ES2637467T3 - Central de turbina de gas con flexibilidad de funcionamiento mejorada. - Google Patents

Central de turbina de gas con flexibilidad de funcionamiento mejorada. Download PDF

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ES2637467T3 ES14701690.1T ES14701690T ES2637467T3 ES 2637467 T3 ES2637467 T3 ES 2637467T3 ES 14701690 T ES14701690 T ES 14701690T ES 2637467 T3 ES2637467 T3 ES 2637467T3
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Abstract

Central de turbina de gas (100), la cual comprende: una turbina de gas (1) que presenta un compresor (5), una cámara de combustión (6) y un expansor (7), la cual comprende además un circuito de agua - vapor (10) que se encuentra conectado térmicamente a la turbina de gas (1), de manera que durante el funcionamiento de la turbina de gas (1) el gas residual descargado desde la misma transfiere calor al circuito de agua - vapor (10) para generar vapor, donde el circuito de agua - vapor (10) está conectado térmicamente también a un acumulador de calor (20), el cual por su parte está conectado nuevamente a un contenedor (30) para acumular agua, y donde el contenedor (30) se encuentra acoplado mediante fluidos a la turbina de gas (1), en particular a la cámara de combustión (6) de la turbina de gas (1), de manera que agua puede ser suministrada desde el contenedor (30) de la turbina de gas (1), durante el funcionamiento de la misma, para aumentar la potencia, caracterizada porque entre el contenedor (30) y la turbina de gas (1) está conectada una válvula flash (50), la cual está diseñada para distender el agua extraída desde el contenedor (30) a un nivel de presión más reducido, donde la válvula flash (50) está diseñada además para separar vapor de agua, para suministrar a la turbina de gas (1) selectivamente el mismo sin una parte líquida igualmente separada del agua así distendida.

Description

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DESCRIPCION
Central de turbina de gas con flexibilidad de funcionamiento mejorada
La presente invencion hace referencia a una central de turbina de gas que comprende una turbina de gas que presenta un compresor, una camara de combustion y un expansor, la cual comprende ademas un circuito de agua - vapor que se encuentra conectado termicamente a la turbina de gas, de manera que durante el funcionamiento de la turbina de gas el gas residual descargado desde la misma transfiere calor al circuito de agua - vapor para generar vapor. Ademas, la presente invencion hace referencia a un metodo para el funcionamiento flexible de una central de turbina de gas de esa clase.
Debido a la creciente alimentacion de corriente desde fuentes de energla renovables, las cuales a veces fluctuan en alto grado (energla eolica, energla solar, etc.), hacia las redes publicas de suministro de corriente, centrales alimentadas por gas son usadas cada vez mas para tareas de regulacion, para garantizar la estabilidad de la red de esas redes de suministro de corriente.
Las centrales alimentadas por gas, en este caso, as! como todas las formas de ejecucion que se indican a continuacion, deben entenderse en su sentido mas general. Se encuentran incluidas en particular las centrales alimentadas por gas en el funcionamiento de ciclo simple, as! como tambien las centrales acopladas alimentadas por gas y por vapor (GuD). Pueden estar comprendidas asimismo plantas a gran escala, las cuales pueden ser abastecidas de energla electrica a traves de una turbina de gas. Del mismo modo no debe tener lugar ninguna restriction en cuanto al combustible para la combustion en la central alimentada por gas. Por lo tanto, es posible que una central alimentada por gas sea operada con gas natural o que a la misma se encuentre conectada una gasification termica de solidos (Integrated Gasification Combined Cycle IGCC) para el suministro de combustible.
Debido a la tarea de regulacion asignada a las centrales alimentadas por gas, estas deben poder ser operadas con alta flexibilidad. Al mismo tiempo deben satisfacerse tambien los requerimientos correspondientes para un funcionamiento rentable. A traves de un funcionamiento bajo condiciones de carga relativamente irregular, con procesos de puesta en funcionamiento y de apagado frecuentes, desciende la utilization de la capacidad y, con ello, la vida util de una central electrica de esa clase. El funcionamiento rentable resulta por tanto afectado negativamente en algunas ocasiones.
Un funcionamiento convencional flexibilizado de una central alimentada por gas se posibilita por ejemplo regulando adecuadamente la carga de trabajo en un rango de por ejemplo 40 a 100 % de la carga nominal que puede ser alcanzada. Para ello, usualmente, el flujo masico de combustible se reduce o se incrementa, donde eventualmente puede efectuarse tambien un ajuste adecuado de los alabes gula en el compresor de la turbina de gas, para adecuar el flujo masico de combustible y operar la instalacion en una carga parcial adecuada de forma conveniente.
Por lo general no es posible o no se preve un aumento de la carga de trabajo mas alla del 100 % de la carga nominal. Sin embargo, un aumento de esa clase puede ser posible a traves de una inyeccion adecuada de agua en la turbina de gas. Para ello, dependiendo de la forma de ejecucion en cuanto al aspecto tecnologico, agua en la fase llquida o preferentemente tambien en la fase gaseosa, es proporcionada a la turbina de gas en distintos puntos durante el funcionamiento, para lograr en particular un flujo masico aumentado y, con ello, una potencia aumentada. Del mismo modo, tambien es posible introducir agua en la fase llquida o preferentemente en la fase gaseosa en el compresor de la turbina de gas, donde el agua se encarga de una refrigeration mejorada del aire comprimido, de manera que el compresor debe realizar menos trabajo de compresion. Por las publicaciones son conocidos diferentes modos de operation en los cuales, a traves de la introduction de agua en la turbina de gas, se posibilita un rendimiento de potencia aumentado (por ejemplo: Jonsson, M., Yan, J.: Humidified gas turbines - a review of proposed and implemented cycles, Energy 30 (2005), 1013-1078).
A traves de una inyeccion de agua o de vapor en la turbina de gas aumenta el flujo masico a traves del expansor (turbina), debido a lo cual se incrementa la potencia emitida a traves de la expansion del gas en el expansor. La inyeccion mencionada de agua o vapor en la turbina de gas se conoce tambien como concepto STIG ("Steam Injection Gas Turbine Cycle"). Otra forma de ejecucion es el ciclo Cheng. Un funcionamiento de esa clase ofrece ademas la ventaja de que los oxidos de nitrogeno que se forman durante la combustion solo se forman en una concentration relativamente reducida, de manera que los gases residuales de la turbina de gas presentan un menor potencial con respecto al perjuicio del medio ambiente.
