ES2912596T3

ES2912596T3 - Sistemas de ciclo de generación de energía termodinámico regenerativo, y métodos para el funcionamiento de los mismos

Info

Publication number: ES2912596T3
Application number: ES16714659T
Authority: ES
Inventors: Andrew Peter; Chiranjeev Kalra; Douglas Hofer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2022-05-26
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: AU2016246394B2; JP2018513937A; RU2017134004A; AU2016246394A1; CA2981372A1; BR112017019990B1; RU2719413C2; EP3280891A1; JP6781166B2; CA2981372C; US9644502B2; US20160298500A1; EP3280891B1; RU2017134004A3; BR112017019990A2; WO2016164153A1

Abstract

Un método para hacer funcionar un sistema de ciclo de generación de energía termodinámico en bucle cerrado supercrítico, comprendiendo el método: suministrar una corriente de escape desde un expansor (102) de alta presión; dividir la corriente de escape del expansor (102) de alta presión para dar una primera corriente (112) de escape y una segunda corriente (114) de escape; dirigir la primera corriente (112) de escape a un primer expansor (104) de baja presión, en donde el primer expansor (104) de baja presión está acoplado a un dispositivo (120) de presurización a través de un árbol (122) de turbocompresor; dirigir la segunda corriente de escape a un segundo expansor (106) de baja presión, en donde el segundo expansor (106) de baja presión está acoplado al expansor (102) de alta presión y a un generador eléctrico (116) a través de un árbol (118) de turbogenerador; y suministrar una corriente de fluido presurizada por encima de un punto crítico del fluido desde el dispositivo (120) de presurización y proporcionar la corriente de fluido presurizada al expansor (102) de alta presión, que comprende además calentar la corriente (108) de escape antes de dividir la corriente de escape para dar la primera corriente (112) de escape y la segunda corriente (114) de escape y calentar la corriente de fluido presurizada con uno o más intercambiadores (130) de calor y una fuente (138) de calor antes de suministrar la corriente de fluido presurizada al expansor (102) de alta presión, en donde la división de la corriente (108) de escape desde el expansor (102) de alta presión comprende controlar una razón de flujo de la primera corriente (112) de escape con respecto a la segunda corriente (114) de escape.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas de ciclo de generación de energía termodinámico regenerativo, y métodos para el funcionamiento de los mismos

Antecedentes

Las realizaciones de la invención se refieren de manera general a ciclos termodinámicos regenerativos, por ejemplo, a ciclos de Brayton regenerativos, y más particularmente a sistemas de generación de energía, por ejemplo, centrales eléctricas de turbina de gas, que aprovechan los ciclos de Brayton regenerativos y a los métodos para hacer funcionar los sistemas.

US 2013/0145759 A1 describe una central eléctrica que incluye un sistema de dióxido de carbono supercrítico en bucle cerrado.

Normalmente se implementan ciclos termodinámicos regenerativos en turbinas y micro-turbinas de gas para mejorar la eficiencia del ciclo (por ejemplo, ciclo de Brayton) más allá de lo que se puede lograr con una máquina de ciclo simple. En los ciclos de turbina de gas regenerativos actuales, se logra una sustitución parcial de la energía de combustible transfiriendo de forma regenerativa energía de los gases de escape a través de intercambiadores de calor al aire que se descarga desde el compresor. La razón de compresión en una máquina de este tipo es lo suficientemente baja como para que la temperatura del gas de escape que sale de la turbina y que entra en el regenerador sea más alta que el aire de descarga del compresor que se calienta en el mismo. Se ha realizado una mejora sustancial en la eficiencia del ciclo de turbina de gas.

Se han logrado mejoras adicionales a estos ciclos de turbina de gas usando diversos procedimientos y configuraciones, por ejemplo, compresión de múltiples etapas con enfriamiento intermedio, expansión de múltiples etapas con recalentamiento y recompresión. Sin embargo, incluso en tales ciclos de recuperación y recompresión, la eficiencia térmica está limitada por el hecho de que la temperatura del gas de escape de turbina nunca puede reducirse por debajo de la del aire de descarga del compresor, de lo contrario el calor fluirá en un sentido inverso (a los gases de escape), disminuyendo la eficiencia del sistema.

