ES2597161T3 - Procedimiento y dispositivo para prevenir el vaciado en una caldera de central solar de concentración de tipo torre - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para prevenir el vaciado en una caldera de central solar de concentración de tipo torre Download PDF

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Abstract

Procedimiento para generar un ciclo de vapor a una presión de más de 160 bares, de preferencia de aproximadamente 200 bares y a una temperatura de aproximadamente 600oC, por medio de un generador de vapor industrial, de potencia superior a los 100 MW, con un receptor solar (1) que admite un flujo solar incidente del orden de los 600 kW/m2, comprendiendo el indicado generador un evaporador (2) seguido de un sobrecalentador, un primer recipiente (4), llamado recipiente de separación, situado entre el evaporador (2) y el sobrecalentador, estando superpuesto verticalmente a un segundo recipiente (5), llamado recipiente de mezclado, estando el recipiente de separación (4) provisto de una salida (8) para enviar el vapor saturado hacia el sobrecalentador y estando el recipiente de mezclado (5) provisto de una entrada (7) para la entrada de agua de alimentación y estando conectado con un conducto (9) de retorno de agua hacia el evaporador (2), estando el indicado conducto (9) provisto de una bomba de circulación (3), estando el recipiente de separación (4) y el recipiente de mezclado (5) en comunicación por medio de al menos un conducto de conexión (6), comprendiendo el indicado procedimiento al menos las etapas sucesivas siguientes: - se genera una mezcla de agua-vapor en el evaporador (2) por transferencia de calor procedente del flujo solar incidente sobre el evaporador (2); - se separa la mezcla de agua-vapor en agua saturada y en vapor saturado en el recipiente de separación (4), teniendo el vapor saturado una presión comprendida entre los 160 y los 200 bares y una temperatura comprendida entre los 347 y los 366oC; - se inyecta el agua de alimentación en el recipiente mezclador (5) donde se mezcla con el agua saturada procedente del recipiente de separación (4), volviendo el agua mezclada seguidamente hacia el evaporador (2) por el conducto (9) de retorno provisto de la bomba de circulación (3), de forma que la temperatura del agua mezclada que entra en el evaporador (2) sea inferior a la temperatura del vapor saturado, en un valor comprendido entre los 5 y 15oC con el fin de cumplir los criterios de secado de la superficie interna del tubo del evaporador (2) para el indicado flujo solar incidente.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo para prevenir el vaciado en una caldera de central solar de concentracion de tipo torre. Objeto de la invencion
La presente invencion se refiere al ambito tecnico de las calderas de alta potencia, en particular para potencias que sobrepasan ampliamente los 100 MW, con una presion de vapor de cerca de 200 bares y una temperatura de vapor de cerca de 600oC.
En particular, la invencion se refiere al ambito de las centrales solares de concentracion, con ciclo de vapor simple, que comprenden un receptor solar que solo presenta un evaporador y un sobrecalentador (sin recalentador).
Antecedente tecnologico y estado de la tecnica
Se conoce la central solar de concentracion del tipo torre, en la cual la radiacion solar es reflejada por una serie de espejos, llamados heliostatos, hacia un receptor solar central que transforma la energfa de la radiacion solar en un fluido caliente que podra ser utilizado para la produccion de electricidad.
Los heliostatos estan provistos de dos mecanismos de rotacion que permiten hacer el seguimiento del sol y reenviar siempre el flujo solar hacia un punto dado, sea cual fuere la hora del dfa y la estacion en curso.
El receptor solar esta instalado en la parte superior de una torre con el fin de recibir la radiacion solar de todos los heliostatos sin que un heliostato dado estorbe la reflexion de flujo de un heliostato proximo.
El fluido caliente generado en el receptor solar puede ser vapor a presion elevada y alta temperatura generada a partir de agua de alimentacion. El vapor puede entonces ser utilizado directamente en una turbina de vapor que acciona un generador de electricidad.
