ES2649153T3 - Instalación de turbina de gas - Google Patents

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Hideyuki Maeda
Yasunori Iwai
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Abstract

Una instalación de turbina de gas (10), que comprende: una cámara de combustión (20) que quema un combustible y un oxidante; una turbina (21) rotada por un gas de combustión expulsado de la cámara de combustión (20); un intercambiador de calor (23) que enfría el gas de combustión expulsado de la turbina (21); un eliminador de vapor de agua que elimina el vapor de agua del gas de combustión que pasa a través del intercambiador de calor (23) para regenerar el gas de trabajo seco del mismo; un compresor (25) que comprime el gas de trabajo seco hasta que se vuelve un fluido supercrítico; una tubería de introducción de cámara de combustión (42) que guía una parte del gas de trabajo seco del fluido supercrítico expulsado del compresor (25) a la cámara de combustión (20) a través del intercambiador de calor (23); una tubería de escape (44) ramificada desde la tubería de introducción de cámara de combustión (42) en un lado corriente arriba del intercambiador de calor (23) para expulsar al exterior una parte del gas de trabajo seco que fluye a través de la tubería de introducción de cámara de combustión (42); una bomba (27) interpuesta en la tubería de introducción de cámara de combustión (42) en un lado corriente arriba de la parte de rama de la tubería de escape (44) para aumentar la presión del gas de trabajo seco que fluye a través de la tubería de introducción de cámara de combustión (42) de acuerdo con una carga de turbina; una tubería de derivación (45) que introduce una parte restante del gas de trabajo seco del fluido supercrítico expulsado del compresor (25) en una tubería (40) que acopla una salida de la turbina (21) y una entrada del intercambiador de calor (23); una válvula de regulación de caudal de derivación (30) proporcionada en la tubería de derivación (45) para regular el caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrítico que fluye a través de la tubería de derivación (45); y una unidad de control (60) que controla una apertura de la válvula de regulación de caudal de derivación (30) y una velocidad de rotación de la bomba (27).

Description

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DESCRIPCION
Instalacion de turbina de gas Campo
Las realizaciones descritas en el presente documento se refieren, en general, a una instalacion de turbina de gas. Antecedentes
El aumento de la eficacia de las plantas de generacion de energla esta en progreso en respuesta a las demandas de reduccion del dioxido de carbono, la conservacion de recursos, y similares. Especlficamente, el aumento de la temperatura del fluido de trabajo de una turbina de gas y una turbina de vapor, que emplean un ciclo combinado, y similares estan en progreso activo. Ademas, la investigacion y el desarrollo de tecnicas de recoleccion de dioxido de carbono estan en progreso.
La figura 3 es un diagrama de sistema de una instalacion de turbina de gas convencional en la que una parte de dioxido de carbono generado en una camara de combustion se hace circular como fluido de trabajo. Como se ilustra en la figura 3, el oxlgeno separado a partir de un separador de aire (no ilustrado) esta regulado en caudal por una valvula de regulacion de caudal 310 y se suministra a una camara de combustion 311. El combustible se regula en el caudal por una valvula de regulacion de caudal 312 y se suministra a la camara de combustion 311. Este combustible es, por ejemplo, un hidrocarburo.
El combustible y el oxlgeno reaccionan (se queman) en la camara de combustion 311. Cuando el combustible se quema con el oxlgeno, se generan dioxido de carbono y vapor de agua como gas de combustion. Los caudales de combustible y oxlgeno estan regulados para que tengan una relacion de mezcla estequiometrica en un estado en que esten completamente mezclados.
El gas de combustion generado en la camara de combustion 311 se introduce en una turbina 313. El gas de combustion que realiza un trabajo de expansion en la turbina 313 pasa a traves de un intercambiador de calor 314 y, a continuacion adicionalmente a traves de un intercambiador de calor 315. Cuando pasa a traves del intercambiador de calor 315, el vapor de agua se condensa en agua. El agua pasa a traves de una tuberla 316 y se descarga hacia el exterior. Observese que un generador 317 esta acoplado a la turbina 313.
Un gas de trabajo seco (dioxido de carbono) separado del vapor de agua se comprime por un compresor 318. Una parte del dioxido de carbono comprimido esta regulada en caudal por una valvula de regulacion caudal 319 y se expulsa al exterior. El resto del dioxido de carbono se calienta en el intercambiador de calor 314 y se suministra a la camara de combustion 311.
En el presente documento, en la instalacion de turbina de gas, el control de carga de turbina se realiza a partir de una velocidad maxima sin carga (FSNL) a un valor nominal. Por lo tanto, el caudal del fluido de trabajo introducido en la turbina 313 varla. La presion del fluido de trabajo en esta instalacion de turbina de gas esta a alta presion, y por lo tanto, el caudal volumetrico del fluido de trabajo en el compresor 318 es pequeno. En consecuencia, como compresor 318, un compresor axial no es adecuado, y se usa un compresor centrlfugo.
