ES2562719B1 - Ciclo combinado de turbina de aire húmero y ciclo orgánico de Rankine integrados para generación de energía eléctrica - Google Patents

Ciclo combinado de turbina de aire húmero y ciclo orgánico de Rankine integrados para generación de energía eléctrica Download PDF

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Abstract

El objeto de la invenci�n es un ciclo combinado compuesto por una turbina de aire h�medo (HAT) en cabeza y ciclos org�nicos de Rankine (ORC) en cola con una disposici�n que maximiza la recuperaci�n de calor de los gases de escape de la turbina. Para ello se integran ciclos ORC tanto en paralelo al flujo principal que evoluciona en el regenerador de la turbina de gas como en serie a continuaci�n de �ste. El ciclo de producci�n de potencia resultante es de aplicaci�n en rangos de potencia de generaci�n distribuida, con unos valores de eficiencia equiparables a los alcanzados en rangos de potencia de producci�n centralizada por encima del 50% de rendimiento y un menor coste que a otras opciones de generaci�n el�ctrica distribuida con rendimientos similares.

Description

Ciclo combinado de turbina de aire húmedo y ciclo orgánico de Ranklne Integrados para generación de energfa eléctrica
5
Sector de la técnica la invención se encuadra en el sector técnico de las tecno[og(as orientadas a la generación distribuida de energfa, más concretamente en el relativo a la generación en plantas de microturbina de gas y su integración con otras tecnologlas de generación.
10
Estado de la técnica Dentro de las tecnologfas orientadas a la generación distribuida se encuentra la generación en plantas de microturbina de gas. la conversión de este tipo de plantas para trabajar con un ciclo de aire húmedo (HAT) resulta fácil de ejecutar, ajustada en costes y conlleva un incremento en sus prestaciones.
15 20
Un ciclo HAT simple para producción de potencia a baja escala está basado en un ciclo simple regenerativo con compresor, cámara de combustión, turbina y regenerador, al que se añade un saturador entre el compresor y la cámara de combustión. Un segundo intercambiador o economizador se incluye para precalentar el agua de entrada al saturador antes de su inyección, a partir de la energfa contenida en la corriente de gases de salida de la turbina de gas (1].
2S
la principal ventaja de este ciclo para la generación a baja potencia, del orden de 100 kW, reside en el incremento del rendimiento y la potencia obtenidos en la microturbina al añadir la unidad de saturación. Su principio de operación facilita la recupera ción de calo r residual de baja temperatura, que no depende de la operación de trabajo del ciclo sino de las presiones parciales de vapor de agua en la corriente de aire. la corriente de agua drenada del saturador podría incluso utilizarse con aplicación de cogeneración (2] .
30
De entre las patentes relacionadas con el ciclo HAT destaca la linea de patentes desarrollada por Hitachi sobre diferentes aspectos del ciclo relacionados con el desarrollo de la cámara de combustión (3], [4] Y [5]. Se encuentran otras patentes relacionadas con el ciclo húmedo en la cual se condensa agua en el escape para usarla en el ciclo húmedo [6] y relacionadas con el ciclo húmedo de la turbina de gas y la ca ptura de dióxido de carbono [7].
Además de patentes relacionadas de manera indirecta con aplicaciones para refrigeración como el caso de la patente de General Electri, [8].
la factibilidad de estos ciclos ha sido estudiada en diversas aplicaciones V su integración con otras tecnologías de generación ha sido descrita en los últimos años. Desde su combinación con pila de combustible [91. con reactores qufmicos solares (lO). y con motores de combustión externa que queman biomasa (11).
Por otro lado una variante del ciclo de Rankine puede realizarse haciendo que el fluido que evolucione sea un fluido orgánico de elevado peso molecular en vez de vapor de agua,
encontrándonos en este caso ante un ciclo orgánico de Rankine (ORe). Estos ciclos presentan unas prestaciones superiores al ciclo de Rankine de vapor a media y baja temperatura. De ahí su interés en aplicaciones de baja y media temperatura con una adecuada selección del fluido de trabajo. [12]. (13]. Su integración con diversas tecnologías ha sido estudiada en diferentes aplicaciones: entre otras con biomasa [14]. motores de combustión interna alternativos [15], plantas de potencia solares [16], 117], microturbinas de gas o pilas de combustible 118].