Una central solar de este tipo tiene un coste de instalacion relativamente elevado y todas las soluciones son consideradas con el fin de reducir este coste.
Entre las soluciones consideradas, el aumento de potencia es un factor importante por efecto de escala.
Otra solucion es el aumento del rendimiento de ciclo: cuando el rendimiento aumenta, el numero de heliostatos puede reducirse para una misma potencia de salida, y por consiguiente la altura de la torre reducida y asf sucesivamente. El rendimiento de un ciclo de vapor aumenta cuando la presion del ciclo y la temperatura de vapor aumentan.
Las potencias hoy en dfa consideradas sobrepasan muy ampliamente los 100 MW, con una presion de vapor de cerca de 200 bares y una temperatura de vapor de cerca de 600oC. Con estos niveles de rendimientos, el receptor solar puede comprender solamente un evaporador y un sobrecalentador: el recalentamiento puede por consiguiente ventajosamente ser evitado y por lo tanto sus costes asociados.
El receptor solar esta constituido por paredes de tubos que reciben los flujos solares de los heliostatos y que transmiten el calor al agua y/o al vapor contenido en los tubos. Dos intercambiadores distintos forman el receptor solar: el evaporador, que transforma el agua de alimentacion en vapor saturado y el sobrecalentador, que aumenta la temperatura del vapor saturado hasta el valor deseado.
Entre los dos intercambiadores se encuentra el recipiente, un deposito muy importante de una caldera. El recipiente alimenta el evaporador con su agua, por medio de un sistema de bombeo. En efecto, a estas elevadas presiones, una circulacion natural ya no es posible, siendo la diferencia de densidad entre el agua y el vapor demasiado baja. Es preciso ademas asegurar un porcentaje de circulacion suficiente con el fin de evitar el ensuciamiento del evaporador por las sales contenidas en el agua pero tambien con el fin de evitar el secado de la superficie interna del tubo.
El secado de la superficie interna del tubo (Dry-out) es tambien un dato importante de un evaporador: si se produce, el coeficiente de intercambio entre el agua o la mezcla de agua-vapor y los tubos disminuye brutalmente, el tubo ya no esta refrigerado y no puede ya evacuar el calor recibido en forma de radiacion. Un sobrecalentamiento se produce, que puede conducir a la destruccion del tubo. El efecto existe igualmente segun algunos regfmenes de evaporacion llamados DNB (Departure from nucleate boiling).
El recipiente recibe el agua de alimentacion con un caudal igual al caudal del vapor producido por el evaporador y que es exportado a la salida del recipiente. El agua de alimentacion entrante se mezcla con el agua saturada contenida en el recipiente.
El recipiente separa el agua del vapor procedente del evaporador: el agua recircula hacia el evaporador y el vapor es exportado, despues del secado en el equipo previsto a este efecto en el interior del recipiente.
En la configuracion descrita mas arriba, el agua enviada hacia el evaporador por medio del sistema de circulacion se encuentra a la temperatura de saturacion. La evaluacion de los flujos cnticos maximos admisibles conduce a una dificultad mayor respecto al secado (Dry-Out/DNB) debido a la presion muy elevada.
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Se encuentra una disposicion de caldera con dos recipientes conectados uno con el otro, por ejemplo superpuestos, en un cierto numero de patentes, a veces muy antiguas, por los motivos precisados en estos documentos.
Por ejemplo:
- en el generador de vapor de FR 678.909, facilitar la separacion agua/vapor con el fin de exportar un vapor seco. Esta preocupacion se encuentra tambien en el documento DE 285.489;
- en la caldera de tubos de doble recipiente del documento GB 529.444, presentar mejores caractensticas de circulacion;
- en el generador de vapor con recuperacion de calor de WO 2012/148656 A1, reducir el diametro y por consiguiente el espesor del recipiente, y aumentar la flexibilidad de funcionamiento (tiempo de arranque mas corto, temperatura de funcionamiento del evaporador alcanzada mas rapidamente);
- en el generador de vapor con recuperacion de calor de WO 2012/129195 A2, reducir igualmente el diametro y por consiguiente el espesor del recipiente, y consecuentemente el gradiente de temperatura a traves de su pared en el arranque, el cual aumenta la fatiga termica sobre el recipiente y a su vez provoca un desgaste de este en forma de fisuras. La reduccion de espesor del recipiente permite tambien reducir el corte de fabricacion. Estas preocupaciones se encuentran igualmente en el documento EP 1.526.331 A1.
