Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, dispuesto o dispuestos un conjunto de ellos en una central de tipo ciclo combinado provista de una o varias turbinas de gas (1), de un ciclo de vapor (18) y, para cada turbina de gas, de un regenerador (4) para la turbina de gas y una caldera de recuperación de calor (14), y que está alimentado con una única fuente de calor, caracterizado por que, para cada turbina de gas (1) presente en la central:

-

comprende dos ramales (8) y (7), conectados al escape de la turbina de gas (1) que, gracias a la acción de las válvulas de regulación (10) y (9), dividen el flujo de gas de escape en dos caudales y los dirigen, respectivamente, hacia el regenerador (4) y hacia la caldera de recuperación de calor (14) en la zona que se describe posteriormente;

-

el regenerador (4) recoge solamente la parte de los gases de escape de la turbina de gas (1) que circula por el ramal (8) y aprovecha calor sensible de solo dicha parte del gas para precalentar el fluido de trabajo procedente de la compresión en la turbina de gas (3), después de su paso por la válvula (12), y que se dirige hacia la cámara de combustión (5),

-

la caldera de recuperación de calor (14) está dividida funcionalmente en dos zonas, una de alta temperatura (15), constituida exclusivamente por sobrecalentadores y recalentadores, que recoge solamente el caudal másico de gases de escape de la turbina de gas (1) que circula por el ramal (7) y que aprovecha el calor sensible de solo dicha parte del gas para sobrecalentar el vapor en distintos niveles de presión y recalentarlo en el caso de que el ciclo de vapor (18) sea con recalentamiento, y otra parte de menor temperatura (16), que alimenta de vapor al cuerpo de alta temperatura (16) y por la que circula la mezcla de las corrientes de gases de escape de la turbina de gas (1) que provienen, respectivamente, del regenerador (4) y del cuerpo de alta temperatura (15);

2-Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicación primera, caracterizado por que cuando la central opera en condiciones de producción, la válvula (12) está totalmente abierta y conduce el fluido de trabajo del ciclo de gas hacia el regenerador (4) y las válvulas de regulación (9) y (10) están posicionadas de forma que una de ellas está totalmente abierta y la otra en la posición en la que se dirige una proporción del caudal másico de gas de escape por el ramal (7), tal que las temperaturas del vapor sobrecalentado y recalentado de los distintos niveles de presión que salen del cuerpo de alta temperatura (15) alcanzan los valores de consigna, que son mayores que la temperatura del gas de escape de la turbina a la salida del regenerador (4).

3-Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicación primera, caracterizado por que contiene un ramal de derivación (11) que comunica el sistema de compresión (3) con la primera cámara de combustión (5) de la turbina de gas (1), en el que se incluye una válvula de de baipás (13).

4-Sistema de regeneración parcial en para turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en situaciones de arranque o emergencia, la válvula (12) está cerrada y la válvula (13) está abierta, por lo que el fluido proveniente del compresor (3) se dirige por el ramal de derivación (11) hacia la cámara de combustión (5), mientras que la válvula (9) está totalmente abierta y la (10) totalmente cerrada, por lo que se dirige todo el caudal másico de escape al cuerpo de alta temperatura (15) de la caldera de recuperación de calor (14).

5-Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicación primera, / dispuesto o dispuestos un conjunto de ellos en una central de tipo ciclo

'" combinado provista de una o varias turbinas de gas (1), un ciclo de vapor (18) y, para cada turbina de gas, de un regenerador (4) para la turbina de gas y una caldera de recuperación de calor (14), y que está alimentado al menos con dos fuentes de calor, caracterizado por que comprende al menos una instalación alimentada con una fuente secundaria de calor (20) que transforma la energía primaria de dicha fuente en energía térmica y la transfiere al fluido del ciclo de vapor, de forma que contribuye en la producción total de vapor generado.

6-Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicaciones primera y quinta, caracterizado por que cuando la central opera en condiciones de producción, la válvula (12) está totalmente abierta y dirige el fluido de trabajo del ciclo de gas hacia el regenerador (4) y las válvulas de regulación (9) y (10) están posicionadas de forma que una está totalmente abierta y la otra en la posición en la que se dirige una proporción del caudal másico de gas de escape por el ramal

(7) tal que:

-

el calor cedido en el regenerador (4) es igual a la energía térmica que procede de la segunda fuente de energía, que se transfiere al ciclo de vapor en la instalación (20);

-

las temperaturas del vapor sobrecalentado y recalentado de los distintos niveles de presión que salen del cuerpo de alta temperatura (15) alcanzan los valores de consigna.

7-Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicaciones primera, tercera y quinta, caracterizado por que en situaciones de arranque o emergencia, la válvula (12) está cerrada y la válvula (13) está abierta, por lo que el fluido proveniente del compresor (3) se dirige por el ramal de derivación (11) hacia la cámara de combustión (5), la válvula (9) está totalmente abierta y la (10) totalmente cerrada, por lo que se dirige todo el caudal másico de escape al cuerpo de alta temperatura (15) de la caldera de recuperación de calor (14), mientras que la instalación o las instalaciones (20) siguen el protocolo de arranque o emergencia que haya sido diseñado a tal efecto.

8-Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que incluye una pluralidad de válvulas de corte o cierre (12, 13) Y de regulación (9, 10) en los diversos ramales de los circuitos de conexión entre los componentes de compresión (3), de combustión (5) y de intercambio de calor (4, 14) Y de la turbina (6), estando cerradas todas las válvulas y abriéndose cada una de ellas, individualizadamente, cuando recibe la orden electromagnética o mecánica correspondiente, dándose estas órdenes a válvulas concretas (9, 10, 12, 13) en función de las condiciones funcionamiento de la central y de las temperatura en los diversos fluidos relevantes, de manera que mediante estas órdenes se configura el sistema en disposiciones estructurales y funcionales distintas, cumpliendo el objetivo propuesto.