ES2883656T3 - Planta de ciclo Rankine y proceso para la regasificación de gas licuado - Google Patents
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Abstract
Planta de ciclo Rankine para la regasificación de gas licuado, que comprende: un sistema de bucle cerrado Rankine (2) que comprende al menos: un evaporador (5); una turbina de expansión (6; 6', 6") provista de una abertura de afluencia (10; 10', 10''), una abertura de escape (11; 11', 11") y al menos una salida auxiliar (12, 13, 14; 12', 13', 14"); un generador (7) conectado operativamente a la turbina de expansión (6; 6', 6"); un condensador (8); una bomba (9); unos conductos configurados para conectar el evaporador (5), la turbina de expansión (6; 6', 6''), el condensador (8) y la bomba (9) de acuerdo con un ciclo cerrado en el que circula un fluido de trabajo (WF); una fuente (3) de gas licuado (LG) a una temperatura criogénica, estando la fuente (3) de gas licuado (LG) acoplada operativamente al condensador (8) para recibir calor del fluido de trabajo (WF) que sale de la turbina de expansión (6; 6', 6") con el fin de llevar el gas licuado (LG) al estado gaseoso; una fuente (4) de un fluido de calentamiento (HF) a una temperatura más alta que la temperatura criogénica, estando la fuente (4) de fluido de calentamiento (HF) acoplada operativamente al evaporador (5) para transferir calor al fluido de trabajo (WF) procedente del condensador (8); caracterizada por que la turbina de expansión (6; 6', 6") es una centrífuga radial, en donde dicha al menos una salida auxiliar (12, 13, 14; 12', 13', 14") está interpuesta entre etapas sucesivas de dicha turbina de expansión (6; 6', 6"); y por que el condensador (8) es multinivel y comprende al menos dos cámaras de condensación (25, 26, 27, 28), en donde una cámara inferior (25) de dichas al menos dos cámaras de condensación (25, 26, 27, 28) está conectada a la abertura de escape (11; 11") y una cámara superior (26, 27, 28) de dichas al menos dos cámaras de condensación (25, 26, 27, 28) está conectada a dicha al menos una salida auxiliar (12, 13, 14; 12', 13', 14").
Description
DESCRIPCIÓN
Planta de ciclo Rankine y proceso para la regasificación de gas licuado
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una planta Rankine y un proceso de ciclo Rankine para la regasificación de gas licuado. En particular, la presente invención se refiere a una planta y un proceso que aprovechan un ciclo Rankine cerrado que extrae calor de una fuente de calor y descarga el calor a través de una o más etapas de condensación en un flujo de gas licuado en la etapa de regasificación y calentamiento. Por ejemplo, la presente invención puede aplicarse a la regasificación de gas natural licuado o 
plantas de fraccionamiento de aire que implementan un proceso de destilación criogénica.
Antecedentes de la invención
Se conocen sistemas para la regasificación de gas natural licuado (GNL), que usan el ciclo Rankine orgánico (ORC) con este fin.
Por ejemplo, cada uno de los documentos públicos US2013160486, WO2006111957, US2009100845 ilustra un sistema para la regasificación y producción de energía a partir de gas natural líquido (GNL). El sistema comprende un circuito cerrado del tipo ORC (ciclo Rankine orgánico) acoplado operativamente a una fuente de calor (agua de mar o una fuente equivalente) en un evaporador y al gas natural líquido (GNL) en uno o más condensadores. El fluido orgánico en el ciclo ORC se vaporiza en el evaporador, se envía a una turbina de expansión donde se expande generando energía y, a continuación, a el o los condensadores donde el fluido orgánico transfiere calor al gas natural líquido que, de este modo, se regasifica. Tales realizaciones de tales documentos comprenden un primer y un segundo condensador. El fluido de trabajo orgánico que sale de la turbina se envía al primer condensador y una parte del mismo fluido orgánico extraído de la turbina a una presión intermedia se envía al segundo condensador.
También se conoce el documento público WO 2013/171685, en nombre del solicitante, que ilustra un sistema ORC para la producción de energía a través de un ciclo Rankine orgánico. Tal sistema ORC comprende una turbina de tipo centrífugo radial formada por un único disco de rotor y provista de una abertura auxiliar. Tal abertura auxiliar se interpone entre una abertura de afluencia y una abertura de escape de la turbina y está en conexión fluida con un circuito auxiliar, para extraer de la turbina o introducir en la turbina el fluido de trabajo orgánico a una presión intermedia entre una presión de afluencia y una presión de escape. El documento US2010146971 desvela configuraciones y métodos de regasificación de GNL. El GNL se regasifica con la producción de energía simultánea en sistemas y métodos donde el contenido de refrigeración del GNL condensa un vapor de fluido de trabajo de baja presión y en los que el contenido de refrigeración combinado del GNL calentado y el condensado de fluido de trabajo de baja presión condensa un vapor de fluido de trabajo de presión intermedia.
Sumario
En este contexto, el solicitante observó que los sistemas de regasificación del tipo conocido que aprovechan circuitos ORC, especialmente aquellos con operaciones de purga intermedia, son extremadamente complejos en su estructura y, por lo tanto, costosos y engorrosos. Por ejemplo, los sistemas ilustrados en los documentos mencionados anteriormente US2013160486, WO2006111957, US2009100845 tienen varios condensadores y un número equivalente de bombas y/o varios turboexpansores, por ejemplo, como se muestra en el documento US2010014697.