El documento US 2010/0236239 A1 describe un procedimiento y un generador para producir vapor para una central electrica de turbina que utiliza la radiacion solar. Este ultimo esta dirigido a un receptor solar. El receptor solar comprende una primera seccion, que presenta una entrada de agua de alimentacion y esta dispuesto para calentar esta agua de alimentacion a la entrada con miras a generar el vapor utilizando la radiacion solar dirigida. El agua de alimentacion fluye a traves de un recipiente de agua de alimentacion para servir de entrada de agua de alimentacion a la entrada de la primera seccion del receptor. El agua es separada del vapor en un recipiente de separacion de vapor, que se encuentra en comunicacion flmdica con una salida de la primera seccion del receptor. La entrada de agua de alimentacion puede ser precalentada de forma selectiva por una fuente de precalentamiento distinta de la energfa solar, particularmente por precalentamiento electrico, en respuesta a las condiciones de funcionamiento del sistema, en los horarios de sol o en la tarifa horaria de la energfa electrica. Una bomba de recirculacion forzada permite al fluido atravesar el precalentador. El flujo solar incidente sobre el receptor solar se encuentra como maximo en el intervalo de 130-230 kW/m2 en el modo solar maximo. Ademas, la temperatura alcanzada por el vapor sobrecalentado es de 540-560oC, a una presion que se encuentra dentro del intervalo de los 100-140 bares. Estas condiciones de funcionamiento son demasiado bajas para que aparezca el fenomeno de secado de los tubos de generacion de vapor. Este documento no indica solucion alguna en el caso en que el generador de vapor deba hacer frente a las dificultades relacionadas con la presion muy alta (de 180 bares a mas de 200 bares).
En ningun caso se hace mencion al problema del secado (Dry-Out/DNB). En todos los casos representados, las calderas objeto de estas patentes operan en efecto en presion mucho mas baja y con flujos termicos mucho mas bajos que en el caso representado en la presente invencion, y por consiguiente sin ningun riesgo de secado.
Fines de la invencion
La presente invencion tiene por objeto proponer una solucion que permita salvar los problemas de secado y de sobrecalentamiento susceptibles de producirse en los evaporadores de calderas a alta presion.
En particular, la invencion trata de prevenir estos problemas en el caso de las calderas para centrales solares de concentracion.
La invencion trata igualmente de proporcionar una caldera para altas presiones y temperaturas con una flexibilidad de funcionamiento mejorada y un coste reducido.
La invencion trata tambien de proporcionar una caldera de doble recipiente que presente una utilizacion y una disposicion originales.