Actualmente, la combinación en un único motor térmico de dos o más ciclos, en cada uno de los cuales puede llevarse a cabo un ciclo termodinámico distinto es una tendencia que tiene su máximo exponente en los ciclos combinados de gas y vapor, siendo éste el motor térmico de mayor rendimiento a nivel comercIal y gran potencia.
Uno de los aspectos más estudiados es la evaluación de las posibilidades de hibridación de sistemas ORe [19], [20]. así como la evaluación de los fluidos más adecuados para las distintas condiciones de la energía a recuperar 121].
En lo relativo a la hibridación del ciclo de aire húmedo de turbinas de gas, en los últimos años se han publicado articulas cientfficos que tratan su hibridación con otras tecnologías como pilas de combustible 122]. reactores químicos solares (23], sistemas de combustión externa con biomasa como combustible (24] o incluso para la captura de dióxido de carbono.
En los documentos de patentes PCT/US08/62361 y PCT/US07/22820 se proponen el uso de ciclos ORC para la generación eléctrica a partir de energía térmica procedente de recurso solar y geotérmico o con pila de combustible.
La patente quot;Power producction process with gas turbine frorn salid fuel and waste heat and the equipment for the performing of this process, [US2010/ 0199631]quot; hace referencia a ciclo combinado con turbina de gas de aire húmedo en cabeza y ciclo de ClausiusRankine en cola con altos rendimientos.
Sería por lo tanto deseable obtener la integración de ambos ciclos resultando un
rendimiento más elevado debido al adecuado acople de ambos ciclos y la optimización del
conjunto en cuanto a la recuperación de calor por el formato de intercambio de calor
resultante.
5 Para ello, la presente invención se centra en diferentes posibilidades de integración de una
Turbina de Gas de Aire Húmedo (HAT) como ciclo de ca beza acoplada co n uno Q varios ciclos
Orgánicos de Rankine (ORe) integrados como ciclo de cola.
Referencias
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Descripción detallada de la invención
la presente invención se refiere a un sistema de integración sencilla que mezcla
corrientes en diseños de microturbina de gas regenerativa existentes con un saturador
añadido (ciclo HAT) y uno/dos ciclos orgánicos de Rankine (ciclo ORe) en cola, con los
correspondientes intercambiadores : regenerador (R1) y economizador (R2) en el ciclo HAT y
dos intercambiadores (H y RE) en cada ciclo ORC, de tal manera que según la configuración de
integración y el fluido orgánico elegido, el rendimiento térmico del ciclo combinado alcanza
valores superiores al 52%.
Además, se propone en la invención la integración de un subsistema de enfriamiento
en el escape del conjunto basado en un sistema de enfriamiento mediante refrigerador de
absorción para conseguir la condensación de una fracción del agua contenida en los gases de
escape y recuperación parcial de la misma para su reutilización en el ciclo con la consiguiente
reducción del aporte de agua externo.
Se plantea una disposición de los intercambiado res de los sistemas HAT y ORe, donde
la corriente de salida de la microturbina de gas es dividida en dos corrientes paralelas, una
fracción evoluciona hacia el regenerador del ciclo HAT y el resto a un primer ciclo orgánico de Rankine de (ORCl). Según la configuración ambas corrientes pueden evolucionar por separado en paralelo o bien unirse después en la corriente de entrada a un segundo ciclo orgánico de Rankine (ORe2). la corriente de salida del ciclo ORe2, así como la corriente de salida del ciclo QRel en el caso que evolucione en paralelo, será parcialmente recuperada en el economizador para precalentar la corriente de agua de entrada al saturador. Según la configuración de parámetros en determinados casos puede ser interesante la incorporación de uno solo de los ciclos ORC indicados.
