ES2609260T3 - Instalación de turbinas de gas y de vapor - Google Patents

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Abstract

Instalación (1) de turbinas de gas y de vapor con un dispositivo (16) de precalentamiento de combustible dispuesto aguas arriba de los quemadores de la turbina (2) de gas y con un generador (20) de vapor de recuperación de calor dispuesto aguas abajo de la turbina (2) de gas en el lado de gas de combustión, cuyas superficies (22) de calentamiento están conectadas al circuito de agua-vapor de la turbina de vapor, comprendiendo la turbina de vapor un número de fases de presión, caracterizada porque un conducto (60) de vapor conecta una salida de vapor que se encuentra entre dos fases de presión con un tambor (54) de vapor asociado al dispositivo (16) de precalentamiento de combustible.

Description

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DESCRIPCION
Instalacion de turbinas de gas y de vapor
La invencion se refiere a una instalacion de turbinas de gas y de vapor con un dispositivo de precalentamiento de combustible dispuesto aguas arriba de los quemadores de la turbina de gas y con un generador de vapor de recuperacion de calor dispuesto aguas abajo de la turbina de gas en el lado de gas de combustion, cuyas superficies de calentamiento estan conectadas al circuito de agua-vapor de la turbina de vapor, comprendiendo la turbina de vapor un numero de fases de presion. Se refiere adicionalmente a un procedimiento para poner en marcha una instalacion de turbinas de gas y de vapor de este tipo.
Una instalacion de turbinas de gas y de vapor de este tipo se da a conocer, por ejemplo, en el documento WO99/40306 A.
Las instalaciones de turbinas de gas y de vapor (instalaciones de ciclo combinado) sirven principalmente para la produccion de electricidad. A este respecto una instalacion de ciclo combinado moderna comprende habitualmente de una a cuatro turbinas de gas y al menos una turbina de vapor, o bien accionando cada turbina en cada caso un generador (instalacion de multiples arboles) o bien accionando una turbina de gas con la turbina de vapor sobre un arbol comun un unico generador (instalacion de un solo arbol). Los gases de escape calientes de la turbina de gas se usan a este respecto en un generador de vapor de recuperacion de calor para generar vapor de agua. El vapor se suministra a continuacion a la turbina de vapor. De manera habitual, aproximadamente dos tercios de la potencia electrica corresponden a la turbina de gas y un tercio al proceso de vapor.
Las potencias de las instalaciones de ciclo combinado habituales se encuentran en el intervalo de entre por ejemplo 80 MW y 830 MW por unidad de turbina de gas/turbina de vapor, pudiendo consistir una instalacion de central de energla en varias unidades. En comparacion con esto, un bloque de una central de energla nuclear tiene habitualmente una potencia de entre 500 MW y 1.500 MW.
Una instalacion de ciclo combinado se caracteriza en particular por un rendimiento extremadamente alto. Esto resulta del hecho de que el calor del gas de escape que sale de la turbina de gas no se desecha, sino que se aprovecha para la produccion de energla adicional. En instalaciones de ciclo combinado modernas se implementan ademas posibilidades adicionales para aumentar el rendimiento:
Para aumentar el rendimiento de la turbina de gas de la instalacion de ciclo combinado se aumenta por ejemplo la temperatura del combustible antes del suministro a la turbina de gas por medio del denominado precalentamiento de combustible. Para ello se aprovecha el gas de escape del generador de vapor de recuperacion de calor de la instalacion de ciclo combinado, que tiene una temperatura suficiente para este proposito. El precalentamiento de combustible aumenta el contenido energetico del combustible y permite de ese modo un aprovechamiento mas eficaz de la fuente de energla primaria.
Para aumentar el rendimiento de la turbina de vapor de la instalacion de ciclo combinado esta comprende habitualmente varias fases de presion, que estan disenadas para diferentes presiones de vapor. El vapor sobrecalentado en el generador de vapor de recuperacion de calor se gula de vuelta a este respecto tras reducir su presion en la fase de alta presion de la turbina de vapor de nuevo al generador de vapor de recuperacion de calor y se sobrecalienta otra vez. Este vapor se suministra entonces a las fases de presion dispuestas aguas abajo. Este denominado sobrecalentamiento intermedio aumenta el rendimiento de la turbina de vapor a traves de la temperatura media mayor del suministro de calor. Por lo demas, con ello se evita la erosion en las ultimas paletas en la parte de baja presion de la turbina de vapor como consecuencia de una humedad en forma de vapor demasiado alta.