Más recientemente, ha habido un mayor interés en el uso de fluidos supercríticos, tales como dióxido de carbono supercrítico, en ciclos de generación de energía termodinámicos cerrados. Por ejemplo, un sistema de generación de energía de ciclo de Brayton supercrítico ofrece una estrategia prometedora para lograr una mayor eficiencia y una conversión de energía más económica en comparación con las centrales eléctricas existentes accionadas por vapor y las centrales eléctricas de turbina de gas. Sin embargo, los diseños de turbomaquinaria para un sistema de generación de energía de este tipo son complejos y suponen un desafío principalmente debido a (i) un gran número de componentes requeridos/utilizados en el sistema, y (ii) la alta densidad de fluido del fluido supercrítico. En particular, puede suponer un desafío hacer coincidir el flujo de fluido y la velocidad del expansor y el compresor de manera que el diseño mecánico esté optimizado para minimizar las tensiones y las cargas de empuje axial netas, y también para garantizar un funcionamiento controlable en condiciones fuera de diseño.

Por lo tanto, son deseables configuraciones alternativas para los ciclos termodinámicos regenerativos, que proporcionen ventajas con respecto a ciclos de generación de energía termodinámicos convencionales, normalmente usados en los sistemas de generación de energía.

Breve descripción

Una realización proporciona un método para hacer funcionar un sistema de ciclo de generación de energía termodinámico en bucle cerrado supercrítico. El método incluye suministrar una corriente de escape desde un expansor de alta presión y dividir la corriente de escape del expansor de alta presión para dar una primera corriente de escape y una segunda corriente de escape. La primera corriente de escape se dirige a un primer expansor de baja presión que está acoplado a un dispositivo de presurización a través de un árbol de turbocompresor. La segunda corriente de escape se dirige a un segundo expansor de baja presión que está acoplado al expansor de alta presión y a un generador eléctrico a través de un árbol de turbogenerador.

Otra realización proporciona un sistema de ciclo de generación de energía termodinámico en bucle cerrado supercrítico como se define en la reivindicación 5. El sistema incluye un expansor de alta presión para suministrar una corriente de escape. Un conducto está acoplado por conexión de fluido al expansor de alta presión, que está configurado para dividir la corriente de escape del expansor de alta presión para dar una primera corriente de escape y una segunda corriente de escape. El sistema incluye además un primer expansor de baja presión y un segundo expansor de baja presión. El primer expansor de baja presión está acoplado a un dispositivo de presurización a través de un árbol de turbocompresor, y acoplado por conexión de fluido para recibir la primera corriente de escape. El segundo expansor de baja presión está acoplado al expansor de alta presión y a un generador eléctrico a través de un árbol de turbogenerador, y acoplado por conexión de fluido para recibir la segunda corriente de escape.

Dibujos

Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la Fig. 1 es un diagrama esquemático de un sistema de generación de energía de ciclo de Brayton en bucle cerrado regenerativo convencional;

la Fig. 2 es un diagrama esquemático de un sistema de generación de energía de ciclo de Brayton en bucle cerrado regenerativo, según una realización de la invención.

Descripción detallada

En la siguiente memoria descriptiva y en las reivindicaciones, se hará referencia a varios términos, que se definirá que tienen los siguientes significados. Las formas en singular “un” , “una” y “el/la” incluyen referentes en plural, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. “Opcional” u “opcionalmente” quiere decir que el evento o circunstancia descrito posteriormente puede ocurrir o no, y que la descripción incluye casos donde ocurre el evento y casos donde no.

El lenguaje de aproximación, como se usa en la presente descripción a lo largo de la memoria descriptiva y las reivindicaciones, puede aplicarse para modificar cualquier representación cuantitativa que pudiera variar de manera permisible sin resultar en un cambio en la función básica con la que se relaciona. Por consiguiente, un valor modificado por un término o términos, tales como “aproximadamente” y “sustancialmente” , no debe limitarse al valor preciso especificado. En algunos casos, el lenguaje de aproximación puede corresponder a la precisión de un instrumento para medir el valor.