Con la turbina de gas de aire húmedo (HAT) como ciclo de cabeza, se consigue ceder calor para la regeneración y el precalentamiento de agua y con los ciclos ORC en cola se consigue recuperar parte de la energía de la corriente de salida de los gases de la microturbina para la producción adicional de energía eléctrica.
El fluido de trabajo de los ciclos ORe puede ser diferente y en función de su elección y de los parámetros del ciclo HAT, temperatura de entrada a la turbina, relación de compresión, el tren de intercambio tendrá una configuración que maximice el rendimiento del conjunto, maximizando el aprovechamiento del calor disponible en el escape al ajustar el intercambio de calor con los diferentes intercambiado res a los diferentes intervalos de temperatura: a elevada temperatura con el regenerador del ciclo HAT ya media/baja temperatura con los ciclos ORC y el economizador del ciclo HAT.
las caracterfsticas del fluido orgánico del ciclo ORC (baja presión de vapor y mayor peso molecular que el agua) permiten alcanzar valores de rendimiento más alto que el ciclo de vapor cuando se dispone de fuentes de baja/media temperatura. la mayoría son refrigerantes
o combustibles. Para esta aplicación se consideran preferentemente tolueno, benceno, isopentano, R245fa, dióxido de carbono, siloxanos, R134a, R1234y, aunque otros fluidos orgánicos pueden emplearse. El uso del regenerador en el ciclo ORC dependerá del fluido de trabajo siendo la condición económica que la diferencia de temperatura entre corrientes sea superior a 402C.
Los rendimientos máximos alcanzados superan el 52% de rendimiento global para parámetros alcanzados en microturbinas comerciales, relaciones de compresión de 3 y temperaturas de entrada a turbina de 10509(, siendo Tolueno el fluido de trabajo en el ciclo ORel y R245fa en el ciclo aRe2. La fracción del flujo óptimo de gases de salida de la turbina
S que se deriva al ciclo ORel es un 16%. Este valor que maximiza el rendimiento varía en función de las condiciones de operación y la configuración de los ciclos ORe.
Las ventajas que presenta esta nueva integración de ciclos son:
• A escala de pequeña y moderada potencia como la requerida para generación
10 distribuida, el sistema presenta un rendimiento 5010 levemente inferior al obtenido en las plantas de gran potencia existentes. Según el esquema de integración y el fluido orgánico elegido el rendimiento térmico del ciclo combinado funcionando con una microturbina de gas regenerativa supera el 52 %.
• Es un sistema sencillo de integrar añadiendo un saturador que mezcle corrientes a
15 diseños de microturbina existentes y Ciclos Orgánicos de Rankine con los correspondientes intercambiado res.
• Es un sistema económico que requiere una inversión relativamente baja comparado con otras tecnologías de generación distribuida.
• Es un sistema de generación de potencia de bajas emisiones de C02 debido al elevado 20 rendimiento y de NOx debido al uso de aire húmedo en la cámara de combustión.
Ejemplo de realización de la invendón
En la figura 1 se muestra la configuración considerada con dos ciclos ORC: ORCl en paralelo al regenerador de la turbina de gas Rl y recupera calor a media temperatura de una
25 fracción de los gases de escape; ORC2 en serie tras el regenerador R2 que recupera calor a baja temperatura antes de que la corriente de gases de escape entre en el economizador del ciclo HAT. Según los parámetros de operación de diseño pueden estar presentes en el diseño ambos ciclos ORCl y ORC2 o s610 uno de ellos.
El ciclo ORG puede emplear diferentes fluidos de trabajo, preferentemente tolueno, 30 benceno, isopentano, R245fa, dióxido de carbono, siloxanos, R134a, R1234y. la presente invención se ilustra adicionalmente mediante el siguiente ejemplo que no pretende ser limitativo del alcance de otras combinaciones y aplicaciones.
El flujo de gases de escape se divide justo a la salida de la turbina del ciclo HAll una fracción de gases evoluciona hacia el ciclo ORel operando con tolueno y [a salida del ciclo ORel y del regenerador Rl evolucionan hacia el ciclo ORe2 con R245fa como ciclo de trabajo.