Sin embargo, en esos disenos conocidos por el estado del arte se considera desventajoso el hecho de que las cantidades de agua en estado llquido o gaseoso, suministradas a la turbina de gas, previamente deben ser acondicionas termicamente, con una inversion adicional para ese tratamiento. Debe garantizarse ademas que el agua tambien este tratada de forma adecuada en cuanto a impurezas qulmicas, as! como flsicas. Ambas formas de tratamiento implican una inversion de energla aumentada, lo cual reduce en su totalidad el balance de potencia del funcionamiento de la turbina de gas. Ademas, de acuerdo con los disenos conocidos por el estado del arte, deben
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preverse medidas adecuadas en cuanto a la construccion, as! como en cuanto a la tecnica de mantenimiento, para lograr un suministro de agua de esa clase hacia una turbina de gas sin inconvenientes durante el perlodo de funcionamiento regular.
En la solicitud DE19918346A1 pueden hallarse los principios basicos para solucionar los problemas tecnicos mencionados, donde en dicho documento se sugiere que una central de turbina de gas, la cual comprende un circuito de agua- vapor, este provista de un contenedor como acumulador de calor. El contenedor es llenado con agua o vapor que puede ser cargado termicamente mediante la interaccion termica con una caldera de recuperacion de calor del circuito de agua - vapor. En el caso de que se requiera un aumento de potencia, agua o vapor pueden ser suministrados a la camara de combustion o a otras partes de la turbina de gas que pertenece a la central de turbina de gas.
Sin embargo, en esa forma de ejecucion tecnica, se considera desventajoso el hecho de que el agua que es suministrada a la turbina de gas a veces puede presentar partes llquidas del agua que pueden conducir a danos graves en los componentes internos de la turbina de gas. Ese es el caso en particular cuando a la turbina de gas solo se debe suministrar agua llquida. El almacenamiento intermedio de agua llquida, sin embargo, es ventajoso, ya que permite almacenar mayores cantidades de energla en un volumen mas reducido, en comparacion con el almacenamiento de vapor al mismo nivel de temperatura. Por consiguiente, esto reduce tanto la inversion relacionada con la construccion, como tambien con los costes operativos. Si debe almacenarse agua llquida en un contenedor, en la solicitud DE19918346A1 se sugiere abrir ese contenedor hacia un sistema mas grande, operando el contenedor como acumulador de pendiente. Sin embargo, esto implica una perdida de energla significativa, ya que el agua se distiende en la totalidad del contenedor, perdiendose as! cantidades esenciales de la energla, sin ser aprovechada. Ademas, la presion del vapor no puede ser regulada de forma individual y con la precision suficiente, puesto que la misma depende de las condiciones de presion del sistema mas grande.
Tampoco la patente US 5,404,708 puede brindar sugerencias para una mejor solucion tecnica, ya que en ese caso exclusivamente agua llquida es almacenada en un acumulador, desde el cual, en caso de ser necesario, la misma no puede ser extralda con un tratamiento posterior, para ser suministrada a una turbina de gas.
De este modo, el objeto de la presente invention consiste en evitar las desventajas conocidas por el estado del arte, sugiriendo un suministro mejorado de agua hacia la turbina de gas de una central de turbina de gas. En particular, la invencion debe garantizar un mejoramiento de la flexibilidad de la central de turbina de gas, donde tambien debe poder almacenarse agua en estado llquido, la cual, en caso de ser necesario, pueda ser proporcionada para aumentar la potencia de una turbina de gas, pero sin que temer que se produzcan danos a traves de la formation de gotas pequenas en componentes internos de la turbina de gas.
Al mismo tiempo, un funcionamiento de esa clase debe ser posible ventajosamente en cuanto al punto de vista energetico.
De acuerdo con la invencion, dichos objetos en los que se basa la invencion se alcanzaran a traves de una central de turbina de gas segun la reivindicacion 1, as! como a traves de un metodo para el funcionamiento flexible de una central de turbina de gas descrita anteriormente, as! como a continuation, segun la reivindicacion 11.
En particular, los objetos que son base de la invencion se alcanzaran a traves de una central de turbina de gas que comprende lo siguiente: una turbina de gas que presenta un compresor, una camara de combustion y un expansor, la cual comprende ademas un circuito de agua - vapor que se encuentra conectado termicamente a la turbina de gas, de manera que durante el funcionamiento de la turbina de gas el gas residual descargado desde la misma transfiere calor al circuito de agua - vapor para generar vapor, donde el circuito de agua - vapor esta conectado termicamente tambien a un acumulador de calor, el cual por su parte esta conectado nuevamente a un contenedor para acumular agua , donde el contenedor se encuentra acoplado mediante fluidos a la turbina de gas, en particular a la camara de combustion de la turbina de gas, de manera que agua puede ser suministrada desde el contenedor de la turbina de gas, durante el funcionamiento de la misma, para aumentar la potencia, donde entre el contenedor y la turbina de gas esta conectada una valvula flash, la cual esta disenada para distender el agua extralda desde el contenedor a un nivel de presion mas reducido.
Ademas, los objetos que son base de la invencion se alcanzaran a traves de un metodo para el funcionamiento flexible de una central de turbina de gas segun una de las formas de ejecucion descritas antes, as! como a continuacion, donde el metodo comprende los siguientes pasos:
- accionamiento de la turbina de gas y derivation del gas residual desde la misma, as! como transferencia de calor hacia el circuito de agua - vapor para generar vapor;
- transferencia de calor desde el circuito de agua - vapor hacia el acumulador de calor;
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- transferencia de calor desde el acumulador de calor hacia el contenedor;
- transferencia de agua desde el contenedor hacia la turbina de gas, en particular hacia la camara de combustion de la turbina de gas para aumentar la potencia durante el funcionamiento de la turbina de gas.