Una parte del dioxido de carbono suministrado a la camara de combustion 311 se introduce en una zona de combustion junto con el combustible y el oxlgeno. El resto del dioxido de carbono se usa para enfriar las superficies de la pared de la camara de combustion 311 y diluir el gas de combustion. A continuacion, el dioxido de carbono introducido en la camara de combustion 311 se introduce en la turbina 313 junto con el gas de combustion.
En el sistema descrito anteriormente, una cantidad de dioxido de carbono equivalente a la cantidad de dioxido de carbono generada quemando el combustible y el oxlgeno en la camara de combustion 311 se expulsa al exterior del sistema. El dioxido de carbono expulsado al exterior del sistema se recoge, por ejemplo, mediante un aparato de recuperacion. Ademas, por ejemplo, tambien es posible utilizar el dioxido de carbono expulsado para expulsar el petroleo residual de una formacion rocosa subterranea de un campo petrollfero. Por otro lado, el dioxido de carbono que queda en el sistema circula a traves del sistema.
En la instalacion de turbina de gas convencional descrita anteriormente, la llama formada en la camara de combustion 311 se ve afectada, por ejemplo, por una velocidad de inyeccion del dioxido de carbono inyectado en la camara de combustion 311 (en lo sucesivo en el presente documento, denominada como una velocidad de inyeccion de camara de combustion V).
Esta velocidad de inyeccion de camara de combustion V se define por la ecuacion (1) siguiente.
V = G x T x R x Z (P x A)... (1)
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En este caso, G es un caudal volumetrico del dioxido de carbono que fluye en la camara de combustion 311, T es una temperatura del dioxido de carbono que fluye en la camara de combustion 311, R es una constante de gas, y Z es un coeficiente de compresibilidad. Ademas, P es una presion del dioxido de carbono que fluye en la camara de combustion 311, y A es un area de abertura total de una abertura atravesada por el dioxido de carbono que fluye en la camara de combustion 311.
Como se ha descrito anteriormente, la llama se ve afectada por la velocidad de inyeccion de camara de combustion V. Por consiguiente, cuando se realiza el control de carga de turbina en las instalaciones de turbina de gas se prefiere, por ejemplo, controlar esta velocidad de inyeccion de camara de combustion V en un intervalo apropiado con el fin de lograr la estabilizacion de la llama.
Sin embargo, en el compresor centrlfugo usado como el compresor descrito anteriormente 318, por ejemplo, no se proporcionan unas paletas de gula de entrada similares a las del compresor axial, y por lo tanto es diflcil realizar el control de caudal en un intervalo amplio. En consecuencia, cuando la carga de turbina cambia, es diflcil controlar la velocidad de inyeccion de camara de combustion V en un intervalo apropiado.
El documento US2011/0179799 desvela unos metodos y un sistema para generar energla usando una camara de combustion de alta eficacia en combinacion con un fluido circulante de CO2. Los metodos y sistemas pueden hacer uso ventajosamente de una turbina de energla de baja relacion de presion y un intercambiador de calor economizador en unas realizaciones especlficas. Puede usarse calor adicional de baja calidad desde una fuente externa para proporcionar parte de la cantidad de calor necesario para calentar el fluido circulante de CO2 reciclado. El CO2 obtenido del combustible puede capturarse y entregarse a presion en la tuberla.
El documento US2012/0067054 desvela metodos, conjuntos y sistemas para la produccion de energla que pueden permitir una mayor eficacia y unos componentes de menor coste obtenidos a partir del control, la reduccion o la eliminacion de la erosion mecanica de la pala de turbina por la erosion de partlculas o qulmica de los gases en un flujo de producto de combustion.
El documento US2013/0118145 desvela un sistema generador de energla integrado y un metodo que combina la generacion de energla de combustion con el calentamiento solar.
El documento US 4.498.289 desvela un sistema de energla de encendido directo mejorado que genera y emplea un gas de combustion que incluye dioxido de carbono.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de sistema de una instalacion de turbina de gas de una realizacion.
La figura 2 es un diagrama que ilustra la relacion entre una presion de entrada de una turbina y una velocidad de inyeccion de camara de combustion V en cada estado de carga en la instalacion de turbina de gas de la realizacion.
La figura 3 es un diagrama de sistema de una instalacion de turbina de gas convencional en la que una parte del dioxido de carbono generado en una camara de combustion se hace circular como fluido de trabajo.