En teorla es concebible un gran numero de fases de presion en una turbina de vapor, sin embargo el coste de inversion adicional es entonces demasiado alto en comparacion con la mejora de la tecnica termica. Actualmente, una instalacion de ciclo combinado con tres fases de presion en la turbina de vapor y un unico sobrecalentamiento intermedio representa el optimo economico.
Debido a su flexibilidad, en particular la posibilidad de la rapida puesta en marcha, las instalaciones de ciclo combinado modernas se usan a menudo para el abastecimiento de la alta demanda de potencia que se produce durante poco tiempo en la red electrica, la denominada carga de pico. Esto conduce a operaciones de puesta en marcha comparativamente frecuentes en instalaciones de ciclo combinado. Durante la puesta en marcha de turbinas de vapor con sobrecalentamiento intermedio resulta problematico que, en el caso de potencias de turbinas de vapor reducidas, las temperaturas que se generan a este respecto en la salida de la fase de alta presion de la turbina de vapor son comparativamente altas. Esto resulta de la perdida de energla reducida del vapor en la fase de alta presion de la turbina de vapor que durante la operation de puesta en marcha funciona con numeros de revoluciones por debajo de la frecuencia de la red electrica de 50 Hz o 60 Hz.
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Una solucion conocida para este problema es, por ejemplo, un conducto de vapor, que elimina el vapor de escape de alta presion del sistema y lo transmite al condensador conectado a la turbina de vapor para la recuperacion de agua de alimentacion. De este modo puede reducirse la presion despues de la fase de alta presion de la turbina de vapor y por consiguiente reducirse la temperatura. Sin embargo, con este modo de proceder, la energla contenida en el vapor se desecha sin aprovecharla, lo que va en contra del proposito de diseno de las instalaciones de ciclo combinado de hoy en dla, concretamente conseguir un rendimiento especialmente alto.
Por tanto, la invencion se basa en el objetivo de indicar una instalacion de turbinas de gas y de vapor del tipo mencionado anteriormente, que con una flexibilidad operativa especialmente alta alcance un rendimiento especialmente alto en el proceso de puesta en marcha. Ademas pretende indicarse un procedimiento especialmente eficaz para poner en marcha una instalacion de turbinas de gas y de vapor de este tipo.
Con respecto a la instalacion de turbinas de gas y de vapor, este objetivo se alcanza segun la invencion al conectar, un conducto de vapor, una salida de vapor que se encuentra entre dos fases de presion con un tambor de vapor asociado al dispositivo de precalentamiento de combustible.
A este respecto, la invencion parte de la consideracion de que podrla alcanzarse un rendimiento especialmente alto durante el proceso de puesta en marcha de la instalacion de ciclo combinado, si el vapor de alta presion que se produce durante el proceso de puesta en marcha de la instalacion de ciclo combinado no se desecha simplemente en la salida de la fase de alta presion de la turbina de vapor, sino que pudiera aprovecharse de alguna forma para la produccion de energla. A este respecto se tiene en cuenta basicamente un aprovechamiento en el proceso o bien de turbina de gas o bien de turbina de vapor. Dado que a la turbina de gas le corresponde una mayor proporcion de la potencia de la instalacion de ciclo combinado completa que a la turbina de vapor, puede conseguirse un aumento especialmente eficaz del rendimiento en particular en la zona de la turbina de gas.
Cuanto mayor sea el rendimiento de partida de la turbina de gas, mayor debera ser el aumento de rendimiento que pueda conseguirse mediante medidas dispuestas aguas abajo. Por tanto, mediante un aumento de la temperatura de combustible antes de la combustion, que representa la primera medida a nivel de proceso de ciclo combinado para aumentar el rendimiento, mediante efectos secundarios puede conseguirse un aumento especialmente alto de la eficiencia energetica.