De acuerdo con la invencion, por lo tanto, es posible extraer calor o incluso agua desde el circuito de agua - vapor, y suministrarla a un acumulador de calor que se encuentra conectado termicamente al circuito de agua - vapor. El calor o el agua se encuentra almacenado de forma intermedia en un acumulador de calor y, de manera ventajosa, pueden ser extraldos en un momento posterior, a saber, para tratar agua termicamente o para haberla tratado termicamente, la cual a continuacion es suministrada a la turbina de gas para aumentar la potencia durante el funcionamiento.
El agua en cuestion se encuentra en un contenedor que esta conectado termicamente con el contenedor, o incluso mediante fluidos, con el acumulador de calor. De este modo, de manera ventajosa, el calor puede ser transferido desde el acumulador de calor hacia el contenedor. El contenedor, por su parte, puede presentar agua con una calidad adecuada, de manera que ya no es necesario otro tratamiento flsico y qulmico de esa agua, antes del suministro a la turbina de gas, para aumentar la potencia durante el funcionamiento. De manera ventajosa, esa agua se extrae de otros procesos de la central electrica, de manera que ya no se requiere ningun tratamiento adicional. El agua almacenada en el contenedor solo es acondicionada a veces de forma termica, donde el calor requerido para el tratamiento puede ser extraldo desde el circuito de agua - vapor.
De mismo modo es posible, tal como se explicara a continuacion, que el acumulador de calor comprenda el contenedor para almacenar agua, de manera que es posible el suministro de agua desde el circuito de agua - vapor hacia el contenedor de forma directa. De acuerdo con ello se requiere tambien una inversion menor para la construccion. De manera alternativa o adicional, el acumulador de calor puede estar acoplado termicamente con el contenedor para almacenar agua tambien mediante intercambiadores de calor adecuados, pero sin que deba tener lugar una transferencia de fluidos.
Por lo tanto, la presente invencion posibilita el almacenamiento intermedio de calor desde el circuito de agua - vapor, as! como una extraccion temporalmente posterior de ese calor desde el acumulador de calor, por ejemplo cuando la central de turbina de gas experimenta una potencia aumentada debido a una demanda aumentada desde las redes publicas de suministro de corriente. De este modo, la central de turbina de gas puede utilizarse con una flexibilidad mejorada. Esto afecta no solo a la flexibilidad temporal de la central de turbina de gas, sino tambien a la flexibilidad energetica, puesto que en particular el desacoplamiento de energla termica desde el circuito de agua - vapor en cantidades mas reducidas, tal como se explicara mas adelante, no implica perdidas de potencia significativas durante la generation de corriente a traves de la central de turbina de gas.
En correspondencia con otro aspecto de la invencion se preve que entre el contenedor y la turbina de gas se encuentre conectada una valvula flash, la cual esta disenada para distender a un nivel de presion mas reducido el agua extralda desde el contenedor. La valvula flash esta disenada en particular para separar vapor de agua, para suministrar a la turbina de gas selectivamente el mismo sin una parte llquida igualmente separada del agua as! distendida. Al distender el agua llquida y tratada termicamente mediante una valvula flash se reduce el nivel de presion, donde se producen una evaporation y un enfriamiento parciales. A traves de la distension se proporciona vapor con un nivel de presion relativamente reducido. El agua separada de ese modo, en fase llquida, puede ser mezclada por ejemplo con agua de reposition y a continuacion puede ser transportada, por ejemplo a traves de una bomba, hacia un deposito de almacenamiento que nuevamente puede estar a un nivel de presion mas elevado. Por consiguiente, en el contenedor de acuerdo con la invencion puede almacenarse tambien agua llquida tratada termicamente, sin tener que temer que durante el suministro hacia la turbina de gas se produzca un dano debido a la formation de gotas pequenas. Al mismo tiempo, energla termica puede ser almacenada en un volumen marcadamente mas reducido del contenedor, en comparacion con la acumulacion de vapor, el cual presenta una densidad energetica mas reducida, en el caso de la misma temperatura.
La invencion posibilita as! una flexibilidad mejorada de una central de turbina de gas, utilizando componentes convencionales, as! como pasos del metodo controlables. Se posibilita gracias a ello una ampliation del rango de potencia y de eficacia de la central de turbina de gas, donde por ejemplo a traves de la extraccion de vapor puede tener lugar una reduction de la potencia, as! como en caso de suministrar agua de forma correspondiente a la turbina de gas, puede tener lugar un aumento de la potencia. En particular en el caso de un aumento de la potencia debido al suministro de agua a la turbina de gas puede mejorarse el grado de efectividad con una carga parcial.
Del mismo modo, por ejemplo en el caso de la misma potencia electrica de salida, a traves de la central de turbina de gas puede posibilitarse tambien una reduccion del consumo de combustible, por ejemplo cuando se suministra agua a la turbina de gas para aumentar la potencia. En particular a traves de una extraccion temporalmente retrasada de la energla termica desde el acumulador de calor puede proporcionarse tambien mas potencia a traves de la central de turbina de gas en otro momento, a saber, por ejemplo cuando la central de turbina de gas debe
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proporcionar potencia de regulacion de forma aumentada. Cabe senalar que en el caso del suministro de agua a la turbina de gas para aumentar la potencia durante el funcionamiento puede alcanzarse tambien una generation de carga pico marcadamente por encima del 100 % de la carga nominal.
De acuerdo con una primera forma de ejecucion especialmente preferente de la invention se preve que el acumulador de calor contenga el contenedor o que sea el mismo. De este modo, por ejemplo, desde el circuito de agua - vapor puede extraerse agua con una presion y nivel de temperatura predominantes, donde esta es pasada directamente hacia el contenedor para el almacenamiento intermedio. De manera especialmente preferente, el pasaje tiene lugar a una presion aumentada, la cual se ubica por encima de la presion requerida en el punto de alimentation de la turbina de gas. En el caso de construction mas sencillo, el acumulador de calor puede ser reemplazado tambien por el contenedor. Si en el caso de una utilization posterior, la turbina de gas de la central de turbina de gas debe proporcionar potencia aumentada, entonces el agua puede ser extraida desde el contenedor, donde esta es suministrada de forma adecuada a la turbina de gas de la central de turbina de gas, para aumentar la potencia.