Descripcion detallada
En una realizacion, una instalacion de turbina de gas de acuerdo con la reivindicacion 1 incluye una camara de combustion que quema un combustible y un oxidante, una turbina rotada por el gas de combustion expulsado de la camara de combustion, un intercambiador de calor que enfrla el gas de combustion expulsado de la turbina, y un eliminador de vapor de agua que elimina el vapor de agua del gas de combustion que pasa a traves del intercambiador de calor para regenerar el gas de trabajo seco del mismo.
Por otra parte, la instalacion de turbina de gas tiene un compresor que comprime el gas de trabajo seco hasta que se vuelve un fluido supercrltico, una tuberla de introduccion de camara de combustion que gula una parte del gas de trabajo seco del fluido supercrltico expulsado del compresor a la camara de combustion a traves del intercambiador de calor, una tuberla de escape ramificada desde la tuberla de introduccion de camara de combustion en un lado corriente arriba del intercambiador de calor para extraer una parte del gas de trabajo seco que fluye a traves de la tuberla de introduccion de camara de combustion hacia el exterior, una bomba interpuesta en la tuberla de introduccion de camara de combustion en un lado corriente arriba de la parte de rama de la tuberla de escape para aumentar la presion del gas de trabajo seco que fluye a traves de la tuberla de introduccion de camara de combustion de acuerdo con una carga de turbina, una tuberla de derivation que introduce una parte restante del gas de trabajo seco del fluido supercrltico expulsado del compresor en un acoplamiento de tuberla y una salida de la turbina y una entrada del intercambiador de calor, una valvula de regulation de caudal de derivacion proporcionada en la tuberla de derivacion para regular el caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrltico que fluye a traves de la tuberla de derivacion, y una unidad de control que controla una apertura de la valvula de regulacion de caudal de derivacion y una velocidad de rotation de la bomba.
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En lo sucesivo en el presente documento, las realizaciones se describiran haciendo referenda a los dibujos.
La figura 1 es un diagrama de sistema de una instalacion de turbina de gas 10 de una realizacion. Como se ilustra en la figura 1, la instalacion de turbina de gas 10 tiene una camara de combustion 20 que quema un combustible y un oxidante. Una tuberla 35 que suministra combustible a la camara de combustion 20 esta provista de una valvula de regulation de caudal 15 para regular un caudal de combustible. Una tuberla 36 que suministra oxidante a la camara de combustion 20 esta provista de una valvula de regulacion de caudal 16 para regular un caudal de oxidante. Observese que la valvula de regulacion de caudal 16 funciona como una valvula de regulacion de caudal de oxidante.
En este caso, como el combustible, por ejemplo, tambien puede usarse un hidrocarburo tal como gas natural o metano, o gas de gasification de carbon. Como oxidante, se usa oxlgeno. Este oxlgeno se obtiene, por ejemplo, separandose de la atmosfera mediante un aparato de separation de aire (no ilustrado).
El gas de combustion expulsado de la camara de combustion 20 se gula a una turbina 21. Esta turbina 21 se hace rotar por el gas de combustion. Por ejemplo, un generador 22 esta acoplado a esta turbina 21. Observese que el gas de combustion expulsado de la camara de combustion 20 mencionado en el presente documento contiene un producto de combustion, generado por combustion del combustible y del oxidante, y el gas de trabajo seco (dioxido de carbono), que se describira mas tarde, se suministra a la camara de combustion 20 y se expulsa junto con el producto de combustion de la camara de combustion 20.
El gas de combustion expulsado procedente de la turbina 21 se enfrla pasando a traves de un intercambiador de calor 23 interpuesto en una tuberla 40. El gas de combustion que pasa a traves del intercambiador de calor 23 pasa ademas a traves de un intercambiador de calor 24 interpuesto en la tuberla 40. Al pasar a traves del intercambiador de calor 24, se elimina el vapor de agua contenido en el gas de combustion, y el gas de trabajo seco se regenera a partir del gas de combustion. En este caso, al pasar a traves del intercambiador de calor 24, el vapor de agua se condensa en agua. Esta agua pasa, por ejemplo, a traves de una tuberla 41 y se descarga al exterior. Observese que el intercambiador de calor 24 funciona como un eliminador de vapor de agua que elimina el vapor de agua.
Se prefiere que no haya un exceso de oxidante (oxlgeno) o de combustible que permanezca en el gas de combustion expulsado de la camara de combustion 20. Por consiguiente, los caudales de combustible y oxlgeno suministrados a la camara de combustion 20 estan regulados para estar en una relation de mezcla estequiometrica (relation de equivalencia). Por lo tanto, los componentes del gas de trabajo seco son principalmente dioxido de carbono. Observese que el gas de trabajo seco tambien incluye el caso donde, por ejemplo, se mezcla una cantidad muy pequena de monoxido de carbono o similares.