La Fig. 1 ilustra un sistema 10 de generación de energía del ciclo de Brayton en bucle cerrado regenerativo convencional que usa usando una configuración de recompresión y recalentamiento. El término “bucle cerrado” , como se usa en el presente documento, significa que el sistema 10 forma una trayectoria de flujo de ciclo cerrado para un fluido de trabajo (que también puede denominarse “fluido” a lo largo de la descripción). El fluido de trabajo que se comprime por uno o más compresores 12 (normalmente, incluye un compresor principal 14 y un recompresor 16), sigue la siguiente trayectoria de flujo de ciclo cerrado dentro del sistema 10. Desde el uno o más compresores 12, la corriente 26 de fluido comprimido entra en un primer intercambiador 20 de calor, un segundo intercambiador 22 de calor, una fuente 32 de calor, un expansor 15, vuelve a entrar en el segundo intercambiador 22 de calor y el primer intercambiador 20 de calor, un enfriador previo 24 y vuelve al uno o más compresores 12. Por lo tanto, el fluido de trabajo fluye en esta trayectoria de flujo de ciclo cerrado, y no se mezcla con el ambiente u otros fluidos. El expansor 15 puede ser un expansor de múltiples etapas que incluye al menos dos expansores 17 y 18 junto con una fuente 19 de calor adicional entre los dos expansores para el recalentamiento.

Un ejemplo adecuado del fluido de trabajo incluye dióxido de carbono (CO2). Otros ejemplos de fluido de trabajo incluyen aire, agua, helio o fluidos orgánicos, por ejemplo, isobuteno, propano, etc. En algunos casos, el fluido de trabajo es un fluido supercrítico, por ejemplo, dióxido de carbono supercrítico, y el sistema 10 se denomina un sistema de generación de energía de ciclo de Brayton supercrítico.

Un sistema de generación de energía del ciclo de Brayton supercrítico es un sistema de conversión de energía que usa un fluido de trabajo supercrítico (o fluido supercrítico). Como se usa en el presente documento, el término “fluido supercrítico” se refiere a un fluido monofásico en el que no existen fases líquida y gaseosa diferenciadas en o por encima de un punto crítico (una temperatura crítica y una presión crítica) del fluido. El término “ punto crítico” de un fluido supercrítico se refiere a una temperatura más baja y a una presión más baja a la que existe la sustancia en estado supercrítico. Los términos “temperatura crítica” y “ presión crítica” se refieren respectivamente a la temperatura y la presión en el punto crítico del fluido supercrítico.

Normalmente, se produce un rechazo de calor en un sistema de generación de energía de ciclo de Brayton supercrítico cuando las condiciones de fluido de trabajo están por encima de la temperatura crítica y la presión crítica del fluido. En general, se produce una mayor eficiencia del ciclo en un sistema de ciclo de Brayton supercrítico cuando la temperatura y la presión del fluido de trabajo en una entrada de un compresor principal de un sistema de generación de este tipo están lo más cerca posible del punto crítico del fluido de trabajo.

Como se describe en el presente documento, en los ciclos termodinámicos regenerativos (Fig. 1), un reemplazo parcial de una energía térmica externa (generalmente proporcionada por una fuente 32 de calor) se logra transfiriendo una fracción de energía térmica recuperada a partir de una corriente 30 de escape de los expansores 15 a las corrientes (26, 28) de fluido comprimido. Esta transferencia de la fracción de la energía térmica aumenta la temperatura de las corrientes (26, 28) de fluido comprimido después de que las corrientes 26 y 28 de fluido salgan del compresor 12 y antes de que entren en los expansores 15. La energía de escape restante se expulsa a partir del expansor 15. Se usa adicionalmente una fuente 32 de calor para calentar adicionalmente la corriente 29 de fluido antes de entrar en el expansor 15. Los expansores 15 (también se pueden denominar turbinas de energía) están generalmente acoplados a un generador 34 para producir electricidad. Este sistema completo que incluye el uno o más compresores 12, los expansores 17 y 18 y el generador 34, está generalmente dispuesto en un mismo árbol 11, como se muestra en la Fig. 1.