De acuerdo con ello, el agua conducida hacia el circuito de agua - vapor puede ser proporcionada a la turbina de gas, directamente despues de un almacenamiento intermedio adecuado, para aumentar la potencia. No obstante, el agua que se encuentra en el circuito de agua - vapor presenta tambien una pureza elevada y, con ello, suficiente, para ser suministrada a una turbina de gas para aumentar la potencia. De este modo, el agua almacenada de forma intermedia en el contenedor no requiere otros pasos de purification antes de que pueda ser suministrada directamente a la turbina de gas. Esto reduce a su vez la cantidad de pasos, que requieren energla, para la purificacion y el tratamiento termico. Lo mencionado se considera especialmente ventajoso. Ademas, esa forma de ejecucion reduce tambien la cantidad de los componentes requeridos para la construccion, gracias a lo cual puede disminuir la inversion para proporcionar esa forma de la central de turbina de gas acorde a la ejecucion, en comparacion con otras formas. Ademas, ha resultado particularmente ventajoso que el agua extraida desde el circuito de agua - vapor presente ya un acondicionamiento termico adecuado, as! como tambien un acondicionamiento con respecto a la tecnica de presion, en cuanto al nivel de presion, de manera que tampoco el pasaje del agua desde el contenedor hacia la turbina de gas requiere de otro tratamiento vinculado a la tecnica de presion. Esto se considera tambien especialmente ventajoso.
De acuerdo con otra forma de ejecucion de la invencion, especialmente ventajosa, el circuito de agua - vapor comprende un generador de vapor de recuperation de calor, el cual se encuentra conectado al acumulador de calor termicamente o mediante fluidos. Cabe senalar que, debido a la conexion mediante fluidos, resulta tambien una conexion termica, puesto que el fluido que presenta la energla termica puede ser intercambiado de forma adecuada. La conexion termica, as! como tambien la conexion mediante fluidos, preferentemente, puede tener lugar en el rango de una section de media presion (rango de presion tlpico 15-40 bar, el as! llamado nivel de media presion), as! como en el rango de una seccion de alta presion (rango de presion tlpico superior a 70 bar, el asi llamado nivel de alta presion) del generador de vapor de recuperacion de calor. Para ello, calor extraido desde la seccion de media presion o desde la seccion de alta presion, asi como fluido extraido, pueden ser pasados de forma adecuada hacia el acumulador de calor o hacia el contenedor, de modo que el calor o el fluido se encuentran a un nivel adecuado de presion o de temperatura.
En este punto, cabe senalar tambien que el fluido antes descrito, en tanto no se indique otra cosa, se trata de agua en sus fases fisicas que se presentan de forma natural. De este modo, dependiendo de la temperatura y del nivel de presion, se encuentra presente agua en estado liquido, en estado gaseoso o tambien en otros estados de agregacion.
De acuerdo con otra forma de ejecucion de la invencion se preve que el circuito de agua - vapor presente una turbina de gas que se encuentra conectada al acumulador de calor termicamente o mediante fluidos. En particular cuando la turbina de gas presenta un conjunto de turbinas individuales operadas a diferentes niveles de presion, asi como a diferentes temperaturas. De acuerdo con una forma de ejecucion de esa clase, resulta ventajoso derivar agua con un nivel de presion adecuado y temperatura adecuada desde la turbina de vapor, asi como desde las turbinas individuales, para extraer de estas calor, asi como para almacenar el mismo para un suministro posterior hacia la turbina de gas, para aumentar la potencia. Ante todo en el caso de la derivation de agua en el area de una turbina de media presion, el agua presenta la presion y el nivel de temperatura adecuados, los cuales vuelven particularmente ventajoso el suministro del agua extraida hacia la turbina de gas, para un aumento de potencia despues del almacenamiento intermedio.
En correspondencia con otro aspecto ventajoso de la invencion se preve que el circuito de agua - vapor y el acumulador de calor no solo se encuentren conectados termicamente, sino tambien mediante fluidos. Un intercambio de fluido posibilita con ello tambien al mismo tiempo un intercambio simple de calor, tal como ya se explico anteriormente. Una conexion mediante fluidos se considera por tanto especialmente ventajosa en cuanto a la tecnica de construccion.
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De acuerdo con otro desarrollo posterior de esa forma de ejecucion se preve que agua intercambiada entre el circuito de agua - vapor y el acumulador de calor pueda ser almacenada de forma intermedia en el contenedor. Esto permite una extraccion de agua purificada desde el circuito de agua - vapor, tal como ya se explico anteriormente, donde dicha agua no debe ser tratada costosamente de manera adicional para el suministro temporalmente retrasado del agua hacia la turbina de gas, para el aumento de potencia. El agua extralda desde el circuito de agua - vapor mas bien puede ser almacenada temporalmente de forma intermedia en el contenedor, donde en el caso de un aumento de potencia requerido el agua puede ser suministrada directamente a la turbina de gas en cantidades adecuadas y con las condiciones flsicas adecuadas.
Del mismo modo, en el sentido de otro desarrollo posterior o de una forma de ejecucion alternativa, puede preverse que la conexion mediante fluidos entre el circuito de agua - vapor y el acumulador de calor se efectue en el circuito de agua - vapor, en un lugar en donde en el caso de un funcionamiento regular de la central de turbina de gas se encuentra presente una presion del vapor que corresponde al menos a la presion en la camara de combustion de la turbina de gas durante un funcionamiento regular. En particular, esa presion de extraccion en el circuito de agua - vapor se ubica entre 5 y 35 bar, donde la presion de la camara de combustion, en la camara de combustion, es menor, en tanto el agua sea suministrada a la turbina de gas mediante la camara de combustion. En la camara de combustion, durante el funcionamiento de la turbina de gas, puede ser predominante un rango de presion tlpico de 4 a 20 bar. De acuerdo con la invencion, por tanto, el agua extralda desde el circuito de agua - vapor presenta una presion mas elevada, as! como al menos la misma presion, que es predominante en la camara de combustion de la turbina de gas. De este modo, el agua suministrada a la turbina de gas para el aumento de potencia ya no debe ser tratada en cuanto a la tecnica de presion. Ademas, en la camara de combustion de la turbina de gas puede alcanzarse una inyeccion energeticamente muy ventajosa del agua que se encuentra presente a un nivel de presion de esa clase. Si la presion a la cual es almacenada en el contenedor el agua extralda desde el circuito de agua - vapor es marcadamente mayor que por ejemplo la presion de la camara de combustion, de la camara de combustion de la turbina de gas, puede ser posible tambien un almacenamiento durante un tiempo mas prolongado del agua almacenada as! de forma intermedia, sin que tambien deba efectuarse un acondicionamiento de la presion, costoso en cuanto a la energla, en el caso de un suministro posterior a la turbina de gas.