Principales elementos caracteristicos de la invencion
Un primer aspecto de la presente invencion se refiere a un procedimiento para generar vapor a alta presion es decir a una presion de mas de 160 bares, de preferencia de 200 bares aproximadamente y a alta temperatura, es decir a una temperatura de aproximadamente los 600oC en el sobrecalentador, por medio de un generador de vapor industrial de receptor solar que admite un flujo incidente del orden de los 600 kW/m2, segun la reivindicacion 1. El indicado generador tiene una potencia superior a los 100 MW. Comprende un evaporador seguido de un sobrecalentador, un primer recipiente, llamado recipiente de separacion, situado entre el evaporador y el sobrecalentador, estando superpuesto verticalmente a un segundo recipiente, llamado recipiente de mezcla, estando el recipiente de separacion provisto de una salida para enviar vapor saturado hacia el sobrecalentador y estando el recipiente de mezcla provisto de una entrada para la llegada de agua de alimentacion y estando conectado con un conducto de retorno de agua hacia el evaporador, estando el indicado conducto provisto de una bomba de circulacion, estando el recipiente de separacion y el recipiente de mezcla en comunicacion por medio de al menos un conducto de conexion. El indicado procedimiento comprende al menos las etapas sucesivas siguientes:
- se genera una mezcla de agua-vapor en el evaporador por transferencia de calor procedente del flujo solar incidente sobre el evaporador;
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- se separa la mezcla de agua-vapor en agua saturada y en vapor saturado en el recipiente de separacion, presentando el vapor saturado una presion comprendida entre los 160 y 200 bares y una temperatura comprendida entre los 347 y los 366oC:
- se inyecta el agua de alimentacion en el recipiente mezclador donde se mezcla con el agua saturada procedente del recipiente de separacion, volviendo seguidamente el agua mezclada hacia el evaporador por el conducto de retorno provisto de la bomba de circulacion,
de forma que la temperatura del agua mezclada que entra en el evaporador sea inferior a la temperatura de vapor saturada, en un valor comprendido entre 5 y 15oC.
Segun una forma de realizacion preferida de la invencion, la temperatura del agua mezclada que entra en el evaporador es inferior a la temperatura de vapor saturada, en un valor comprendido entre 5 y 10oC.
Un segundo aspecto de la presente invencion se refiere a un generador segun la reivindicacion 3. Se trata de un generador de vapor industrial de receptor solar que admite un flujo solar incidente del orden de los 600 kW/m2, siendo el indicado generador de potencia superior a los 100 MW, con ciclo de vapor simple, en circulacion asistida a una presion de mas de 160 bares, de preferencia mas de 180 bares y de preferencia aun de aproximadamente 200 bares y a una temperatura de aproximadamente los 600oC en el sobrecalentador, que comprende:
- un receptor solar en forma de un evaporador para la generacion de una mezcla de agua-vapor, seguida de un sobrecalentador para el aumento de temperatura del vapor saturado,
- un primer recipiente, llamado recipiente de separacion, situado entre el evaporador y el sobrecalentador, para la separacion del vapor saturado y del agua saturada, estando el recipiente de separacion provisto de una salida para enviar el vapor saturado a una temperatura comprendida entre los 347 y los 366oC al sobrecalentador,
- un segundo recipiente, llamado recipiente de mezcla, al cual el recipiente de separacion esta superpuesto verticalmente, estando el recipiente de mezcla provisto de una entrada para la llegada de agua de alimentacion a una temperatura sustancialmente inferior a la temperatura del agua saturada y estando conectado con un conducto de retorno de agua hacia el evaporador, estando el indicado conducto provisto de una bomba de circulacion, estando el recipiente de separacion y el recipiente de mezcla en comunicacion por medio de al menos un conducto de conexion, con el fin de mezclar el agua saturada procedente del recipiente de separacion con el agua de alimentacion inyectada en el recipiente de mezcla, de forma que el agua asf mezclada enviada a la entrada del evaporador sea sub-refrigerada, es decir a una temperatura inferior de algunos grados a la temperatura de vapor saturado.
Breve descripcion de las figuras
La figura 1 representa esquematicamente el receptor solar de generacion de vapor directa segun la presente invencion.
Descripcion de formas de realizacion preferidas de la invencion
La presente invencion propone un procedimiento para prevenir el secado (o dry-out) en una caldera para central solar de concentracion.
El generador de vapor utilizado en la presente invencion permite generar un ciclo de vapor simple a alta presion (aproximadamente 200 bares) y alta temperatura (aproximadamente 600oC en el sobrecalentador). La instalacion tomada por ejemplo aqu proporciona una potencia tfpica de 250 MW.