En este contexto, el solicitante percibió la necesidad de proporcionar una planta Rankine y un proceso de ciclo Rankine para la regasificación de gas licuado provistos de una configuración que fuera simple y relativamente poco engorrosa.
En particular, el solicitante percibió la necesidad de proporcionar una planta y un proceso que comprendan un número limitado de componentes.
El solicitante también percibió la necesidad de proporcionar una planta y un proceso cuyos componentes individuales fueran estructuralmente simples y compactos.
Por lo tanto, el solicitante descubrió que los objetivos mencionados anteriormente y otros objetivos pueden lograrse adoptando, en el circuito cerrado ORC, una turbina de expansión del tipo centrífugo radial (escape), preferentemente con una o más operaciones de purga intermedia y/o un condensador multinivel.
En la reivindicación 1 se describe una planta generadora de acuerdo con la invención.
En un aspecto, la planta y/o el proceso se aplican a la regasificación de gas natural licuado.
En un aspecto, la planta y/o el proceso se aplican al fraccionamiento de aire por medio de destilación criogénica.
En un aspecto, está previsto extraer, de la turbina de expansión, fluido de trabajo al menos a una presión intermedia.
En un aspecto, la turbina de expansión comprende al menos una salida auxiliar (purga de presión intermedia).
En un aspecto, la expansión del fluido se obtiene en una turbina de expansión centrífuga radial (escape).
En un aspecto, la turbina de expansión es centrífuga radial (escape), preferentemente del tipo multietapa.
En un aspecto, dicha al menos una salida auxiliar se interpone entre etapas sucesivas de dicha turbina de la turbina de expansión centrífuga radial.
La turbina centrífuga radial permite tener un alto número de etapas por un único disco de rotor, con mayor eficiencia con respecto a una turbina de una sola etapa, como se produce habitualmente en turbinas centrípetas, o con dos o tres etapas como se produce en turbinas axiales. En particular, la turbina centrífuga radial multietapa permite obtener el espacio entre las etapas para la extracción del fluido de trabajo vaporizado a niveles de presión sucesivamente decrecientes, permitiendo de este modo obtener una menor distancia promedio entre la curva de condensación y la curva de evaporación/calentamiento del gas licuado en el diagrama T-q y, por lo tanto, menor generación de irreversibilidad y mayor eficiencia.
Este aspecto distintivo de la turbina centrífuga radial permite operar con un ciclo multinivel con una configuración simple (una única turbina, un único disco), en lugar de usar turbinas en voladizo en serie y/o en paralelo o turbinas dispuestas entre cojinetes (es decir, no en voladizo) y con extracción intermedia. Además, la turbina centrífuga radial en configuración criogénica (que opera a bajas temperaturas, es decir, por ejemplo, entre -120 °C y -70 °C, más habitualmente entre -80 °C y -60 °C, como en la planta de la presente invención), independientemente de la configuración multinivel, tiene la característica única de tener una temperatura de trabajo no criogénica en el centro de la máquina, dado que las primeras etapas están dispuestas en una posición central en el disco de rotor, cerca de la abertura de afluencia y el árbol. De esta manera, toda la parte mecánica de la máquina (sellado mecánico, cojinetes, soportes, etc.) opera a una temperatura no criogénica, mientras que la parte criogénica permanece en la parte exterior del disco de rotor, donde puede usarse el material de mayor calidad para la construcción de las etapas, y en el alojamiento.
En un aspecto, la condensación se obtiene mediante un condensador multinivel que comprende al menos dos cámaras de condensación.
En un aspecto, el condensador es un condensador multinivel y comprende al menos dos cámaras de condensación.
En un aspecto, una cámara inferior de dichas al menos dos cámaras de condensación está conectada a la abertura de escape de la turbina de expansión y una cámara superior de dichas al menos dos cámaras de condensación está conectada a dicha al menos una salida auxiliar de la turbina de expansión. Por lo tanto, el condensador también es compacto. Por lo tanto, la planta de acuerdo con la presente invención puede prever la presencia de la turbina de expansión centrífuga radial (con cualquier tipo de condensador) o el condensador multinivel (con cualquier tipo de turbina) o ambos.
En un aspecto de acuerdo con los aspectos anteriores, la turbina de expansión comprende un único disco de rotor y una pluralidad de etapas dispuestas radialmente una tras otra en una cara delantera del disco de rotor.
En un aspecto, la turbina de expansión comprende un alojamiento fijo, en donde el disco de rotor se inserta de manera rotatoria en el alojamiento fijo.
En un aspecto, la salida auxiliar se obtiene en una pared delantera del alojamiento fijo.
En un aspecto, la salida auxiliar se obtiene en una pared lateral del alojamiento fijo, preferentemente en una pared que conecta la pared delantera a la pared trasera.