Aspectos de la presente invención descritos en el presente documento abordan las deficiencias indicadas del estado de la técnica, y mejoran adicionalmente el rendimiento del sistema de ciclo de generación de energía termodinámico descrito en comparación con los sistemas de ciclo de generación de energía termodinámico convencionales. Las realizaciones de la presente invención se refieren a una configuración alternativa para un ciclo de generación de energía termodinámico regenerativo, por ejemplo, un ciclo de Brayton de CO2 supercrítico. Algunas realizaciones de la invención describen sistemas y procedimientos para hacer funcionar los sistemas que incluyen el ciclo de generación de energía termodinámico descrito.

Específicamente, las realizaciones de la presente invención se refieren a un ciclo termodinámico regenerativo que permite dividir una corriente de fluido de escape (o corriente de escape) desde un expansor de alta temperatura para dar una primera corriente de escape y una segunda corriente de escape después de recalentar la corriente de escape. El sistema incluye dos árboles independientes: un árbol de turbocompresor que incluye un compresor o compresores y un árbol de turbogenerador que incluye el expansor de alta presión y un generador. Cada árbol incluye además un expansor de baja presión que está en comunicación de fluido con el expansor de alta presión para recibir la primera corriente de escape o la segunda corriente de escape. Esta configuración o diseño (como se comenta en detalle a continuación) de manera ventajosa (i) crea un empuje axial neto equilibrado en cada uno de los dos árboles, (ii) proporciona una cantidad deseable del flujo de fluido al expansor de baja presión dispuesto en el árbol de turbocompresor para impulsar el/los compresor(es), y (iii) divide el flujo de la corriente de escape en dos expansores paralelos (por ejemplo, los dos expansores de baja presión), reduciendo así las cargas aerodinámicas del perfil aerodinámico y las tensiones mecánicas en los dos expansores.

Debe entenderse que el proceso y el sistema de la presente invención no se limitan a la configuración de ciclo de ejemplo anterior, sino que pueden ser aplicables a otras configuraciones de ciclo, por ejemplo, un ciclo de Brayton regenerativo simple, y ciclo de Rankine y ciclo de Rankine supercrítico, donde el fluido de trabajo se condensa antes de la compresión.

La Fig. 2 ilustra un sistema 100 de ciclo termodinámico en bucle cerrado regenerativo, según las realizaciones de la invención. En una realización, el sistema 100 es un sistema de generación de energía. En algunas realizaciones específicas, el sistema 100 representa un sistema de generación de energía de ciclo de Brayton supercrítico. En algunas otras realizaciones, el sistema 100 representa un sistema de generación de energía de ciclo de Rankine supercrítico. En estas realizaciones, el sistema 100 utiliza un fluido de trabajo con una temperatura relativamente baja y presión baja, por ejemplo, en estado líquido, que puede comprimirse directamente hasta su presión supercrítica y calentarse hasta su estado supercrítico antes de la expansión.

En algunas realizaciones, el sistema 100 incluye un fluido de trabajo supercrítico, tal como dióxido de carbono supercrítico que fluye en la trayectoria de flujo de ciclo cerrado. La temperatura crítica y la presión crítica para CO2 son de aproximadamente 304°K y 7,3 MPa. En algunos casos, el fluido de trabajo puede ser una mezcla de CO2 y al menos un aditivo, por ejemplo, un alcano, neón, nitrógeno, helio, etc. La mezcla se puede seleccionar para hacer que la temperatura crítica del fluido esté a una temperatura deseada, que puede seleccionarse basándose, al menos en parte, en un entorno alrededor del sistema, por ejemplo, la temperatura ambiental, el intervalo de temperatura día/noche, la humedad cerca del sistema y la temperatura estacional, etc.