El circuito 1 comprende un evaporador 2, una bomba de circulacion 3, un primer recipiente 4, llamado recipiente separador de agua/vapor provisto de una salida 8 para exportar vapor saturado, un segundo recipiente 5, llamado recipiente de mezclado provisto de una entrada de agua de alimentacion 7. El primer recipiente 4 y el segundo recipiente 5 estan superpuestos verticalmente e interconectados por uno o varios tubos de conexion 6, que permiten la circulacion del agua saturada del recipiente superior 4 al recipiente inferior 5. El vapor saturado es en su salida del recipiente separador 4 enviado seguidamente a un sobrecalentador donde es sobrecalentado a 600oC antes de ser enviado a una turbina. El vapor descomprimido y refrigerado se transforma seguidamente en agua en el condensador (no representado). Este agua es seguidamente reenviada, por medio del recipiente de mezcla 5, hacia el evaporador 2 por la bomba de circulacion 3, lo cual termina el ciclo.
El evaporador comprende por ejemplo, en el caso de una central solar de concentracion de tipo torre (CSP Tower) uno o varios intercambiadores de calor aptos para transferir la energfa del flujo solar incidente, reflejada por los heliostatos, hacia el agua de la caldera con miras a la produccion de vapor.
Sucede que utilizando un solo recipiente para la generacion de vapor saturado, los calculos teoricos, teniendo en cuenta criterios de secado dry-out y DBN, muestran que un flujo termico admisible en los intercambiadores del evaporador sena muy bajo. Ahora bien, para este tipo de instalacion, se debe poder admitir un flujo solar incidente por ejemplo del orden de los 600 kW/m2.
El inventor ha descubierto que, para poder admitir dicho flujo incidente, es indispensable refrigerar el agua de circulacion solamente algunos grados, tfpicamente de 5 a 10 grados.
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Por ejemplo, para un vapor saturado de salida a una presion de 195 bares y una temperatura de 364oC, la temperatura del agua de circulacion debena ser de 359oC en lugar de 364oC para cumplir con los criterios de dry- out/DNB. Este sub-enfriamiento del agua permite obtener un porcentaje de circulacion real del orden de los 10 en lugar de los 6, valor sin sub-enfriamiento, y cumplir con el criterio de dry-out.
Segun la presente invencion, el sub-enfriamiento adecuado del agua de circulacion se realiza gracias a una configuracion de dos recipientes: el recipiente superior 4 que recibe la mezcla de agua-vapor procedente del evaporador y exporta el vapor despues del secado y el recipiente inferior 5, que recibe el agua de alimentacion y envfa esta agua, mezclada con el agua saturada procedente del recipiente superior 4, hacia el sistema de circulacion.
El agua inyectada en el recipiente de mezcla (220 a 290oC en el ejemplo indicado mas arriba) esta mas fna que el agua de saturacion (364oC en el ejemplo indicado mas arriba) y la mezcla de las dos proporciona un agua ligeramente sub-enfriada, que cumple con los criterios de secado (Dry-out - DNB).
La utilizacion de un segundo recipiente, para mezclar el agua saturada con el agua de alimentacion, permite obtener el sub-enfriamiento del agua algunos grados necesario (359oC en lugar de los 364oC aproximadamente) y por consiguiente aumentar el porcentaje de circulacion (10 en nominal, calculado segun la entalpia) para un flujo solar incidente de aproximadamente los 600 kW/m2
Lista de los simbolos de referencia
1 circuito de caldera
2 evaporador
3 bomba de circulacion
4 recipiente separador de agua/vapor
5 recipiente mezclador
6 conducto de conexion
7 entrada de agua de alimentacion
8 salida de vapor saturado
9 conducto de retorno de agua.