En un aspecto, la cara delantera del único disco de rotor lleva una pluralidad de series anulares de palas de rotor. Cada serie anular comprende una pluralidad de palas de rotor dispuestas a lo largo de una trayectoria circular coaxial a un eje de rotación de la turbina de expansión. Entre sucesivas series anulares de palas de rotor, se disponen series anulares de palas de estátor, unidas integralmente a una pared delantera del alojamiento fijo que se orienta hacia el disco de rotor. Los pares de series anulares de palas de rotor y de estátor forman etapas de la turbina de expansión centrífuga radial.
En un aspecto, la abertura de afluencia de la turbina de expansión centrífuga radial está dispuesta en un área radialmente central del disco de rotor.
En un aspecto, la abertura de escape de la turbina de expansión centrífuga radial está dispuesta en un borde radialmente periférico del disco de rotor.
En un aspecto, la salida auxiliar de la turbina de expansión centrífuga radial se abre entre dos de dichas etapas.
En un aspecto, la turbina de expansión centrífuga radial comprende una pluralidad de salidas auxiliares, cada una interpuesta entre etapas sucesivas. Desde dichas salidas auxiliares se extrae fluido de trabajo a una presión progresivamente decreciente a partir de la salida auxiliar más cercana al eje de rotación y alejándose radialmente de manera progresiva.
En un aspecto, las dos etapas entre las que se abre la salida auxiliar, están espaciadas radialmente para definir una cámara para extraer el fluido de trabajo.
En un aspecto, las etapas de la turbina de expansión centrífuga radial delimitan entre sí una pluralidad de cámaras de extracción, cada una asociada a una salida auxiliar respectiva.
En un aspecto, el condensador multinivel comprende una carcasa que delimita en su interior al menos dos cámaras de condensación y un canal de escape que conecta la cámara superior con la cámara inferior.
En un aspecto, el condensador multinivel comprende una pluralidad de cámaras de condensación dispuestas una sobre otra y una pluralidad de canales que conectan dichas cámaras de condensación entre sí en forma de cascada.
El fluido de trabajo que se condensa en cada cámara, se acumula en forma líquida en el fondo de dicha cámara y fluye desde aquí a través del canal de escape respectivo hacia la cámara inferior hasta el fondo de la cámara dispuesta más abajo y conectada al evaporador.
En un aspecto, la cámara de condensación dispuesta más abajo está conectada a la descarga de la turbina.
En un aspecto, elevándose hacia arriba con respecto al condensador, cámaras sucesivas están conectadas a salidas auxiliares de la turbina de expansión a presión creciente. En un aspecto, la presión del fluido de trabajo en cada cámara de condensación crece fluyendo desde una cámara a la dispuesta más arriba.
En un aspecto, la carcasa del condensador multinivel tiene una forma alargada.
En un aspecto, la carcasa del condensador multinivel tiene una serie de tabiques interiores que la dividen internamente en las cámaras mencionadas anteriormente.
En un aspecto, la carcasa del condensador multinivel tiene una 
extensión principalmente vertical. En un aspecto, la carcasa del condensador multinivel tiene una 
extensión principalmente oblicua. En un aspecto, la carcasa del condensador multinivel tiene una 
extensión principalmente horizontal. En un aspecto, el condensador comprende al menos un tubo o haz de tubos conectado a la fuente de gas licuad En un aspecto, dicho al menos un tubo o haz de tubos pasa a través, preferentemente de manera vertical, de dichas al menos dos cámaras de condensación, preferentemente una pluralidad de cámaras de condensación.
En un aspecto, el gas licuado fluye desde el fondo hacia arriba en dicho al menos un tubo o haz de tubos.
En un aspecto, dicho al menos un tubo o haz de tubos entra en una parte inferior de la carcasa del condensador y sale por una parte superior de dicha carcasa del condensador.
Por lo tanto, el gas licuado más frío fluye en primer lugar a través de la cámara de condensación dispuesta más abajo y a una presión y temperatura más bajas (del fluido de trabajo), y, a continuación, en sucesión a través de las cámaras de condensación a una presión y temperatura en aumento progresivo, calentándose y gasificándose de este modo.
En un aspecto, la bomba es una sola y está dispuesta operativamente entre la cámara inferior del condensador y el evaporador para bombear el fluido de trabajo condensado hasta dicho evaporador. La estructura del condensador de acuerdo con la invención permite usar una única bomba y simplificar aún más de este modo la planta.
En un aspecto, los conductos comprenden un conducto que conecta la cámara inferior del condensador y el evaporador.
En un aspecto, la bomba está operativa en dicho conducto.
En un aspecto, una sección de dicho conducto pasa a través de una o más cámaras del condensador, para recuperar calor del fluido de trabajo presente en el condensador y transferir dicho calor al fluido de trabajo que fluye hacia el evaporador.
En un aspecto, dicha sección del conducto tiene la forma de al menos un paquete de intercambio.
En un aspecto, dicha sección pasa a través de al menos una cámara de condensación dispuesta por encima de la cámara de condensación dispuesta más hacia abajo.
En un aspecto, la planta comprende una primera y una segunda turbina de expansión.
En un aspecto, dicho generador está acoplado tanto a la primera como a la segunda turbina de expansión.
En un aspecto, al menos una de dichas turbinas de expansión primera y segunda es centrífuga radial.
En un aspecto, al menos una de dichas turbinas de expansión primera y segunda comprende al menos una salida auxiliar (purga a presión intermedia) conectada operativamente al condensador.