El gas de trabajo seco se gula a un compresor 25 por la tuberla 40. El gas de trabajo seco se comprime por el compresor 25 hasta que se vuelve un fluido supercrltico. En una salida del compresor 25, la presion del gas de trabajo seco es, por ejemplo, de 8 MPa a 9 MPa, y la temperatura del gas de trabajo seco es, por ejemplo, de 35 a 45 °C. Observese que el fluido supercrltico se refiere a un estado bajo una temperatura y una presion igual o superior a un punto crltico.
En el presente documento, como el compresor 25 se usa, por ejemplo, un compresor centrlfugo. El compresor 25 esta, por ejemplo, acoplado coaxialmente a la turbina 21 con el fin de evitar el exceso de velocidad de la turbina 21. En este caso, el compresor 25 rota constantemente a una velocidad de rotation nominal de la turbina 21 cuando la turbina 21 esta en un valor nominal. El compresor centrlfugo tiene un pequeno margen de sobrepresion con respecto al aumento en la relacion de presion. Por lo tanto, cuando la velocidad de rotacion es constante, se prefiere que el compresor centrlfugo funcione con un caudal volumetrico y una relacion de presion que sean constantes.
Ademas, con el fin de mantener la presion en la salida del compresor 25 a una cierta presion supercrltica por ejemplo, la presion en una entrada del compresor 25 esta tambien en un valor constante. Cuando la presion en la entrada del compresor 25 es constante, la presion en una salida de la turbina 21 es constante. Esto se prefiere tambien a la vista de las caracterlsticas de sellado de la turbina 21 y el uso estable de los intercambiadores de calor 23, 24. Observese que con el fin de mantener constante la presion en la salida del compresor 25, es necesario regular un caudal del gas de trabajo seco que fluye a traves de una tuberla 45, lo que se describira mas adelante.
Una parte del gas de trabajo seco del fluido supercrltico expulsado del compresor 25 pasa a traves de una tuberla 42 y se gula a la camara de combustion 20. Esta tuberla 42 funciona como una tuberla de introduction de camara de combustion. En la tuberla 42, se interpone un enfriador 26 para enfriar el gas de trabajo seco del fluido supercrltico. El gas de trabajo seco del fluido supercrltico mantiene una presion igual o superior a la presion del punto crltico al pasar a traves del enfriador 26, y esta a una temperatura inferior a la temperatura del punto crltico. Por lo tanto, despues de pasar a traves del enfriador 26, el gas de trabajo seco sale del estado de fluido supercrltico y se vuelve llquido.
En la tuberla 42, en un lado corriente abajo del enfriador 26, se interpone una bomba 27 que presuriza el gas de trabajo seco, que se ha convertido en llquido. La bomba 27 presuriza, por ejemplo, el gas de trabajo seco que se ha
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convertido en llquido de acuerdo con la carga de turbina. La bomba 27 se controla, por ejemplo, en velocidad de rotacion por un motor inversor. El gas de trabajo seco que se ha convertido en llquido se presuriza mediante la bomba 27 y tambien su temperatura se convierte en igual o mayor que la temperatura del punto crltico. Por lo tanto, el gas de trabajo seco que se ha convertido en llquido pasa a traves de la bomba 27 para convertirse de nuevo de este modo en el gas de trabajo seco del fluido supercrltico.
En la bomba 27, por ejemplo, con el fin de suministrar el gas de trabajo seco a un caudal y una presion predeterminados a la camara de combustion 20, el control de velocidad de rotacion se realiza mediante, por ejemplo, un inversor con el fin de hacerlo pasar los puntos establecidos del caudal y de la presion predeterminados.
En este caso, la razon para hacer que el gas de trabajo seco, que pasa a traves del enfriador 26, se convierta en llquido mientras se mantiene una presion igual a o mayor que la presion del punto crltico es, por ejemplo, evitar el dano debido a la cavitacion que se produce cuando un flujo de dos capas de la mezcla de gas y llquido entra en la bomba 27 bajo la condicion de que el gas y el llquido puedan existir juntos, tal como una condition igual o inferior al punto crltico. Ademas, al hacer que se convierta en llquido, no se ve privado del calor de condensation, permitiendo el funcionamiento mientras que se mantiene la eficacia del ciclo.
Ademas, mediante el control de carga de turbina, un caudal del gas de trabajo seco expulsado de la bomba 27 y una presion de salida de la bomba de cambio 27 cambian ampliamente. En la turbina 21, el gas de combustion se convierte en un flujo regulado y, por lo tanto, su capacidad de deglucion (SWC) se vuelve constante. Por lo tanto, se cumple la siguiente ecuacion (2).
SWC = Gt x (Tt)1/2/Pt = constante... ecuacion (2)
En este caso, Gt es un caudal volumetrico del gas de combustion en una entrada de la turbina 21, Tt es una temperatura del gas de combustion en la entrada de la turbina 21, y Pt es una presion del gas de combustion en la entrada de la turbina 21.