De acuerdo con una forma de ejecucion especialmente preferente, la cual puede considerarse tambien como un desarrollo posterior, se preve que la conexion mediante fluidos entre el circuito de agua - vapor y el acumulador termico en el circuito de agua - vapor se encuentre presente en un generador de vapor de recuperacion de calor, en particular en el area de una seccion de media presion del generador de vapor de recuperacion de calor. A traves de la extraccion apropiada de agua en el area del generador de vapor de recuperacion de calor puede extraerse agua que en ocasiones presenta diferentes niveles de temperatura, as! como de presion, de manera que la misma tambien puede ser suministrada posteriormente a una posible mezcla de diferentes partes con diferentes presiones y diferentes temperaturas, de manera adecuada para el funcionamiento de la central alimentada por gas de acuerdo con la ejecucion. Ademas, una extraccion de calor en el area de la seccion de media presion no reduce la potencia que puede alcanzarse con la central de turbina de gas en un grado tal como si el agua fuese extralda por ejemplo en el area de una seccion de alta presion.
En correspondencia con otra forma de ejecucion preferente de la invencion se preve que el contenedor este realizado como contenedor de agua a presion. De este modo, el agua extralda desde el circuito de agua - vapor puede ser suministrado por ejemplo directamente al contenedor de agua a presion, para ser almacenado all! temporalmente de forma intermedia, en el sentido de un acumulador de calor. Seguidamente, el agua almacenada as! de forma intermedia, nuevamente a una presion adecuada y a un nivel de temperatura adecuado, se encuentra a disposicion para el suministro hacia la turbina de gas, para un aumento de potencia. En el contenedor a presion, el cual contiene agua a una temperatura aumentada y a una presion aumentada, se encuentra presenta usualmente una mezcla bifasica de agua en estado llquido y vapor de agua. La extraccion de vapor de agua que despues es suministrado a la turbina de gas puede tener lugar tambien en el lado superior del contenedor a presion. A traves de la extraccion de vapor de agua se produce entonces una evaporacion posterior dentro del contenedor a presion, debido a lo cual descienden la temperatura y la presion en el contenedor a presion. Por lo tanto, a traves de la extraccion de vapor de agua se produce una descarga del acumulador de calor.
De acuerdo con otra forma de ejecucion de la invencion se preve que el acumulador de calor este realizado como acumulador de calor sensible y/o como acumulador de calor latente y/o como acumulador de calor termoqulmico. Dichas formas del acumulador de calor permiten proporcionar un acumulador de calor adecuado de forma conveniente en cuanto a los costes y sin grandes costes de inversion.
De acuerdo con una primera forma de ejecucion especialmente preferente del metodo de acuerdo con la invencion se preve que el paso de la transferencia de calor desde el circuito de agua - vapor hacia el acumulador de calor este incluido en el paso de la transferencia de calor desde el acumulador hacia el contenedor. De este modo, el calor puede ser suministrado directamente al acumulador de calor desde el circuito de agua - vapor, en donde al contenedor por ejemplo es conducida agua proveniente desde el circuito de agua - vapor, para un almacenamiento intermedio.
Se considera ademas especialmente preferente que el paso de la transferencia de agua desde el contenedor hacia la turbina de gas tenga lugar sucesivamente, con respecto al aspecto temporal, en comparacion con los otros pasos, en particular en un momento de la salida de potencia aumentada de la turbina de gas, en el caso de una demanda aumentada de potencia electrica desde una red de suministro de corriente. De este modo, la central de turbina de 5 gas es abastecida entonces de agua desde el contenedor, para aumentar la potencia, cuando se presenta una demanda aumentada de potencia electrica desde la red de suministro de corriente. Este es en particular el caso cuando por ejemplo las fuentes de energla renovables no pueden poner a disposicion energla electrica suficiente.
A continuacion la invention se explicara mediante formas de ejecucion individuales, a modo de ejemplo, las cuales se reproducen en las figuras. A este respecto, cabe senalar que las formas de ejecucion mostradas en las figuran 10 solo deben entenderse de forma esquematica y no representan ninguna limitation en cuanto a la posibilidad de ejecucion de la invencion.
Debe tenerse en cuenta ademas que los componentes provistos de los mismos slmbolos de referencia poseen un efecto tecnico comparable.
Cabe senalar ademas que la invencion es valida de acuerdo con las formas de ejecucion representadas a 15 continuacion de forma correspondiente, as! como tambien en cualquier combination de componentes individuales o de modulos de esas formas de ejecucion, en tanto esa combinacion considere la idea que subyace a la invencion.
Las figuras muestran:
Figura 1: una primera forma de ejecucion de la invencion en un diagrama de conexiones esquematico;
Figura 2: otra forma de ejecucion de la invencion en un diagrama de conexiones esquematico;
20 Figura 3: otra forma de ejecucion de la invencion en una vista funcional esquematica;
Figura 3: una representation grafica de la modification de la potencia de salida de una central de turbina de gas de acuerdo con la ejecucion, as! como la modificacion asociada de la cantidad de calor extralda en funcion de la cantidad de vapor extralda en un nivel de media presion;
Figura 3: una representacion grafica de la modificacion de la potencia de salida de una central de turbina de gas de 25 acuerdo con la ejecucion, as! como la modificacion asociada de la cantidad de calor absorbida en funcion de la cantidad de vapor suministrada a la turbina de gas;
Figura 6: una primera forma de ejecucion del metodo de acuerdo con la invencion en una vista como diagrama de flujo.