En un aspecto, una abertura de escape de la primera turbina de expansión está conectada a una abertura de afluencia de la segunda turbina de expansión.
En un aspecto, la planta comprende un intercambiador de calor dispuesto entre la abertura de escape de la primera turbina de expansión y la abertura de afluencia de la segunda turbina de expansión.
En un aspecto, el intercambiador de calor está acoplado operativamente a la fuente de fluido de calentamiento. En un aspecto, la primera turbina de expansión es una turbina de alta presión y dicha al menos una salida auxiliar respectiva está operativamente conectada a una cámara superior respectiva del condensador.
En un aspecto, la segunda turbina de expansión es una turbina de baja presión y dicha al menos una salida auxiliar respectiva está operativamente conectada a una cámara inferior respectiva del condensador.
En un aspecto, el fluido de trabajo es o comprende un fluido orgánico, preferentemente un gas refrigerante, preferentemente HFC, más preferentemente HFC-113.
En un aspecto, el fluido de trabajo es o comprende un hidrocarburo, preferentemente etano.
En un aspecto, el fluido de trabajo se selecciona del grupo que comprende: CO2 , N2O.
En un aspecto, el ciclo cerrado Rankine es de tipo orgánico (ciclo Rankine orgánico, ORC).
En un aspecto, el fluido de calentamiento es agua, preferentemente agua de mar. Normalmente, las plantas de regasificación de gas natural licuado están a orillas del mar dado que el gas natural licuado se transporta tal cual en barcos. Por lo tanto, el agua de mar es un recurso indispensable. El gas natural licuado se descarga de los barcos y se almacena, a temperatura criogénica y a presión atmosférica, en tanques especiales. A continuación, se envía a la planta de regasificación donde se reconvierte a estado gaseoso. Al final del proceso de regasificación, que determina una expansión natural de su volumen, el gas se transporta, por ejemplo, en el sistema nacional de suministro de gas a través de un gasoducto.
En un aspecto, el fluido de calentamiento, preferentemente agua, proviene del condensador de una turbina de vapor. En un aspecto, el fluido de calentamiento es un fluido de un proceso de enfriamiento.
En un aspecto, el fluido de calentamiento que fluye hacia el evaporador tiene una temperatura comprendida entre 5 °C y 70 °C, preferentemente entre 5 °C y 30 °C, preferentemente entre 10 °C y 20 °C, preferentemente equivalente a 15 °C.
En un aspecto, el gas licuado que fluye hacia el condensador tiene una temperatura comprendida entre -155 °C y -173 °C, por ejemplo, de -160 °C.
Se enfatiza que la planta de la presente invención puede comprender la cámara de expansión del tipo centrífugo radial (escape) como se define en uno o más de los aspectos anteriores y/o el condensador del tipo multinivel como se define en uno o más de los aspectos anteriores.
Otras características y ventajas serán más evidentes a partir de la descripción detallada de las realizaciones de una planta de ciclo Rankine para la regasificación de gas licuado de acuerdo con la presente invención.
Descripción de los dibujos
Tal descripción se esbozará en lo sucesivo en el presente documento con referencia a los dibujos adjuntos, proporcionada únicamente a modo de ejemplo no limitante, en donde:
■ la figura 1 ilustra una planta de ciclo Rankine para la regasificación de gas licuado de acuerdo con la presente invención;
■ la figura 2 ilustra una variante de la planta de la figura 1;
■ la figura 3 ilustra una realización diferente de la planta de la figura 1;
■ la figura 4 ilustra una variante de la planta de la figura 3; y
■ la figura 5 ilustra una semisección radial de una turbina de expansión implementada/implementable en las plantas de acuerdo con las figuras anteriores.
Descripción detallada
Haciendo referencia a las figuras adjuntas, una planta de ciclo Rankine para la regasificación de gas licuado LG, por ejemplo, gas natural licuado, se indica en su totalidad con el número de referencia 1. En una realización diferente no ilustrada, la planta podría ser una planta para el fraccionamiento de aire a través de destilación criogénica.
La planta 1 comprende un sistema de ciclo cerrado Rankine 2, una fuente 3 de gas licuado LG (representada esquemáticamente en la figura 1) y una fuente 4 de un fluido de calentamiento HF (representada esquemáticamente en la figura 1).
La fuente de gas licuado LG es, por ejemplo, un tanque en el que se almacena el gas natural licuado LG a la temperatura criogénica "Tlg" (por ejemplo, a -160 °C) y a presión atmosférica. La fuente 4 de un fluido de calentamiento HF es el mar y el fluido de calentamiento HF es, por lo tanto, agua extraída directamente del mar, por ejemplo, a la temperatura "Thf" de 15 °C. El fluido de calentamiento también podría ser agua procedente del condensador de una turbina de vapor o un fluido de otro proceso con enfriamiento.
El sistema de ciclo cerrado Rankine 2 usa un WF de trabajo que, por ejemplo, es un fluido orgánico (el ciclo es, por lo tanto, un ciclo de Rankine orgánico, ORC), por ejemplo, un gas refrigerante, por ejemplo, un HFC, tal como e1HFC-113. En otras realizaciones, el fluido de trabajo también puede ser un hidrocarburo, por ejemplo, etano o CO2 , N2 O.