El vapor de alta presion que se produce durante el proceso de puesta en marcha esta demasiado caliente para la transmision a componentes de turbinas de vapor posteriores y se encuentra a una presion demasiado alta y por tanto tiene que evacuarse. Sin embargo, los parametros de vapor son tales, que este vapor puede aprovecharse sin un sobrecalentamiento intermedio adicional para el precalentamiento de combustible. Esto puede conseguirse al conectar, un conducto de vapor, una salida de vapor que se encuentra entre dos fases de presion con un tambor de vapor asociado al dispositivo de precalentamiento de combustible.
En una configuracion ventajosa, el conducto de vapor conecta la salida de vapor que se encuentra despues de la primera fase de presion, que se encuentra a la presion mas alta, con una entrada de vapor de un tambor de vapor asociado al dispositivo de precalentamiento de combustible. En el caso de las turbinas de vapor habituales hoy en dla, que comprenden tres fases de presion diferentes, en particular el vapor que se produce en la salida de la fase de alta presion durante el proceso de puesta en marcha esta demasiado caliente y se encuentra a una presion demasiado alta, para poder introducirse en la fase de presion media. Por tanto, en particular en este caso esta previsto un orificio de descarga, a traves del que puede evacuarse el vapor y por consiguiente pueden reducirse la presion y la temperatura, para garantizar la seguridad operativa de la fase de presion media.
Ventajosamente, el conducto de vapor comprende una valvula de regulation. De este modo, el conducto de descarga del vapor que se encuentra a una presion alta puede regularse en funcion de las necesidades en la salida de la fase de alta presion de la turbina de vapor. Esto permite una operation de puesta en marcha aun mas flexible y mas eficaz de la instalacion de ciclo combinado completa.
Con respecto al procedimiento, el objetivo se alcanza segun la invencion al aprovecharse, durante la operacion de puesta en marcha, el vapor de extraction tomado entre las fases de presion para el precalentamiento de combustible.
Durante el funcionamiento continuo, es decir cuando el arbol se hace funcionar con la frecuencia de red electrica de 50 Hz o 60 Hz, los parametros de la turbina de vapor se seleccionan habitualmente de tal manera que el vapor que sale de la fase de alta presion de la turbina de vapor se suministra en su totalidad al sobrecalentamiento y puede introducirse en las fases de presion posteriores. Unicamente en la fase de puesta en marcha por debajo de estas frecuencias, la temperatura y la presion del vapor son demasiado altas para una transmision de este tipo, y tiene que evacuarse una parte del vapor. Por tanto, en particular en esta fase puede aprovecharse el vapor evacuado para el precalentamiento de combustible.
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Las ventajas conseguidas con la invencion consisten en particular en que, mediante el aprovechamiento del vapor tomado entre las fases de presion de la turbina de vapor durante el proceso de puesta en marcha para el precalentamiento de combustible de la turbina de gas se consigue un rendimiento especialmente alto de la instalacion de ciclo combinado, en particular durante el proceso de puesta en marcha. A este respecto, esta medida puede implementarse desde el punto de vista constructivo de manera especialmente sencilla, dado que la mayorla de las nuevas instalaciones de ciclo combinado ya se distribuyen con un precalentamiento de combustible independiente. Mediante el aprovechamiento del vapor que se produce de todos modos procedente de la evacuacion tras la fase de alta presion de la turbina de vapor puede aprovecharse energla en el dispositivo de precalentamiento de combustible, con lo que aumenta el rendimiento de la central de energla precisamente en la fase de puesta en marcha.
Se explicara mas detalladamente un ejemplo de realization de la invencion mediante dos dibujos. En estos:
la figura 1 muestra una representation esquematica de una instalacion de ciclo combinado segun la invencion y
la figura 2 muestra una representacion esquematica de una instalacion de ciclo combinado alternativa con un conducto de vapor, que conecta una salida de vapor que se encuentra despues de la fase de alta presion con una entrada de vapor del dispositivo de precalentamiento de combustible.
Las partes iguales estan dotadas en ambas figuras de los mismos numeros de referencia.