Por ejemplo, con el fin de aumentar la presion del gas de combustion suministrado a la turbina 21, si se determina el caudal del gas de combustion, se aumentan el caudal de combustible y el caudal de oxidante para elevar la temperatura del gas de combustion. Sin embargo, cuando no se proporciona la bomba 27, casi no hay margen de entrada de sobrepresion del compresor centrlfugo que es el compresor 25, y por lo tanto no puede soportar el aumento de presion del mismo. En consecuencia, al tener la bomba 27, se realiza un sistema que soporta el aumento de presion.
Una tuberla 44 que expulsa una parte del gas de trabajo seco que fluye a traves de la tuberla 42 hacia el exterior esta ramificada desde la tuberla 42 entre la bomba 27 y el intercambiador de calor 23. Esta tuberla 44 funciona como una tuberla de escape. La tuberla 44 esta provista de una valvula de regulation de caudal 29 para regular el caudal del gas de trabajo seco a expulsar. Observese que la valvula de regulacion de caudal 29 funciona como una valvula de regulacion de caudal de escape.
El gas de trabajo seco expulsado de la tuberla 44 se recoge mediante, por ejemplo, un aparato de recuperation. Ademas, por ejemplo, tambien es posible utilizar el gas de trabajo seco expulsado para expulsar el petroleo residual de una formation rocosa subterranea de un campo petrollfero. Por ejemplo, una cantidad de dioxido de carbono equivalente a la cantidad de dioxido de carbono generada quemando el combustible y el oxlgeno en la camara de combustion 20 se extrae de la tuberla 44. Observese que el gas de trabajo seco distinto del gas de trabajo seco que sale de la tuberla 44 se gula a la camara de combustion 20 y circula a traves del sistema.
En la corriente abajo de la parte de rama de la tuberla 44, la tuberla 42 pasa a traves del intercambiador de calor 23 y se comunica con la camara de combustion 20. En el intercambiador de calor 23, el gas de trabajo seco del fluido supercrltico que fluye a traves de la tuberla 42 obtiene una cantidad de calor del gas de combustion expulsado de la turbina 21 y se calienta de este modo. El gas de trabajo seco que pasa a traves de la tuberla 42 y que se introduce en la camara de combustion 20 se inyecta, por ejemplo, en una zona de combustion junto con el combustible y el oxidante del lado corriente arriba de la camara de combustion 20, o se inyecta en un lado corriente abajo de una zona de combustion en un revestimiento de camara de combustion de un orificio de dilution o similar despues de enfriar el revestimiento de camara de combustion.
En este caso, se prefiere una velocidad de inyeccion en la camara de combustion 20 del gas de trabajo seco guiado a la camara de combustion 20 a traves de la tuberla 42 que sea casi constante independientemente de la carga de turbina. La velocidad de inyeccion es la velocidad de inyeccion de camara de combustion V definida por la ecuacion (1) descrita anteriormente. Esta velocidad de inyeccion de camara de combustion V se establece de tal manera que se forma una zona de recirculation que contribuye a la estabilidad de llama en un intervalo apropiado de la zona de combustion. La velocidad de inyeccion de camara de combustion V que es casi constante se refiere, por ejemplo, a un intervalo de ± 10 % con una velocidad de inyeccion de camara de combustion promedio en cada carga de turbina como su centro.
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La zona de abertura total A de la abertura atravesada por el gas de trabajo seco (dioxido de carbono) que fluye en la camara de combustion 20 es constante. En consecuencia, cuando la velocidad de inyeccion de camara de combustion V se establece casi constante independientemente de la carga de turbina, el caudal masico del gas de trabajo seco suministrado a la camara de combustion cambia por la carga de turbina, pero el caudal volumetrico se vuelve casi constante independientemente de la carga de turbina.
La parte restante del gas de trabajo seco del fluido supercrltico expulsado del compresor 25 pasa a traves de una tuberla 45 y se introduce en la tuberla 40 acoplando la salida de la turbina 21 y una entrada del intercambiador de calor 23. La tuberla 45 funciona como una tuberla de derivacion. La tuberla 45 esta provista de una valvula de regulacion de caudal 30 para regular un caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrltico a introducir en la tuberla 40. Cuando la velocidad de rotacion del compresor 25 es constante, para mantener constante la presion a la salida del compresor 25, la presion en la entrada del compresor 25 necesita ser constante. En consecuencia, el caudal del gas de trabajo seco a derivar se regula mediante la valvula de regulacion de caudal 30. Observese que la valvula de regulacion de caudal 30 funciona como valvula de regulacion de caudal de derivacion.