Se tienen los siguientes parámetros de los ciclos:
5 Ciclo HAT
relación de compresión de 3 condiciones ambiente de 159 C V 1 bar rendimientos isentr6pico de turbina 0,87 rendimientos isentrópico de compresor 0,87
10 Temperatura de entrada a turbina 1050 2 C
Ciclo ORe rendimientos isentrópico de turbina 0,9
rendimientos isentrópico de bomba 0,85 15 Temperatura máxima de entrada a turbina 212!!e
la fracción de gases que lleva a un rendimiento más elevado está entre ellO V el 20% del total de los gases de escape V Se alcanza un rendimiento global (sin incluir accionamiento de auxiliares aparte de bomba de ciclo HAT) del 52%, con un rendimiento del ciclo HAT del 33%,
20 donde el 62% de la potencia del ciclo combinado es producida por el ciclo HAT.
Descripción de las figuras
Figura 1.-Configuración general con dos ciclos ORC En la figura se muestra el esquema general del ciclo con las dos ubicaciones del ciclo orgánico,
25 que pueden ser simultáneas o independientes según configuración. El esquema general incluye compresor, saturador, cámara de combustión, turbina así como un intercambiador de calor como regenerador (R1) en la turbina de gas que eleva la temperatura del aire húmedo antes de entrar en la cámara de combustión, un economizador (R2) que calienta el agua liquida antes de entrar en el saturador V dos ciclos ORC, uno para recuperación de calor a
30 media temperatura (ORC1) paralelo a Rl V otro para recuperación de calor a baja temperatura (ORC2) en serie tras R1 R1: Regenerador ORCl: Primer ciclo orgánico de Rankine media temperatura. Disposición en paralela a Rl ORC2: Segundo ciclo orgánico de Rankine baja temperatura. Disposición en serie Rl.
R2: Economizador
P1: Bomba de alimentación de agua al circuito del saturador Ml:Mezclador de corrientes salida saturador, aporte de agua
5 Figura 2. Configuración de ciclo ORe En la figura se muestra la configuración de los ciclos ORe con los siguientes elementos: P2: Bomba de circulación
H: Intercambiador del calor principal.
RE : regenerador del ciclo ORe 10 T: Turbina

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Ciclo combinado para generación de energía eléctrica ca racterizado por la integración de turbina de gas de aire húmedo, ciclo HAl, como ciclo de cabeza y ciclo orgánico de Rankine
    como ciclo de cola, con un elevado rendimiento para sistemas de generación de pequeña y
    mediana potencia.
  2. 2.
    Ciclo combinado para generación de energía eléctrica según reivindicación anterior, caracterizado por integrar en el escape del ciclo HAT la configuración de ciclo ORCl en paralelo a regenerador Rl, evolucionando una fracción de los gases de escape hacia ORCl maximizando el rendimiento del conjunto con recuperación de calor a media temperatura.
  3. 3.
    Ciclo combinado para generación de energfa eléctrica según reivindicación anterior, caracterizado por integrar en el escape del ciclo HAT la configuración de ciclo ORC2 en serie tras regenerador Rl, recuperando calor a baja temperatura, siendo opcional según parámetros de diseño de conjunto.
  4. 4.
    Ciclo combinado para generación de energía eléctrica según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los fluidos orgánicos de trabajo en el ciclo de cola, son refrigerantes
    o combustibles, preferentemente tolueno, benceno, isopentano, R245fa, dióxido de carbono, siloxanos, R134a, Rl234y.
  5. 5. Ciclo combinado para generación de energía eléctrica según reivindicaciones anteriores, caracterizado por la integración opcional de un subsistema de enfriamiento en el escape del conjunto basado en un sistema de enfriamiento mediante refrigerador de absorción para conseguir la condensación de una fracción del agua contenida en los gases de escape y recuperación parcial de la misma para su reutilización en el ciclo con la consiguiente reducción del aporte de agua externo.
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