El ciclo cerrado ORC 2 comprende: un evaporador 5, una turbina de expansión 6, un generador 7 conectado operativamente a la turbina de expansión 6, un condensador 8, una bomba 9. Los conductos conectan, de acuerdo con un ciclo cerrado, el evaporador 5, la turbina de expansión 6, el condensador 8, la bomba 9. El fluido de trabajo WF circula en el ciclo cerrado. El fluido de trabajo WF se calienta y se vaporiza en el evaporador 5. El fluido de trabajo WF en estado de vapor que sale del evaporador 5 fluye hacia la turbina de expansión 6 donde se expande, provocando la rotación de el o los rotores de la turbina de expansión 6 y el generador 7 que genera de este modo energía eléctrica. El fluido de trabajo WF expandido entra posteriormente en el condensador 8 donde se devuelve al estado líquido y, en el presente documento, se bombea 9 al evaporador 5 una vez más.
La fuente 3 de gas natural licuado LG está acoplada operativamente al condensador 8 para recibir calor del fluido de trabajo WF que sale de la turbina de expansión 6 con el fin de llevar el gas natural licuado LG al estado gaseoso. Por lo tanto, la condensación del fluido de trabajo WF en el condensador 8 se produce transfiriendo calor al gas natural líquido LG.
La fuente 4 del fluido de calentamiento (agua de mar) está acoplada operativamente al evaporador 5 para transferir calor al fluido de trabajo WF procedente del condensador 8. Por lo tanto, el calentamiento y la vaporización del fluido de trabajo WF se produce en el evaporador 5 para absorber calor del agua de mar.
Como puede observarse en la figura 1, la turbina de expansión 6 está provista de una abertura de afluencia 10, una abertura de escape 11 y una primera, una segunda y una tercera salida auxiliar 12, 13, 14 a presión intermedia (intermedia con respecto a una presión de afluencia y una presión de escape).
La turbina de expansión 6 de la planta de la figura 1 es centrífuga radial, preferentemente del tipo ilustrado en la figura 5, y comprende un único disco de rotor 15 unido integralmente con un árbol 16 que está soportado de manera rotatoria, por ejemplo, por medio de unos cojinetes 17, en un manguito de un alojamiento fijo 18.
Una cara delantera 19 del disco de rotor 15 lleva una pluralidad de series anulares de palas de rotor 20. Cada serie anular comprende una pluralidad de palas de rotor 20 dispuestas a lo largo de una trayectoria circular coaxial a un eje de rotación X-X de la turbina de expansión 6. Una pared delantera 21 del alojamiento fijo 18 que se orienta hacia el disco de rotor 15 lleva una serie anular de palas de estátor 22. Cada una de las series anulares de palas de estátor 22 está dispuesta radialmente entre dos series anulares de palas de rotor 20. Cada par formado por una serie anular de palas de estátor 22 y una serie anular de palas de rotor 20 define una etapa radial de la turbina de expansión centrífuga radial 6. Las palas de rotor 20 y las palas de estátor 22 se extienden principalmente a lo largo de direcciones axiales y tienen ángulos de unión orientados radialmente hacia el eje de rotación X-X.
La figura 5 ilustra además que la abertura de afluencia 10 es axial y está dispuesta en el centro del disco de rotor 15, es decir, en el eje de rotación X-X. La abertura de escape 11 se ilustra esquemáticamente en la figura 5 y está conectada a una cámara anular 23 dispuesta alrededor de un borde radialmente periférico del disco de rotor "D" y en una posición radialmente externa con respecto a las etapas radiales. La cámara anular 23 está delimitada por una pared lateral del alojamiento fijo 18 dispuesto alrededor del disco de rotor 15. Una pared trasera (con respecto a la cara delantera 19 del disco de rotor 15) conecta el manguito a la pared lateral.
Las salidas auxiliares primera, segunda y tercera 12, 13, 14 se obtienen a través de la pared delantera 21 del alojamiento fijo 18 y cada abertura auxiliar se abre en el alojamiento fijo 18 entre dos etapas radiales. En otras realizaciones, no ilustradas, las salidas auxiliares pueden obtenerse a través de paredes laterales del alojamiento fijo. La turbina de expansión centrífuga radial 6 comprende una pluralidad de salidas auxiliares 12, 13, 14, cada una de las cuales se interpone entre etapas sucesivas. La turbina 6 ilustrada tiene cuatro etapas. La primera salida auxiliar 12 está dispuesta entre la primera y la segunda etapa. La segunda salida auxiliar 13 está dispuesta entre la segunda y la tercera etapa. La tercera salida auxiliar 14 está dispuesta entre la tercera y la cuarta etapa.
Desde dichas salidas auxiliares 12, 13, 14, el fluido de trabajo WF se extrae a una presión progresivamente decreciente a partir de la primera salida auxiliar 12 más cercana al eje de rotación X-X. En otras palabras, la presión de salida del WF de trabajo de la primera salida auxiliar 12 es más alta que la presión de escape de la segunda salida auxiliar 13 que es más alta que la presión de escape de la tercera salida auxiliar 14 que, a su vez, es más alta que la presión en la abertura de escape 11. En la realización ilustrada, las cámaras de extracción 24 son, por lo tanto, tres. Además, una distancia radial entre una etapa y la siguiente es tal que delimita una especie de cámara 24 para la extracción del fluido de trabajo WF en comunicación fluida con la salida auxiliar 12, 13, 14 respectiva. Por ejemplo, una distancia radial Rd1 en una cámara de extracción 24 es de cinco a diez veces mayor que una distancia radial Rd2 entre las etapas donde la cámara 24 no está presente (figura 5).