Ademas, la instalacion de turbina de gas 10 tiene una unidad de deteccion de caudal 50 que detecta el caudal del combustible que fluye a traves de la tuberla 35, una unidad de deteccion de caudal 51 que detecta el caudal del oxidante que fluye a traves de la tuberla 36, una unidad de deteccion de caudal 52 que detecta el caudal del gas de trabajo seco que fluye a traves de la tuberla 42, una unidad de deteccion de caudal 53 que detecta el caudal del gas de trabajo seco que fluye a traves de la tuberla 44, y una unidad de deteccion de caudal 54 que detecta el caudal del gas de trabajo seco que fluye a traves de la tuberla 45. Cada unidad de deteccion de caudal esta constituida, por ejemplo, por un caudallmetro de tipo Venturi, tipo Coriolis o similar.
En este caso, la unidad de deteccion de caudal 50 funciona como una unidad de deteccion de caudal de combustible, la unidad de deteccion de caudal 51 como una unidad de deteccion de caudal de oxidante, la unidad de deteccion de caudal 52 como una unidad de deteccion de caudal de introduction de camara de combustion, la unidad de deteccion de caudal 53 como unidad de deteccion de caudal de escape, y la unidad de deteccion de caudal 54 como una unidad de deteccion de caudal de derivacion.
La instalacion de turbina de gas 10 tiene una unidad de control 60 que controla las aperturas de las valvulas de regulacion de caudal de derivacion respectivas 16, 29, 30 basandose en las senales de deteccion procedentes de las unidades de deteccion de caudal respectivas 50, 51, 52, 53, 54. Esta unidad de control 60 tiene principalmente, por ejemplo, una unidad aritmetica (CPU), una unidad de almacenamiento tal como una memoria de solo lectura (ROM) y una memoria de acceso aleatorio (RAM), una unidad de entrada/salida, y as! sucesivamente. La CPU ejecuta diversos tipos de procesamientos aritmeticos usando, por ejemplo, programas, datos y similares almacenados en la unidad de almacenamiento.
La unidad de entrada/salida introduce una senal electrica desde un dispositivo exterior o emite una senal electrica a un dispositivo exterior. Especlficamente, la unidad de entrada/salida esta conectada a, por ejemplo, las unidades de deteccion de caudal respectivas 50, 51, 52, 53, 54 y a las valvulas de regulacion de caudal respectivas 15, 16, 29, 30, y as! sucesivamente de una manera capaz de introducir/emitir diversas senales. El procesamiento ejecutado por esta unidad de control 60 se realiza mediante, por ejemplo, un aparato informatico o similar.
A continuation, se describiran las operaciones relacionadas con la regulacion del caudal de combustible, el oxlgeno y el gas de trabajo seco (dioxido de carbono) suministrados a la camara de combustion 20 haciendo referencia a la figura 1.
Mientras se hace funcionar la instalacion de turbina de gas 10, una senal de salida procedente de la unidad de deteccion de caudal 50 se introduce en la unidad de control 60 a traves de la unidad de entrada/salida. Basandose en la senal de salida introducida, se calcula el caudal de oxlgeno necesario para hacer que la relation de equivalencia sea 1 en la unidad aritmetica usando programas, datos, y as! sucesivamente almacenados en la unidad de almacenamiento. Observese que el caudal de combustible se controla regulando una apertura de la valvula de regulacion de caudal 15 basandose en, por ejemplo, una salida de turbina de gas necesaria.
Posteriormente, basandose en una senal de salida procedente de la unidad de deteccion de caudal 51 que se introduce desde la unidad de entrada/salida, la unidad de control 60 emite una senal de salida para regular la apertura de la valvula desde la unidad de entrada/salida a la valvula de regulacion de caudal 16 de tal manera que el caudal de dioxido de carbono calculado fluye a traves de la tuberla 36.
A continuacion, en la unidad de aritmetica de la unidad de control 60, basandose en una senal de salida procedente de la unidad de deteccion de caudal 50 que se introduce desde la unidad de entrada/salida se calculan, el caudal de gas de trabajo seco (dioxido de carbono) del fluido supercrltico introducido en la camara de combustion 20, el caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrltico expulsado de la tuberla 44, y el caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrltico que se deriva a traves de la tuberla 45. Observese que los calculos de estos caudales pueden realizarse simultaneamente como el calculo descrito anteriormente del caudal de oxlgeno. Ademas, el caudal del gas de trabajo seco tambien puede calcularse basandose en una senal de salida procedente de la unidad de
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
deteccion de caudal 51.
En este caso, el caudal del gas de trabajo seco (dioxido de carbono) introducido en la camara de combustion 20 se calcula de tal manera que la velocidad de inyeccion de camara de combustion V se convierte en un valor establecido. Observese que el caudal del gas de trabajo seco expulsado de la tuberla 44 es, como se ha descrito anteriormente, la cantidad equivalente a la cantidad de dioxido de carbono generada quemando el combustible y el oxlgeno en la camara de combustion 20. Por ejemplo, cuando disminuye el caudal de combustible, aumenta el caudal del gas de trabajo seco derivado a traves de la tuberla 45. Por otra parte, cuando aumenta el caudal de combustible, disminuye el caudal del gas de trabajo seco derivado a traves de la tuberla 45.