El sistema 100 incluye un expansor 102 de alta presión y dos expansores de baja presión; un primer expansor 104 de baja presión y un segundo expansor 106 de baja presión. Cada uno de los dos expansores 104 y 106 de baja presión está dispuesto, respectivamente, en un árbol 122 de turbocompresor y un árbol 118 de turbogenerador. El árbol 122 de turbocompresor incluye además un dispositivo 120 de presurización que está acoplado al primer expansor 104 de baja presión a través del árbol 122. El árbol 118 de turbogenerador incluye además el expansor 102 de alta presión y un generador 116 que están acoplados al segundo expansor 106 de baja presión a través del árbol 118 de turbogenerador. Es decir, en la realización ilustrada, los dos expansores 104 y 106 de baja presión están en disposición en paralelo.

Como se usa en el presente documento, un expansor de alta presión y un expansor de baja presión se definen uno con respecto al otro. Los intervalos de presión de funcionamiento, es decir, los intervalos de presión de un fluido de trabajo, en una entrada y una salida del expansor de baja presión, son menores que los intervalos de presión de funcionamiento, es decir, los intervalos de presión del fluido de trabajo en una entrada y una salida del expansor de alta presión. En algunos casos, el expansor de alta presión funciona por encima de la presión crítica del fluido de trabajo, por ejemplo, entre aproximadamente 100 bar y aproximadamente 300 bar; y el expansor de baja presión funciona por debajo del intervalo de presión de funcionamiento del expansor de alta presión, por ejemplo, entre aproximadamente 30 bar y aproximadamente 200 bar.

Inicialmente, se suministra una corriente 137 de fluido de trabajo al dispositivo 120 de presurización. La corriente 137 de fluido incluye un fluido supercrítico, por ejemplo, dióxido de carbono supercrítico. En algunas realizaciones, el dispositivo 120 de presurización incluye uno o más compresores, que pueden ser de tipo axial, radial o alternativo. Preferiblemente, la corriente 137 de fluido supercrítico entra en una entrada (no mostrada) de un primer compresor 124 después de haberse expandido y enfriado el fluido (como se explica a continuación) hasta una temperatura y una presión que están cerca de la temperatura crítica y la presión crítica del fluido, y el primer compresor 124 comprime tal corriente 137 de fluido. La entrada del primer compresor 124 está acoplada por conexión de fluido a las salidas de cada uno del primer expansor 104 de baja presión y el segundo expansor 106 de baja presión de manera que una tercera corriente 140 de escape y una cuarta corriente 142 de escape se dirigen a la entrada del primer compresor 124 a través de un enfriador previo 135. Después de la compresión, una corriente 125 de fluido presurizado (es decir, comprimido) y enfriado sale del compresor 124.

El dispositivo 120 de presurización puede incluir además un segundo compresor 126 que está acoplado al primer compresor 124 a través del árbol 122 de turbocompresor. El segundo compresor 126 también puede denominarse recompresor. El recompresor se usa habitualmente para comprimir una fracción de una corriente de fluido de escape antes de retirarse la energía térmica por un enfriador previo. El segundo compresor 126 está acoplado por conexión de fluido a cada uno del primer y el segundo expansores 104 y 106 de baja presión, tal como para recibir una corriente 144 de fluido (a una temperatura relativamente alta con respecto a la corriente 137 de fluido). La corriente 144 de fluido incluye las salidas del primer expansor 104 de baja presión y el segundo expansor 106 de baja presión, es decir, la tercera corriente 140 de escape y la cuarta corriente 142 de escape. Después de la compresión, el segundo compresor 126 suministra una corriente 127 de fluido comprimido que está habitualmente a una temperatura relativamente más alta que la corriente 125 de fluido comprimido suministrada por el primer compresor 124.

En algunas otras realizaciones, por ejemplo, en un ciclo Rankine o un ciclo de Rankine supercrítico, el dispositivo 120 de presurización incluye una bomba y un condensador. En estas realizaciones, la corriente 137 de fluido de trabajo se suministra al dispositivo 120 de presurización por debajo de su presión crítica y la temperatura crítica, es decir, en su estado líquido. En algunas realizaciones, el dispositivo 120 de presurización suministra la corriente de fluido presurizado a una temperatura y una presión por encima del punto crítico del fluido.