En la realización preferida ilustrada en la figura 5, el condensador 8 es multinivel y comprende cuatro cámaras de condensación 25, 26, 27, 28. El condensador multinivel 8 comprende una carcasa sustancialmente cilíndrica que tiene una forma alargada y un eje principal orientado verticalmente. En otras realizaciones no ilustradas, la carcasa del condensador multinivel puede tener una extensión principal oblicua u horizontal.
Dentro de la carcasa sustancialmente cilíndrica ilustrada, se disponen tres tabiques horizontales 29, 30, 31 que dividen el volumen interno de la misma en las cuatro cámaras de condensación 25, 26, 27, 28 mencionadas anteriormente. Una primera cámara 25 está delimitada entre una base 32 y un primer tabique 29; una segunda cámara 26 está delimitada entre el primer tabique 29 y un segundo tabique 30; una tercera cámara 27 está delimitada entre el segundo tabique 30 y un tercer tabique 31; una cuarta cámara 28 está delimitada entre el tercer tabique 31 y un techo 33 de la carcasa. La segunda cámara 26 está dispuesta por encima de la primera 25, la tercera cámara 27 está dispuesta por encima de la segunda 26 y la cuarta cámara 28 está dispuesta por encima de la tercera 27.
Los canales de descarga 34, 35, 36, posiblemente provistos de unas válvulas respectivas, conectan entre sí las cámaras de condensación 25, 26, 27, 28 mencionadas anteriormente. Un primer canal de descarga 34 conecta la segunda cámara 26 a la primera cámara 25. Un segundo canal 35 conecta la tercera cámara 27 a la segunda cámara 26. Un tercer canal de descarga 36 conecta la cuarta cámara 28 a la tercera cámara 27.
La primera cámara 25, dispuesta más abajo, está conectada a la abertura de escape 11 de la turbina de expansión 6 para recibir el fluido de trabajo WF que sale de dicha abertura de escape 11. La segunda cámara 26 está conectada a la tercera abertura auxiliar 14 para recibir el fluido de trabajo WF que sale de dicha tercera abertura auxiliar 14. La tercera cámara 27 está conectada a la segunda abertura auxiliar 13 para recibir el fluido de trabajo WF que sale de dicha segunda abertura auxiliar 14. La cuarta cámara 28 está conectada a la primera abertura auxiliar 12 para recibir el fluido de trabajo WF que sale de dicha primera abertura auxiliar 12. Además, la primera cámara 25, dispuesta más abajo, está conectada a la bomba 9 y al evaporador 5 para enviar, a través de dicha única bomba 9, el fluido de trabajo condensado WF a dicho evaporador 5.
El fluido de trabajo WF que se condensa en cada cámara 25, 26, 27, 28, se acumula en forma líquida en el fondo de dicha cámara 25, 26, 27, 28 y fluye desde aquí a través del canal de escape 34, 35, 36 respectivo hacia la cámara inferior hasta el fondo de la primera cámara 25 dispuesta más abajo y conectada al evaporador 5.
El condensador 8 comprende además un haz de tubos 37 conectado a la fuente de gas licuado 3. El haz de tubos 37 se desarrolla verticalmente en la carcasa del condensador 8 y pasa a través de los tabiques 29, 30, 31 y cada cámara 25, 26, 27, 28. El haz de tubos 37 tiene un extremo inferior 38 que sobresale de una parte inferior de la carcasa del condensador 8 y está conectado/puede conectarse a la fuente de gas licuado 3. El haz de tubos 37 tiene un extremo superior 39 que sobresale de una parte superior de la carcasa del condensador 8 y está conectado/puede conectarse, por ejemplo, a un aparato o un gasoducto de metano. El gas natural licuado procedente de la fuente 3 fluye desde el fondo hacia arriba en el haz de tubos 37 y, por lo tanto, fluye en primer lugar a través de la primera cámara de condensación 25, dispuesta más abajo y a menor presión y temperatura (del fluido de trabajo), y, a continuación, sucesivamente a través de la segunda, tercera y cuarta cámaras de condensación 26, 27, 28 a una presión y temperatura en aumento progresivo, calentándose y gasificándose de este modo.
A modo de ejemplo y de acuerdo con el proceso de la presente invención, el gas natural licuado LG fluye hacia el condensador 8 desde el fondo en forma líquida y a una temperatura de -160 °C y sale en estado gaseoso por la parte superior a una temperatura de -50 °C.
El WF de trabajo del ciclo Rankine cerrado que sale, en forma de vapor, de la turbina de expansión 6 fluye hacia las cámaras de condensación en las condiciones indicadas en la siguiente tabla 1.
Tabla 1
El fluido de trabajo WF sale en estado líquido (a una temperatura de -90 °C) de la primera cámara 25 a través de un conducto 40 que conecta el condensador 8 con el evaporador 5 y en el que está operativa la bomba 9.