Claims (3)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para generar un ciclo de vapor a una presion de mas de 160 bares, de preferencia de aproximadamente 200 bares y a una temperatura de aproximadamente 600oC, por medio de un generador de vapor industrial, de potencia superior a los 100 MW, con un receptor solar (1) que admite un flujo solar incidente del orden de los 600 kW/m2, comprendiendo el indicado generador un evaporador (2) seguido de un sobrecalentador, un primer recipiente (4), llamado recipiente de separacion, situado entre el evaporador (2) y el sobrecalentador, estando superpuesto verticalmente a un segundo recipiente (5), llamado recipiente de mezclado, estando el recipiente de separacion (4) provisto de una salida (8) para enviar el vapor saturado hacia el sobrecalentador y estando el recipiente de mezclado (5) provisto de una entrada (7) para la entrada de agua de alimentacion y estando conectado con un conducto (9) de retorno de agua hacia el evaporador (2), estando el indicado conducto (9) provisto de una bomba de circulacion (3), estando el recipiente de separacion (4) y el recipiente de mezclado (5) en comunicacion por medio de al menos un conducto de conexion (6), comprendiendo el indicado procedimiento al menos las etapas sucesivas siguientes:
    - se genera una mezcla de agua-vapor en el evaporador (2) por transferencia de calor procedente del flujo solar incidente sobre el evaporador (2);
    - se separa la mezcla de agua-vapor en agua saturada y en vapor saturado en el recipiente de separacion (4), teniendo el vapor saturado una presion comprendida entre los 160 y los 200 bares y una temperatura comprendida entre los 347 y los 366oC;
    - se inyecta el agua de alimentacion en el recipiente mezclador (5) donde se mezcla con el agua saturada procedente del recipiente de separacion (4), volviendo el agua mezclada seguidamente hacia el evaporador (2) por el conducto (9) de retorno provisto de la bomba de circulacion (3),
    de forma que la temperatura del agua mezclada que entra en el evaporador (2) sea inferior a la temperatura del vapor saturado, en un valor comprendido entre los 5 y 15oC con el fin de cumplir los criterios de secado de la superficie interna del tubo del evaporador (2) para el indicado flujo solar incidente.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la temperatura del agua mezclada que entra en el evaporador (2) es inferior a la temperatura de vapor saturado, en un valor comprendido entre 5 y 10oC.
  3. 3. Generador de vapor industrial con receptor solar que admite un flujo solar incidente del orden de los 600 kW/m2 siendo el indicado generador de potencia superior a 100 MW, con ciclo de vapor simple, en circulacion asistida, a una presion de mas de 160 bares, de preferencia de aproximadamente 200 bares y a una temperatura de aproximadamente los 600oC, que comprende:
    - un receptor solar (1) en forma de un evaporador (2) para la generacion de una mezcla de agua-vapor, seguido de un sobrecalentador para el aumento de temperatura del vapor saturado,
    - un primer recipiente (4) , llamado recipiente de separacion, situado entre el evaporador (2) y el sobrecalentador, para la separacion del vapor saturado y del agua saturada, estando el recipiente de separacion (4) provisto de una salida (8) para enviar el vapor saturado a una temperatura comprendida entre los 347 y los 366oC hacia el sobrecalentador,
    - un segundo recipiente (5), llamado recipiente de mezcla, al cual el recipiente de separacion (4) esta superpuesto verticalmente, estando el recipiente de mezclado (5) provisto de una entrada (7) para la llegada de agua de alimentacion a una temperatura sustancialmente inferior a la temperatura del agua saturada y estando conectado con un conducto (9) de retorno de agua hacia el evaporador (2), estando el indicado conducto (9) provisto de una bomba de circulacion (3), estando el recipiente de separacion (4) y el recipiente de mezclado (5) en comunicacion por medio de al menos un conducto de conexion (6), con el fin de mezclar el agua saturada procedente del recipiente de separacion (4) con el agua de alimentacion inyectada en el recipiente de mezclado (5), de forma que el agua asf mezclada enviada a la entrada del evaporador (2) sea sub-enfriada, es decir a una temperatura inferior a un valor comprendido entre 5 y 15oC a la temperatura de vapor saturado con el fin de cumplir los criterios de secado de la superficie interna del tubo del evaporador (2) para el indicado flujo solar incidente.
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