La figura 1 muestra un diagrama de conexiones esquematico de una primera forma de ejecucion de una central de 30 turbina de gas 100 de acuerdo con la invencion. La misma comprende una turbina de gas 1, la cual por su parte presenta a su vez un compresor 5, una camara de combustion 6, as! como un expansor 7 (turbina). Durante el funcionamiento de la turbina de gas 1 aire 4 es succionado por el compresor y es comprimido a un nivel de presion aumentado. Dicho aire 4 as! comprimido es suministrado a la camara de combustion 6 para la combustion de combustible 8. Debido a las condiciones de combustion en la camara de combustion 6 se regula un nivel de presion, 35 as! como tambien de temperatura, especlfico del funcionamiento. El gas residual de esa combustion es conducido al expansor 7, en donde tiene lugar una distension termica, donde al mismo tiempo se aprovecha la potencia de trabajo del gas que se distiende, de manera adecuada para generar corriente mediante el generador (G).
De acuerdo con la invencion, el gas residual 9 derivado desde la turbina de gas es guiado hacia un generador de vapor de recuperation de calor 15, el cual presenta una cantidad de secciones diferentes de acondicionamiento 16, 40 17, 18. De este modo, el gas residual 9 libera su calor al circular a traves del generador de vapor de recuperacion de
calor 15, primero en dos secciones de acondicionamiento 18 conectadas en serie, las cuales estan disenadas como sobrecalentadores, a continuacion en una seccion de acondicionamiento 17 que esta disenada como evaporador, as! como a continuacion en una section de acondicionamiento 16 que esta disenada como economizador.
Las tres secciones de acondicionamiento 16, 17, 18, tal como el generador de vapor de recuperacion 15 en su 45 totalidad, estan comprendidas por un circuito de agua - vapor 10 que presenta tambien una turbina de vapor 40 para generar corriente. La turbina de vapor 40 presenta por su parte una turbina de baja presion 42, as! como una turbina de alta presion 41, las cuales estan acopladas de forma adecuada y respectivamente, as! como de forma conjunta, pueden accionar un generador (G) para generar corriente.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Como respaldo, as! como para generar la circulacion del agua conducida hacia el circuito de agua - vapor 10, el circuito de agua - vapor 10 puede presentar ademas una bomba 45. Ademas, el circuito de agua - vapor 10, aguas abajo con respecto a la turbina de vapor 40, presenta un condensador 46.
Una vez efectuada la transferencia de calor desde el gas residual 9 de la turbina de gas 1 durante la circulacion a traves del generador de vapor de recuperacion de calor 15, a modo de ejemplo, para recuperar agua desde el gas residual 9, aguas abajo con respecto al generador de vapor de recuperacion de calor 15, puede proporcionarse otro condensador 600, el cual ademas presenta un recipiente colector apropiado para el agua separada.
De acuerdo con la invencion, del circuito de agua - vapor 10 se extrae agua o calor, el cual puede ser suministrado o los cuales pueden ser suministrados a un acumulador de calor 20. De acuerdo con la ejecucion, el agua o el calor son extraldos entre la turbina de alta presion 41 y la turbina de baja presion 42 del circuito de agua - vapor 10. Dependiendo de la forma de ejecucion, la extraccion de agua puede tener lugar mediante un intercambiador de calor no mostrado en detalle, as! como la extraccion de agua puede tener lugar directamente a traves de una llnea de derivacion adecuada. El calor o el agua son suministrados al acumulador de calor 20 que, de acuerdo con la invencion, comprende igualmente un contenedor 30 que es adecuado para almacenar agua. En particular, el contenedor 30 es adecuado para almacenar de forma intermedia, bajo presion y de forma aislada en cuanto a la temperatura, agua proveniente del circuito de agua - vapor 10, donde de este modo el calor que se encuentra en el agua puede ser almacenado de forma intermedia al mismo tiempo en el acumulador de calor 20. A modo de ejemplo, agua por ejemplo a un nivel de presion de 30 bar, puede ser extralda despues de la turbina de alta presion 41 de la turbina de gas 40 y puede ser almacenada de forma intermedia en el contenedor 30 del acumulador de calor 20, bajo esa presion.
Si se encuentra presente ahora una demanda de potencia aumentada desde las redes publicas de suministro de corriente, el agua puede ser extralda desde el contenedor 30 y puede ser conducida a la camara de combustion 6 de la turbina de gas 1. De manera alternativa es posible por ejemplo tambien un suministro de agua hacia el compresor 5. De acuerdo con la ejecucion, durante el funcionamiento de la turbina de gas 1, la camara de combustion 6 es operada a un nivel de presion de unos 20 bar. Si el agua extralda desde el circuito de agua - vapor 10 es extralda por ejemplo a un nivel de presion de 30 bar y es almacenada de forma intermedia en el contenedor 30, entonces, en un momento posterior despues de posibles perdidas de energla durante el perlodo de almacenamiento, se encuentra a disposicion agua a un nivel de presion que corresponde al menos al nivel de presion de la camara de combustion, en la camara de combustion 6. Antes de la conduccion hacia la camara de combustion 6, el agua debe ser distendida aun mediante una valvula flash no mostrada en detalle, de manera que puede tener lugar una ventajosa separacion de fases del agua y solo vapor de agua es conducido a la turbina de gas 1.
La extraccion de agua desde el circuito de agua - vapor 10 despues de la turbina de alta presion 41, del modo mostrado, es sin embargo solo una de numerosas posibilidades para extraer agua a una temperatura adecuada y a un nivel de presion adecuado para otra utilizacion posterior, para aumentar la potencia de la turbina de gas 1. En el caso de una as! llamada caldera de tres presiones se considera adecuada por ejemplo una extraccion de vapor despues de la turbina de alta presion, en el caso de una caldera de dos presiones el vapor puede extraerse por ejemplo entre la turbina de alta presion y una turbina de baja presion. Tambien es posible la extraccion directa de agua en estado llquido desde colectores de vapor a diferentes niveles de presion.
La figura 2 muestra otra forma de ejecucion de la central de turbina de gas 100 de acuerdo con la invencion, la cual se diferencia de la forma de ejecucion mostrada en la figura 1 solo en el hecho de que el calor extraldo desde el circuito de agua - vapor 10, as! como el agua extraida del circuito de agua - vapor 10, son extraldos en el area de un evaporador 17 o en un colector de vapor del generador de vapor de recuperacion de calor 15 y son suministrados al acumulador de calor 20. El agua extralda puede ser por ejemplo agua caliente a un nivel de presion de 25 - 35. Esa agua caliente es almacenada a su vez en el acumulador de calor 20, para una extraccion de calor adecuada. Se considera completamente preferente una forma de ejecucion del acumulador de calor 20, en donde el contenedor 30 se encuentra comprendido por el acumulador de calor 20, de manera que el agua extralda desde el circuito de agua - vapor 10 puede ser almacenada en el contenedor 30 para un almacenamiento de calor. Una extraccion del agua en el generador de vapor de recuperacion de calor 15 puede tener lugar por ejemplo en el colector de vapor.