Con referencia a la Fig. 2, el uno o más compresores 120 están acoplados por conexión de fluido al expansor 102 de alta presión para suministrar las corrientes 125 y 127 de fluido comprimido al expansor 102 de alta presión. Como se ilustra, los uno o más compresores 120 están acoplados por conexión de fluido al expansor 102 de alta presión a través de uno o más intercambiadores 130 de calor. El uno o más intercambiadores 130 de calor están acoplados adicionalmente por conexión de fluido a cada uno del primer y el segundo expansores 104 y 106 de baja presión para recibir la tercera corriente 140 de escape a partir del primer expansor 104 de baja presión y la cuarta corriente 142 de escape a partir del segundo expansor 106 de baja presión. En una realización, el sistema 100 incluye un primer intercambiador 132 de calor y un segundo intercambiador 134 de calor. El primer intercambiador 132 de calor está configurado para transferir calor desde la tercera y la cuarta corrientes 140 y 142 de escape a la corriente 125 de fluido comprimido, es decir, la salida del primer compresor 124, aumentando así la temperatura de la corriente 125 de fluido comprimido.

El segundo intercambiador 134 de calor puede ser un recuperador de alta temperatura. El segundo intercambiador 134 de calor está configurado para transferir calor desde la tercera y la cuarta corrientes 140 y 142 de escape a una combinación de la corriente 125 de fluido comprimido desde el primer compresor 124 después de pasar a través del primer intercambiador 132 de calor y la corriente 127 de fluido comprimido desde el segundo compresor 126. Esto hace que la temperatura de la corriente 128 de fluido comprimido combinada se aumente adicionalmente antes de recibirse en una primera fuente 138 de calor, reduciendo así una cantidad de energía utilizada por la primera fuente 138 de calor para hacer que la temperatura del fluido sea adecuada para proporcionarse al expansor 102 de alta temperatura.

Por otro lado, el primer intercambiador 132 de calor y el segundo intercambiador 134 de calor reducen la temperatura es decir, enfrían la tercera y la cuarta corrientes 140 y 142 de escape desde los expansores 104 y 106 de baja presión antes de recibirse las corrientes 144 y 146 de fluido en el enfriador previo 135 y/o el recompresor 126.

La primera fuente 138 de calor está acoplada por conexión de fluido entre el uno o más intercambiadores 130 de calor y el expansor 102 de alta presión, y está configurada para proporcionar energía térmica a la corriente 128 de fluido comprimido combinada que incluye corrientes 125 y 127 de fluido comprimido, y para suministrar una corriente 129 de fluido comprimido calentada.

La corriente 129 de fluido comprimido calentada recibida desde la primera fuente 138 de calor se suministra a una entrada del expansor 102 de alta presión de manera que la corriente 129 de fluido comprimido calentada se expande debido a la energía térmica proporcionada por la primera fuente 138 de calor, y acciona el expansor 102. Después de la expansión, una corriente 108 de escape, es decir, la corriente de fluido de salida del expansor 102 permanece a una temperatura alta pero tiene una presión más baja que la corriente 129 de fluido recibida en la entrada del expansor 102.

Como se ilustra, la corriente 108 de escape se dirige a un conducto 110. El conducto 110 está acoplado por conexión de fluido al expansor 102 de alta presión y configurado para dividir la corriente 108 de escape para dar una primera corriente 112 de escape y una segunda corriente 114 de escape. Antes de la división, la corriente 108 de escape se somete a una segunda fuente 115 de calor. La segunda fuente 115 de calor está acoplada por conexión de fluido entre el expansor 102 de alta presión y el conducto 110 para recibir la corriente 108 de escape del expansor 102 y suministrar una corriente 109 de escape calentada al conducto 110. Por lo tanto, la temperatura de cada una de la primera y segunda corrientes 112 y 114 de escape es más alta que la corriente 108 de escape debido al recalentamiento de la corriente 108 de escape por la segunda fuente 115 de calor.