En el evaporador 5, el agua de mar a 15 °C, que fluye a través de dicho evaporador 5, transfiere calor al fluido de trabajo WF vaporizándolo y calentándolo de este modo hasta una temperatura de 15 °C.
El fluido de trabajo vaporizado WF fluye hacia la turbina de expansión 6 donde se expande iniciando de este modo un nuevo ciclo.
La variante de realización de la figura 2 difiere de la de la figura 1, solo debido al hecho de que una sección 41 del conducto 40 mencionado anteriormente, pasa a través de una o más cámaras del condensador 8, para recuperar calor del fluido de trabajo WF presente en el condensador 8 y transferir dicho calor al fluido de trabajo que fluye hacia el evaporador 5. En particular, dicha sección 41 procedente de la bomba 9 fluye hacia la segunda cámara 26 y pasa a través de las cámaras segunda, tercera y cuarta 26, 27, 28 antes de llegar al evaporador 5. En la realización ilustrada, dicha sección 41 está representada esquemáticamente como una tubería, pero también podría comprender uno o más paquetes de intercambio.
La realización de la figura 3 difiere de la de la figura 1 debido al hecho de que, en lugar de una única turbina de expansión 6, una primera turbina de expansión 6' (alta presión) y una segunda turbina de expansión 6" (baja presión) están presentes, conectadas en serie interponiendo un intercambiador de calor 42 (en lo que respecta al fluido de trabajo que fluye a través del mismo). Además, las turbinas de expansión primera y segunda 6', 6" están conectadas mecánicamente a un único generador 7.
La primera turbina de expansión 6' tiene una abertura de afluencia 10', conectada directamente al evaporador 5 para recibir el fluido de trabajo WF a expandir, y una abertura de escape 11' conectada al intercambiador de calor 42 y, a continuación, a una abertura de afluencia 10" de la segunda turbina de expansión 6". A través del intercambiador de calor 42 fluye a través del fluido de calentamiento HF, por ejemplo, agua de mar, que transfiere calor al fluido de trabajo WF en el estado de vapor parcialmente expandido en la primera turbina 6' antes de fluir hacia la segunda turbina 6".
Además, la primera turbina de expansión 6' tiene una primera abertura auxiliar 12' conectada a la cuarta cámara de condensación 28 y una segunda abertura auxiliar 13' (a menor presión con respecto a la primera abertura auxiliar 12') conectada a la tercera cámara de condensación 27.
Además, la segunda turbina de expansión 6" tiene una tercera abertura auxiliar 14" conectada a la segunda cámara de condensación 26 y una abertura de escape 11" (a menor presión con respecto a la tercera abertura auxiliar 14") conectada a la primera cámara de condensación 25.
Preferentemente, una o ambas de la primera turbina de expansión 6' (alta presión) y la segunda turbina de expansión 6" (baja presión) mencionadas anteriormente son del tipo centrífugo radial (es decir, similar al ilustrado en la figura 5).
La variante de realización de la figura 4 difiere de la de la figura 3 debido al hecho de que una sección 41 del conducto 40 mencionado anteriormente pasa a través de una o más cámaras de condensación 8, como en la figura 2.
Lista de elementos
1 Planta de ciclo Rankine para la regasificación de gas licuado
2 Sistema de bucle cerrado Rankine
Fuente de gas licuado
Fuente de fluido de calentamiento Evaporador
Turbina de expansión 6', 6" Generador
Condensador
Bomba
Abertura de afluencia 10', 10" Abertura de escape 11', 11" Primera salida auxiliar 12' Segunda salida auxiliar 13' Tercera salida auxiliar 14" Disco de rotor
Árbol
Cojinetes
Alojamiento fijo
Cara delantera
Palas de rotor
Pared delantera
Palas de estátor
Cámara anular
Cámara de extracción
Primera cámara de condensación Segunda cámara de condensación Tercera cámara de condensación Cuarta cámara de condensación Primer tabique
Segundo tabique
Tercer tabique
Base
Techo
Primer canal de descarga Segundo canal de descarga Tercer canal de descarga
Haz de tubos
Extremo inferior
Extremo superior
Conducto
Sección
Intercambiador de calor
Claims (15)
1. Planta de ciclo Rankine para la regasificación de gas licuado, que comprende:
un sistema de bucle cerrado Rankine (2) que comprende al menos:
un evaporador (5);
una turbina de expansión (6; 6', 6") provista de una abertura de afluencia (10; 10', 10''), una abertura de escape (11; 11', 11") y al menos una salida auxiliar (12, 13, 14; 12', 13', 14");
un generador (7) conectado operativamente a la turbina de expansión (6; 6', 6");
un condensador (8);
una bomba (9);
unos conductos configurados para conectar el evaporador (5), la turbina de expansión (6; 6', 6''), el condensador (8) y la bomba (9) de acuerdo con un ciclo cerrado en el que circula un fluido de trabajo (WF);
una fuente (3) de gas licuado (LG) a una temperatura criogénica, estando la fuente (3) de gas licuado (LG) acoplada operativamente al condensador (8) para recibir calor del fluido de trabajo (WF) que sale de la turbina de expansión (6; 6', 6") con el fin de llevar el gas licuado (LG) al estado gaseoso;
una fuente (4) de un fluido de calentamiento (HF) a una temperatura más alta que la temperatura criogénica, estando la fuente (4) de fluido de calentamiento (HF) acoplada operativamente al evaporador (5) para transferir calor al fluido de trabajo (WF) procedente del condensador (8);
caracterizada por que la turbina de expansión (6; 6', 6") es una centrífuga radial, en donde dicha al menos una salida auxiliar (12, 13, 14; 12', 13', 14") está interpuesta entre etapas sucesivas de dicha turbina de expansión (6; 6', 6"); y por que el condensador (8) es multinivel y comprende al menos dos cámaras de condensación (25, 26, 27, 28), en donde una cámara inferior (25) de dichas al menos dos cámaras de condensación (25, 26, 27, 28) está conectada a la abertura de escape (11; 11") y una cámara superior (26, 27, 28) de dichas al menos dos cámaras de condensación (25, 26, 27, 28) está conectada a dicha al menos una salida auxiliar (12, 13, 14; 12', 13', 14").