La figura 1 muestra una representacion esquematica de una instalacion 1 de ciclo combinado segun la invencion. Una turbina 2 de gas que comprende un compresor 4 y una turbina 6 esta conectada a este respecto a traves de un arbol 8 con un generador 10. La turbina 2 de gas se acciona mediante la combustion de combustible B suministrado mediante un dispositivo 12 de transporte de combustible desde un conducto 14 de combustible. Para aumentar el rendimiento de la turbina 2 de gas, el combustible B se calienta previamente por medio de un dispositivo 16 de precalentamiento de combustible.
La energla liberada mediante la combustion del combustible B se transforma en la turbina 2 de gas en energla mecanica y se transmite a traves del arbol 8 al generador 10, transformandose en energla electrica. El gas G de combustion cuya presion se reduce en la turbina 6 se suministra a continuation a traves de un conducto 18 de gas de escape a un generador 20 de vapor de recuperation de calor, en el que debido a su temperatura comparativamente alta de por ejemplo aproximadamente 650°C se aprovecha para la generation de vapor. A continuacion, el gas G de combustion se suministra a una chimenea de gases de escape no mostrada mas detalladamente.
En el generador 20 de vapor de recuperacion de calor se genera en las superficies 22 de calentamiento vapor HD de alta presion sobrecalentado. A este respecto son concebibles diferentes configuraciones de las superficies 22 de calentamiento. Habitualmente, desde una bomba de agua no mostrada mas detalladamente se suministra agua a las superficies de calentamiento de evaporador, en las que el agua se evapora parcial o completamente. El agua no evaporada puede separarse del vapor dado el caso a continuacion en un dispositivo de separation de agua y el vapor se suministra a superficies de calentamiento de sobrecalentador, en las que se aumenta adicionalmente su energla termica.
A las superficies 22 de calentamiento les siguen valvulas 24 de regulation, mediante las que el vapor HD de alta presion se conduce finalmente a la fase 26 de turbina de alta presion. Aqul se reduce la presion del vapor y por consiguiente se transforma la energla termica en energla mecanica, que se transmite a traves de un arbol 28 a un generador 30, en el que se transforma adicionalmente en energla electrica. El vapor cuya presion se ha reducido se evacua de la fase 26 de turbina de alta presion y se suministra a traves de un elemento 32 regulador a superficies 34 de calentamiento de sobrecalentador adicionales en el generador 20 de vapor de recuperacion de calor. Dependiendo del funcionamiento, a este respecto puede influirse en el recorrido del vapor de alta presion: en caso necesario el vapor de alta presion puede hacerse pasar desde las superficies 22 de calentamiento por la fase 26 de turbina de alta presion a traves de una valvula 36.
Si el vapor que sale de la fase 26 de turbina de alta presion esta demasiado caliente o tiene una presion demasiado alta para su uso adicional, lo que puede producirse en particular durante el proceso de puesta en marcha de la turbina de vapor, una parte del vapor puede evacuarse a traves de una valvula 38 directamente al condensador 40. All!, el vapor se enfrla y se transforma de nuevo en agua llquida, que puede suministrarse de nuevo al proceso de evaporation en las superficies 22 de calentamiento del generador 20 de vapor de recuperacion de calor. Sin embargo, a este respecto se desecha todo el contenido energetico del vapor.
En las superficies 34 de calentamiento de sobrecalentador se sobrecalienta otra vez el vapor que sale de la fase 26 de turbina de alta presion y se suministra a traves de valvulas 42 de regulacion adicionales a la fase 44 de turbina de presion media. A este respecto, la fase 44 de turbina de presion media se encuentra en el mismo arbol 28 que la
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fase 26 de turbina de alta presion. En caso necesario, el vapor tambien puede evacuarse directamente a traves de una valvula 46 al condensador 40.
Tras la reduccion de la presion en la fase 44 de turbina de presion media se suministra una parte del vapor a la fase 48 de turbina de baja presion, que a su vez se encuentra en el mismo arbol 28 que la fase 44 de turbina de presion media y la fase 26 de turbina de alta presion. Tras la reduccion de su presion en la fase 48 de turbina de baja presion, el vapor se suministra a traves de conductos 50 de descarga finalmente al condensador 40, en el que se enfrla y se transforma de nuevo en agua llquida, que puede suministrarse de nuevo al proceso de evaporation en las superficies 22 de calentamiento del generador 20 de vapor de recuperation de calor.