En una realización, una válvula reguladora de presión (no mostrada) está dispuesta en el sistema 100 para controlar una razón de flujo de la primera corriente 112 de escape con respecto a la segunda corriente 114 de escape. En una realización, la válvula reguladora de presión es una válvula de tres vías que puede estar dispuesta en el conducto 110. En otra realización, la válvula reguladora de presión es una válvula de estrangulación que funciona únicamente o bien en la primera corriente 112 de escape o bien en la segunda corriente 114 de escape. Al controlar la razón de flujo, se puede suministrar un flujo deseado de la primera corriente 112 de escape al primer expansor 104 de baja presión para impulsar el árbol 122 de turbocompresor para lograr un rendimiento mejorado del uno o más compresores 120. El rendimiento mejorado de los compresores puede mejorar la eficiencia global del sistema 100. En una realización, la razón de flujo oscila entre aproximadamente 30:70 y aproximadamente 70:30. La razón de flujo en las condiciones de funcionamiento de diseño nominal se mantiene para hacer coincidir la energía de árbol generada por el primer expansor 104 de baja presión con una energía de árbol deseada requerida para hacer funcionar uno o más compresores 120. En una realización particular, la razón de flujo se mantiene a aproximadamente 50:50.

Cada una de la primera fuente 138 de calor y la segunda fuente 115 de calor puede ser cualquier fuente de calor adecuada incluyendo, pero sin limitarse a, una fuente de calor de combustible fósil, una fuente de calor nuclear, una fuente de calor geotérmica, una fuente de calor solar o similares.

Como se usa en el presente documento, un intercambiador de calor, por ejemplo, el primer intercambiador 132 de calor y el segundo intercambiador 134 de calor en la Fig. 2, está configurado para intercambiar calor entre dos corrientes de fluido sin poner las dos corrientes de fluido en contacto, es decir, sin combinar las dos corrientes de fluido. Este intercambio o transferencia de calor se conoce generalmente como calentamiento indirecto. El intercambiador de calor se distingue de una fuente de calor, como se usa en el presente documento, que es una fuente externa de calor.

Como se ilustra, después de dividir los flujos de escape calentados: la primera corriente 112 de escape y la segunda corriente 114 de escape se dirigen respectivamente al primer expansor 104 de baja presión y al segundo expansor 106 de baja presión para expandirse adicionalmente, y por lo tanto accionar los respectivos expansores y respectivos árboles. Las corrientes de salida, es decir, la tercera corriente 140 de escape del primer expansor 104 de baja presión y la cuarta corriente 142 de escape del segundo expansor 106 de baja presión, se combinan, y una fracción de la corriente combinada, es decir, la corriente 146, se dirige al enfriador previo 135. El enfriador previo 135 está además acoplado por conexión de fluido al dispositivo 120 de presurización para suministrar la corriente 137 de fluido enfriada y expandida al dispositivo 120 de presurización.

En una realización, el enfriador previo 135 incluye un dispositivo de rechazo de calor que rechaza calor cerca de la temperatura crítica del fluido. El enfriador previo 135 puede incluir cualquier dispositivo de rechazo de calor adecuado, tal como un sistema de enfriamiento de líquido, un sistema de enfriamiento seco o similares.

Como se usa en el presente documento, el término “cerca” se refiere a un valor que puede estar dentro de al menos el 1 % del valor preciso especificado. En un ejemplo, “cerca del punto crítico del fluido” o “cerca de la temperatura crítica del fluido” se refiere a una temperatura, una presión o ambas que pueden estar dentro del 1 % del punto crítico del fluido. En algunas realizaciones, una temperatura, una presión o ambas pueden estar dentro del 5 % y, en algunas realizaciones, dentro del 10 % del punto crítico del fluido. En otro ejemplo, “cerca de la temperatura crítica del fluido” se refiere a una temperatura que puede estar dentro de 3 grados Kelvin de la temperatura crítica del fluido. En algunas realizaciones, la temperatura puede estar dentro de 15 grados Kelvin y, en algunas realizaciones, dentro de 10 grados Kelvin de la temperatura crítica del fluido.