2. La planta de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la turbina de expansión (6; 6', 6") comprende un único disco de rotor (15) y una pluralidad de etapas dispuestas radialmente una tras otra en una cara delantera (19) del disco de rotor (15), y en donde la salida auxiliar (12, 13, 14) se abre entre dos de dichas etapas.
3. La planta de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde la turbina de expansión (6) comprende una pluralidad de salidas auxiliares (12, 13, 14), cada una interpuesta entre etapas sucesivas.
4. La planta de acuerdo con las reivindicaciones 2 o 3, en donde las dos etapas entre las que se abre la salida auxiliar (12, 13, 14), están espaciadas radialmente para definir una cámara (24) para extraer el fluido de trabajo (WF).
5. La planta de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la turbina de expansión (6; 6', 6") comprende un alojamiento fijo (18), en donde el disco de rotor (15) está insertado de manera rotatoria en el alojamiento fijo (18), en donde la salida auxiliar (12, 13, 14) se obtiene en una pared delantera (21) del alojamiento fijo (18).
6. La planta de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde el condensador multinivel (8) comprende una carcasa que delimita en su interior dichas al menos dos cámaras de condensación (25, 26, 27, 28) y un canal de escape (26, 27, 28) que conecta la cámara superior (34, 35, 36) a la cámara inferior (25).
7. La planta de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el condensador multinivel (8) comprende una pluralidad de cámaras de condensación (25, 26, 27, 28) dispuestas una sobre otra y una pluralidad de canales (34, 35, 36) que conectan dichas cámaras de condensación (25, 26, 27, 28) entre sí en forma de cascada.
8. La planta de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde el condensador (8) tiene una serie de tabiques interiores (29, 30, 31) que lo dividen internamente en dichas cámaras de condensación (25, 26, 27, 28).
9. La planta de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la carcasa del condensador (8) tiene una forma alargada y principalmente una extensión vertical.
10. La planta de acuerdo con la reivindicación 7, en donde, elevándose hacia arriba con respecto al condensador (8), las cámaras sucesivas (25, 26, 27, 28) están conectadas a presión creciente a las salidas auxiliares (12, 13, 14) de la turbina de expansión (6; 6', 6").
11. La planta de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde el condensador (8) comprende al menos un tubo o un haz de tubos (37) conectado a la fuente (3) de gas licuado (LG); en donde dicho al menos un tubo o un haz de tubos (37) pasa a través de dichas al menos dos cámaras de condensación (25, 26, 27, 28); en donde el gas licuado (LG) fluye desde el fondo hacia arriba a través de dicho al menos un tubo o un haz de tubos (37).
12. La planta de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde la bomba (9) es solo una y está dispuesta operativamente entre la cámara inferior (25) del condensador (8) y el evaporador (5) para bombear el fluido de trabajo condensado (WF) hasta dicho evaporador (5).
13. La planta de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde los conductos comprenden un conducto (40) que conecta la cámara inferior (25) del condensador (8) y el evaporador (5), en donde una sección (41) de dicho conducto (40) pasa a través de al menos una cámara (26, 27, 28) del condensador (8).
14. La planta de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende: unas turbinas de expansión primera y segunda (6', 6"), en donde una abertura de escape (11') de la primera turbina de expansión (6') está conectada a una abertura de afluencia (10") de la segunda turbina de expansión (6"), en donde la primera y/o la segunda turbina de expansión (6', 6") tienen al menos una salida auxiliar (12', 13', 14"); un intercambiador de calor (42) situado entre la abertura de escape (11') de la primera turbina de expansión (6') y la abertura de afluencia (10") de la segunda turbina de expansión (6") y acoplado operativamente a la fuente (4) de fluido de calentamiento (HF).
15. La planta de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde el fluido de trabajo (WF) se selecciona del grupo que comprende: fluidos orgánicos, hidrocarburos, CO2 , N2O; en donde el fluido de calentamiento (HF) que entra en el evaporador (5) tiene una temperatura (Thf) comprendida entre 5 °C y 70 °C; en donde el fluido de calentamiento (Hf ) es agua de mar; en donde el gas licuado (LG) que fluye hacia el condensador (8) tiene una temperatura (Tlg) comprendida entre -155 °C y -173 °C.
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