Se gula condensado desde la fase 44 de turbina de presion media al generador 20 de vapor de recuperacion de calor, en el que se evapora y se calienta en superficies 52 de calentamiento. Este vapor se conduce a continuation a traves de un tambor 54 de vapor al dispositivo 16 de precalentamiento de combustible y all! se aprovecha para el precalentamiento del combustible B, con lo que se aumenta el rendimiento de la turbina 2 de gas mediante el aumento de la temperatura del combustible B y con ello de la mezcla de gas en la camara de combustion de la turbina 2 de gas en su totalidad.
La figura 2 muestra una instalacion 1 de turbinas de gas y de vapor alternativa, en la que sin embargo se suprime la conduction de vapor a traves de la valvula 38, que en caso necesario, por ejemplo en el funcionamiento de puesta en marcha de la turbina de vapor suministra el vapor que sale de la fase 26 de turbina de alta presion al condensador 40, para llevar los parametros de vapor hasta los valores deseados para su uso adicional.
En lugar de esto esta previsto un conducto 60 de vapor, que a traves de una valvula 62 de regulacion suministra el vapor al tambor 54 de vapor asociado al dispositivo 16 de precalentamiento de combustible de la turbina 2 de gas. De este modo pueden adaptarse igualmente en caso necesario los parametros de vapor en la salida de la fase 26 de turbina de alta presion, pero la energla del vapor no se desecha simplemente en el condensador 40, sino que se aprovecha a traves del intercambio de energla termica en el tambor 54 de vapor para el precalentamiento de combustible para la turbina 2 de gas. De este modo puede conseguirse en total un rendimiento aun mayor de la instalacion 1 de turbinas de gas y de vapor, en particular en el funcionamiento de puesta en marcha.

Claims (6)

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    REIVINDICACIONES
    1. Instalacion (1) de turbinas de gas y de vapor con un dispositivo (16) de precalentamiento de combustible dispuesto aguas arriba de los quemadores de la turbina (2) de gas y con un generador (20) de vapor de recuperacion de calor dispuesto aguas abajo de la turbina (2) de gas en el lado de gas de combustion, cuyas superficies (22) de calentamiento estan conectadas al circuito de agua-vapor de la turbina de vapor, comprendiendo la turbina de vapor un numero de fases de presion, caracterizada porque un conducto (60) de vapor conecta una salida de vapor que se encuentra entre dos fases de presion con un tambor (54) de vapor asociado al dispositivo (16) de precalentamiento de combustible.
  2. 2. Instalacion (1) de turbinas de gas y de vapor segun la reivindicacion 1, en la que el conducto (60) de vapor conecta la salida de vapor que se encuentra despues de la primera fase de presion, que se encuentra a la presion mas alta, con un tambor (54) de vapor asociado al dispositivo (16) de precalentamiento de combustible.
  3. 3. Instalacion (1) de turbinas de gas y de vapor segun la reivindicacion 1 o 2, en la que el conducto (60) de vapor comprende una valvula (62) de regulacion.
  4. 4. Procedimiento para poner en marcha una instalacion (1) de turbinas de gas y de vapor con un dispositivo (16) de precalentamiento de combustible dispuesto aguas arriba de la camara de combustion de la turbina (2) de gas y con un generador (20) de vapor de recuperacion de calor dispuesto aguas abajo de la turbina (2) de gas en el lado de gas de combustion, cuyas superficies (22) de calentamiento estan conectadas al circuito de agua-vapor de la turbina de vapor, comprendiendo la turbina de vapor un numero de fases de presion, y en el que durante la operacion de puesta en marcha se aprovecha vapor de extraccion tomado entre las fases de presion para el precalentamiento de combustible, caracterizado porque el vapor de extraccion se suministra a un tambor de vapor asociado al calentamiento de combustible.
  5. 5. Procedimiento segun la reivindicacion 4, en el que durante la operacion de puesta en marcha se aprovecha vapor de extraccion tomado despues de la primera fase de presion, que se encuentra a la presion mas alta, para el precalentamiento de combustible.
  6. 6. Procedimiento segun la reivindicacion 4 o 5, en el que la cantidad del vapor de extraccion tomado se regula a traves de una valvula (62) de regulacion.
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