Observese que el compresor 25 esta acoplado coaxialmente a la turbina 21. Por lo tanto, cuando la turbina 21 esta en un valor nominal, el compresor 25 rota constantemente a una velocidad de rotacion nominal de la turbina 21. Ademas, la presion en la entrada del compresor 25 es constante, y la presion del gas de trabajo seco en la salida del compresor 25 es una presion supercrltica constante. De este modo, el caudal del gas de trabajo seco expulsado del compresor 25 se vuelve constante.
Posteriormente, basandose en las senales de salida procedentes de las unidades de deteccion de caudal 52, 53, 54 introducidas desde la unidad de entrada/salida, la unidad de control emite las senales de salida 60 para regular las aperturas de valvula desde la unidad de entrada/salida a las valvulas de regulacion de caudal 29, 30 de tal manera que los caudales calculados respectivos del gas de trabajo seco fluyen a traves de las tuberlas 42, 44, 45. Observese que en la estructura ilustrada en la figura 1, los detectados en la unidad de deteccion de caudal 52 son los caudales del gas de trabajo seco introducido en la camara de combustion 20 y el gas de trabajo seco expulsado de la tuberla 44.
En este caso, la bomba 27 esta controlada por la unidad de control 60 para estar a una velocidad de rotacion mediante la que pueden atraerse los caudales del gas de trabajo seco introducidos en la camara de combustion 20 y el gas de trabajo seco expulsado de la tuberla 44. Ademas, la presion del gas de trabajo seco en una salida de la bomba 27 es una presion necesaria en una entrada de la camara de combustion 20, en otras palabras, la entrada de la turbina 21.
En este caso, por ejemplo, cuando se disminuye el caudal del gas de trabajo seco introducido en la camara de combustion 20, la unidad de control 60 controla, por ejemplo la valvula de regulacion de caudal 30.
A continuacion, el gas de trabajo seco que fluye a traves de la tuberla 42 despues de que se ramifique a la tuberla 44 pasa a traves del intercambiador de calor 23 y se introduce en la camara de combustion 20.
Realizando los controles como se ha descrito anteriormente, incluso cuando cambia la carga de turbina, la velocidad de inyeccion de camara de combustion V puede mantenerse casi constante en el intervalo apropiado. De este modo, la zona de recirculacion se forma en el intervalo apropiado de la zona de combustion, y puede conseguirse la estabilizacion de la llama en la camara de combustion 20.
En este caso, la figura 2 es un diagrama que ilustra la relacion entre una presion de entrada de la turbina 21 y la velocidad de inyeccion de camara de combustion V en cada estado de carga en la instalacion de turbina de gas 10 de la realizacion. Observese que la presion de salida de la turbina 21 en la ilustracion es de 3 MPa. Ademas, en la figura 2, por ejemplo, FSNL es una velocidad completa sin estado de carga, y el 25 % indica que la carga de turbina es del 25 %.
Como se ilustra en la figura 2, incluso cuando cambia la carga de la turbina, la velocidad de inyeccion de camara de combustion V se mantiene casi constante.
Como se ha descrito anteriormente, en la instalacion de turbina de gas 10 de la realizacion, la presion del gas de trabajo seco a la salida del compresor 25 es una presion supercrltica constante. A continuacion, se proporciona la bomba 27 en la tuberla 42, y se proporciona la tuberla 45 que deriva una parte del gas de trabajo seco a la tuberla 40. Incluso cuando la carga de turbina cambia mediante los mismos, ellos mismos permiten mantener la velocidad de inyeccion de camara de combustion V sustancialmente constante en el intervalo apropiado y lograr la estabilizacion de la llama en la camara de combustion 20.
En la realizacion descrita anteriormente, incluso cuando cambia la carga de turbina, puede mantenerse la velocidad de inyeccion de camara de combustion en el intervalo apropiado, y puede lograrse la estabilizacion de la llama.
Aunque se han descrito ciertas realizaciones, estas realizaciones se han presentado solo a modo de ejemplo, y no estan destinadas a limitar el alcance de las invenciones tal como se define por las reivindicaciones. De hecho, las nuevas realizaciones descritas en el presente documento pueden realizarse de otras varias formas; ademas, pueden hacerse diversas omisiones, sustituciones y cambios en la forma de las realizaciones descritas en el presente documento sin alejarse del alcance de las invenciones tal como se define en las reivindicaciones.