En esa forma de ejecucion se considera ventajoso el hecho de que el contenedor 30 puede estar disenado de forma comparable a un colector de vapor, por lo cual dicho componente puede proporcionarse con facilidad y sin costes de desarrollo adicionales. Se preve ademas que antes de la conduccion hacia la camara de combustion 6, el agua sea distendida aun mediante una valvula flash no mostrada en detalle, de manera que pueda tener lugar una ventajosa separacion de fases del agua y solo vapor de agua sea conducido a la turbina de gas 1.
La figura 3 muestra otra forma de ejecucion de la invencion en una vista funcional esquematica. De acuerdo con la ejecucion, calor es extraldo desde el circuito de agua - vapor 10 y es almacenado de forma intermedia en el acumulador de calor 20. El acumulador de calor 20 comprende a su vez el contenedor 30 para el almacenamiento
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
intermedio de agua, donde dicha agua, en caso necesario, puede ser suministrada a la turbina de gas 1. El contenedor 30, a modo de ejemplo, esta realizado como un acumulador de agua a presion.
En este caso, el intercambiador de calor 35 se utiliza para acoplar termicamente el circuito de agua - vapor 10 con otro circuito (no provisto de slmbolos de referencia en este caso), en donde esta conectado el contenedor 30 o el acumulador de calor 20, y el cual presenta igualmente agua como medio del circuito. Durante el funcionamiento puede ser aprovechado por ejemplo el calor proveniente del vapor o del vapor sobrecalentado, desde una turbina de media presion o desde una seccion de media presion del generador de vapor de recuperacion de calor 15, donde dicho calor es introducido en agua en el circuito, en donde se encuentran conectados el contenedor 30 o el acumulador de calor 20. El agua as! acondicionada, antes de la distension mediante una valvula flash 50, es almacenada de forma intermedia en el contenedor 30, as! como en el acumulador de calor 20. Despues de la distension del agua mediante la valvula flash 50 tienen lugar una reduccion de la presion y un enfriamiento a traves de evaporacion. De este modo, puede ser extraldo de forma selectiva por ejemplo vapor a un nivel de presion de 20 bar, para ser suministrado a la turbina de gas 1. El agua llquida que se produce al mismo tiempo durante la distension mediante la valvula flash 50 puede ser reconducida a su vez por ejemplo a otro acumulador 36 con el mismo nivel de presion de 20 bar. De esta manera, el agua llquida reconducida de ese modo puede ser mezclada con otra agua de reposicion.
De acuerdo con la ejecucion, por lo tanto, calor proveniente del circuito de agua - vapor 10, mediante el intercambiador de calor 35, puede ser pasado a un medio de almacenamiento del circuito, en este caso agua, el cual entonces puede ser almacenado de forma intermedia en el contenedor 30 o en el acumulador de calor 20. De acuerdo con la ejecucion, agua puede ser calentada tambien a una temperatura que se ubica muy proxima a la temperatura de evaporacion. A continuacion, el agua a presion acondicionada de ese modo es almacenada en el contenedor 30 o en el acumulador de calor 20, para una extraccion posterior. De manera alternativa, tambien el agua extraida desde una seccion de media presion puede ser almacenada de forma intermedia directamente en contenedores a presion 30 adecuados del acumulador de calor 20, para una extraccion posterior.
La extraccion de calor o de agua desde el circuito de agua - vapor 10 o desde el generador de vapor de recuperacion de calor 15 influye en el funcionamiento de la central de turbina de gas 100, en particular en la potencia de salida electrica. Para explicar con mayor detalle el grado de influencia, por la parte solicitante fueron realizadas simulaciones adecuadas del circuito, a modo de ejemplo. Como base para las simulaciones del circuito se utilizo una central de turbina de gas 100, tal como se represento por ejemplo en las figuras 1 y 2. De este modo, se comprobo que en el caso de una extraccion en aumento de agua (vapor) desde el circuito de agua - vapor 10 disminuye la potencia P de la central de turbina de gas. Este comportamiento se representa con mas detalle en la figura 4.
La figura 4 muestra una representacion grafica de la modification de la potencia de salida relativa P de una central
de turbina de gas 100 de acuerdo con la ejecucion, as! como la modificacion asociada de la cantidad de calor H
extraida en funcion de la cantidad de vapor extraldo a un nivel de media presion (rango de presion tipico 15 - 40 bar). La cantidad de vapor corresponde a la cantidad porcentual de vapor de media presion, el cual es extraldo desde el circuito de agua - vapor 10 (MP-SE: medium pressure - steam extraction). Esta disminucion de la potencia de salida electrica P de la central de turbina de gas 100, en el area representada, se correlaciona esencialmente con la cantidad de calor extraida del vapor extraido (H) en el area de una seccion de media presion. De este modo, aun en el caso de una extraccion del 50% del calor del vapor debe contarse solo con una perdida de potencia de aproximadamente 12 % de la potencia de salida P de la central de turbina de gas 100. Dicha perdida de potencia puede justificarse para poder alcanzar posteriormente un aumento de potencia, temporalmente retrasado, al suministrar el vapor asi extraido, despues de un almacenamiento intermedio adecuado en la turbina de gas 1. El aumento de la potencia de salida electrica P de la central de turbina de gas 100 que se produce de este modo se muestra por ejemplo en la figura 5.
La figura 5 muestra una representacion grafica de la modificacion de la potencia de salida relativa P de una central
de turbina de gas 100 de acuerdo con la ejecucion, as! como la modificacion asociada de la cantidad de calor
absorbida H en funcion de la cantidad de vapor suministrada a la turbina de gas. La cantidad de vapor se refiere relativamente a la parte de flujo masico de combustion (STIG-FR: STIG-flow rate). Puede observarse all! que despues del suministro de vapor tiene lugar un aumento de la potencia electrica P generada a traves de la turbina de gas 1. Si el flujo masico de vapor presenta por ejemplo una parte del flujo masico de combustible suministrado de aproximadamente 300 %, tiene lugar entonces un aumento de potencia de aproximadamente un 20 %.
A traves de una extraccion selectiva de calor o de agua desde el circuito de agua - vapor 10 en un primer momento y de un suministro selectivo de agua, por ejemplo como vapor, el cual presenta ese calor, a una turbina de gas, en otro segundo momento consecutivo, puede alcanzarse una flexibilidad mejorada del funcionamiento de la turbina de gas.
La figura 6 muestra una primera forma de ejecucion del metodo de acuerdo con la invention para el funcionamiento flexible de una central de turbina de gas antes descrita, el cual comprende los siguientes pasos:
- accionamiento de la turbina de gas y derivacion del gas residual desde la misma, as! como transferencia de calor hacia el circuito de agua - vapor para generar vapor (primer paso del metodo 201);
- transferencia de calor desde el circuito de agua - vapor hacia el acumulador de calor (segundo paso del metodo 202);
5 - transferencia de calor desde el acumulador de calor hacia el contenedor (tercer paso del metodo 203);
- transferencia de agua desde el contenedor hacia la turbina de gas, en particular hacia la camara de combustion de la turbina de gas para aumentar la potencia durante el funcionamiento de la turbina de gas (cuarto paso del metodo 204).
En las reivindicaciones dependientes se indican otras formas de ejecucion.
10

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Central de turbina de gas (100), la cual comprende:
    una turbina de gas (1) que presenta un compresor (5), una camara de combustion (6) y un expansor (7), la cual comprende ademas un circuito de agua - vapor (10) que se encuentra conectado termicamente a la turbina de gas (1), de manera que durante el funcionamiento de la turbina de gas (1) el gas residual descargado desde la misma transfiere calor al circuito de agua - vapor (10) para generar vapor, donde el circuito de agua - vapor (10) esta conectado termicamente tambien a un acumulador de calor (20), el cual por su parte esta conectado nuevamente a un contenedor (30) para acumular agua, y donde el contenedor (30) se encuentra acoplado mediante fluidos a la turbina de gas (1), en particular a la camara de combustion (6) de la turbina de gas (1), de manera que agua puede ser suministrada desde el contenedor (30) de la turbina de gas (1), durante el funcionamiento de la misma, para aumentar la potencia,
    caracterizada porque entre el contenedor (30) y la turbina de gas (1) esta conectada una valvula flash (50), la cual esta disenada para distender el agua extralda desde el contenedor (30) a un nivel de presion mas reducido, donde la valvula flash (50) esta disenada ademas para separar vapor de agua, para suministrar a la turbina de gas (1) selectivamente el mismo sin una parte llquida igualmente separada del agua as! distendida.
  2. 2. Central de turbina de gas segun la reivindicacion 1, caracterizada porque el acumulador de agua (20) comprende el contenedor (30) o es el mismo.
  3. 3. Central de turbina de gas segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el circuito de agua
    - vapor (10) comprende un generador de vapor de recuperacion de calor (15), el cual se encuentra conectado al acumulador de calor (20) termicamente o mediante fluidos.
  4. 4. Central de turbina de gas segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el circuito de agua
    - vapor (10) comprende una turbina de vapor (40) que se encuentra conectada al acumulador de calor (20) termicamente o mediante fluidos.
  5. 5. Central de turbina de gas segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el circuito de agua
    - vapor (10) y el acumulador de calor (20) no estan conectados solo termicamente sino tambien mediante fluidos.
  6. 6. Central de turbina de gas segun la reivindicacion 5, caracterizada porque agua intercambiada entre el circuito de vapor - agua (10) y el acumulador de calor (20) puede ser almacenada de forma intermedia en el contenedor (30).
  7. 7. Central de turbina de gas segun una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizada porque la conexion mediante fluidos entre el circuito de agua - vapor (10) y el acumulador de calor (20) en el circuito de agua - vapor (10) se encuentra efectuada en un lugar en donde, en el caso de un funcionamiento regular de la central de turbina de gas (100), existe una presion de vapor que corresponde a la presion en la camara de combustion (6) de la turbina de gas (1) durante el funcionamiento regular.
  8. 8. Central de turbina de gas segun una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizada porque la conexion mediante fluidos entre el circuito de agua - vapor (10) y el acumulador de calor (20) se encuentra presente en el circuito de agua - vapor (10) en un generador de vapor de recuperacion de calor (15), en particular en el area de una seccion de media presion del generador de vapor de recuperacion (15).
  9. 9. Central de turbina de gas segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el contenedor (30) esta disenado como un contenedor de agua a presion.
  10. 10. Central de turbina de gas segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el acumulador de calor (20) esta realizado como acumulador de calor sensible y/o como acumulador de calor latente y/o como acumulador de calor termoqulmico.
  11. 11. Metodo para el funcionamiento flexible de una central de turbina de gas (100) segun una de las reivindicaciones precedentes, el cual comprende los siguientes pasos:
    - accionamiento de la turbina de gas (1) y derivacion del gas residual desde la misma, as! como transferencia de calor hacia el circuito de agua - vapor (10) para generar vapor;
    - transferencia de calor desde el circuito de agua - vapor (10) hacia el acumulador de calor (20);
    - transferencia de calor desde el acumulador de calor (20) hacia el contenedor (30);
    - transferencia de agua desde el contenedor (30) hacia la turbina de gas (1), en particular hacia la camara de combustion (6) de la turbina de gas (1) para aumentar la potencia durante el funcionamiento de la turbina de gas (1).
  12. 12. Metodo segun la reivindicacion 11, caracterizado porque el paso de la transferencia de calor desde el circuito de agua- vapor (10) hacia el acumulador de calor (20) esta incluido en el paso de la transferencia de calor desde el
    5 acumulador de calor (20) hacia el contenedor (30).
  13. 13. Metodo segun una de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado porque el paso de la transferencia de agua desde el contenedor (30) hacia la turbina de gas (1) tiene lugar sucesivamente, con respecto al aspecto temporal, en comparacion con los otros pasos, en particular en un momento de la salida de potencia aumentada de la turbina de gas (1), en el caso de una demanda aumentada de potencia electrica desde una red de suministro de corriente.
    10
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