Claims (6)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Una instalacion de turbina de gas (10), que comprende:
    una camara de combustion (20) que quema un combustible y un oxidante;
    una turbina (21) rotada por un gas de combustion expulsado de la camara de combustion (20);
    un intercambiador de calor (23) que enfrla el gas de combustion expulsado de la turbina (21);
    un eliminador de vapor de agua que elimina el vapor de agua del gas de combustion que pasa a traves del
    intercambiador de calor (23) para regenerar el gas de trabajo seco del mismo;
    un compresor (25) que comprime el gas de trabajo seco hasta que se vuelve un fluido supercrltico;
    una tuberla de introduccion de camara de combustion (42) que gula una parte del gas de trabajo seco del fluido
    supercrltico expulsado del compresor (25) a la camara de combustion (20) a traves del intercambiador de calor
    (23);
    una tuberla de escape (44) ramificada desde la tuberla de introduccion de camara de combustion (42) en un lado corriente arriba del intercambiador de calor (23) para expulsar al exterior una parte del gas de trabajo seco que fluye a traves de la tuberla de introduccion de camara de combustion (42);
    una bomba (27) interpuesta en la tuberla de introduccion de camara de combustion (42) en un lado corriente arriba de la parte de rama de la tuberla de escape (44) para aumentar la presion del gas de trabajo seco que fluye a traves de la tuberla de introduccion de camara de combustion (42) de acuerdo con una carga de turbina; una tuberla de derivacion (45) que introduce una parte restante del gas de trabajo seco del fluido supercrltico expulsado del compresor (25) en una tuberla (40) que acopla una salida de la turbina (21) y una entrada del intercambiador de calor (23);
    una valvula de regulacion de caudal de derivacion (30) proporcionada en la tuberla de derivacion (45) para regular el caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrltico que fluye a traves de la tuberla de derivacion (45);
    y
    una unidad de control (60) que controla una apertura de la valvula de regulacion de caudal de derivacion (30) y una velocidad de rotacion de la bomba (27).
  2. 2. La instalacion de turbina de gas (10) de acuerdo con la reivindicacion 1,
    en la que el compresor (25) esta constituido por un compresor centrlfugo y esta acoplado coaxialmente a la turbina (21).
  3. 3. La instalacion de turbina de gas (10) de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, que comprende ademas
    un enfriador (26) interpuesto en la tuberla de introduccion de camara de combustion (42) en un lado corriente arriba de la parte de rama de la tuberla de escape (44) y la bomba (27) para enfriar el gas de trabajo seco del fluido supercrltico que fluye a traves de la tuberla de introduccion de camara de combustion (42).
  4. 4. La instalacion de turbina de gas (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
    en la que se mantiene constante una velocidad de inyeccion (V) en la camara de combustion (20) del gas de trabajo seco guiado en la camara de combustion (40) a traves de la tuberla de introduccion de camara de combustion (42).
  5. 5. La instalacion de turbina de gas (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el gas de trabajo seco es dioxido de carbono.
  6. 6. La instalacion de turbina de gas (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende ademas:
    una unidad de deteccion de caudal de combustible (50) interpuesta en una tuberla (35), por la que fluye a su traves el combustible suministrado a la camara de combustion (20), para detectar un caudal del combustible; una unidad de deteccion de caudal de oxidante (51) interpuesta en una tuberla (36), por la que fluye a su traves el oxidante suministrado a la camara de combustion (20), para detectar un caudal del oxidante; una valvula de regulacion de caudal de oxidante (16) proporcionada en la tuberla (36), por la que fluye a su traves el oxidante, para regular el caudal del oxidante;
    una unidad de deteccion de caudal de introduccion de camara de combustion (52) interpuesta en la tuberla de introduccion de camara de combustion (42) para detectar un caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrltico que fluye a traves de la tuberla de introduccion de camara de combustion (42);
    una unidad de deteccion de caudal de escape (53) interpuesta en la tuberla de escape (44) para detectar un caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrltico que fluye a traves de la tuberla de escape (44); una valvula de regulacion de caudal de escape (29) proporcionada en la tuberla de escape (44) para regular el caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrltico que fluye a traves de la tuberla de escape (44); y una unidad de deteccion de caudal de derivacion (54) interpuesta en la tuberla de derivacion (45) para detectar un caudal del gas de trabajo seco del fluido supercrltico que fluye a traves de la tuberla de derivacion (45); en donde la unidad de control (60) controla las aperturas de la valvula de regulacion de caudal de oxidante (16), la valvula de regulacion de caudal de escape (29) y la valvula de regulacion de caudal de derivacion (30) basandose en las senales de deteccion procedentes de la unidad de deteccion de caudal de combustible (50), la unidad de deteccion de caudal de oxidante (51), la unidad de deteccion de caudal de introduccion de camara de
    combustion (52), la unidad de deteccion de caudal de escape (53) y la unidad de deteccion de caudal de derivation (54).
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