Un compresor y un expansor, como se usa en el presente documento, pueden incluir respectivamente un compresor de múltiples etapas y un expansor de múltiples etapas. Como se conoce en la técnica, el procedimiento de compresión se puede llevar a cabo comprimiendo el fluido de trabajo en múltiples etapas, es decir, utilizando la compresión de múltiples etapas; y el procedimiento de expansión se puede llevar a cabo expandiendo el fluido de trabajo en múltiples etapas, es decir, utilizando la expansión de múltiples etapas. Además, la compresión de múltiples etapas puede utilizarse con o sin enfriamiento intermedio del fluido entre las etapas; y la expansión de múltiples etapas puede utilizarse con o sin recalentamiento del fluido entre las etapas.

La división de la corriente 108 de escape para dar la primera corriente 112 de escape y la segunda corriente 114 de escape distribuye la corriente 108 de escape para suministrarse al primer y al segundo expansores 104 y 106 de baja presión. Esta distribución proporciona cantidades reducidas del fluido que fluye a los expansores 104 y 106 de baja presión con una razón de presión más alta que la que puede lograrse en una disposición en serie de expansores. Esta disposición de flujo conduce ventajosamente a pequeños perfiles aerodinámicos de los expansores con alto recuento de etapas, cargas aerodinámicas bajas en los perfiles aerodinámicos y bajas tensiones de flexión de raíz de perfil aerodinámico. La colocación de los expansores 102 y 106 en disposición en paralelo permite equilibrar el empuje axial neto y puede eliminar ventajosamente la necesidad de un pistón de equilibrio y sus fugas asociadas. Además, la razón de flujo de la primera corriente 112 de escape y la segunda corriente 114 de escape controla las velocidades de los dos árboles, por separado. Normalmente, en una configuración convencional que usa un árbol, la rotación del compresor está restringida por la velocidad de rotación de los expansores (también pueden denominarse turbina de energía), lo que habitualmente limita el rendimiento de los compresores. Las presentes realizaciones permiten ventajosamente la rotación de dos árboles con diferentes velocidades, en particular, la rotación del árbol de turbocompresor con una velocidad deseable para maximizar el rendimiento de los compresores. Además, la eficiencia del sistema 100 es relativamente alta en comparación con los sistemas de generación de energía del ciclo de Brayton regenerativo existentes.

Como se usa en las reivindicaciones, el término “comprende” y sus variantes gramaticales lógicamente también delimitan e incluyen expresiones de alcance variable y diferente tales como, por ejemplo, pero sin limitarse a, “que consiste esencialmente en” y “que consiste en” . Cuando sea necesario, se han proporcionado intervalos; esos intervalos incluyen todos los subintervalos entre los mismos.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Un método para hacer funcionar un sistema de ciclo de generación de energía termodinámico en bucle cerrado supercrítico, comprendiendo el método:

suministrar una corriente de escape desde un expansor (102) de alta presión;

dividir la corriente de escape del expansor (102) de alta presión para dar una primera corriente (112) de escape y una segunda corriente (114) de escape;

dirigir la primera corriente (112) de escape a un primer expansor (104) de baja presión, en donde el primer expansor (104) de baja presión está acoplado a un dispositivo (120) de presurización a través de un árbol (122) de turbocompresor;

dirigir la segunda corriente de escape a un segundo expansor (106) de baja presión, en donde el segundo expansor (106) de baja presión está acoplado al expansor (102) de alta presión y a un generador eléctrico (116) a través de un árbol (118) de turbogenerador; y

suministrar una corriente de fluido presurizada por encima de un punto crítico del fluido desde el dispositivo (120) de presurización y proporcionar la corriente de fluido presurizada al expansor (102) de alta presión, que comprende además calentar la corriente (108) de escape antes de dividir la corriente de escape para dar la primera corriente (112) de escape y la segunda corriente (114) de escape y calentar la corriente de fluido presurizada con uno o más intercambiadores (130) de calor y una fuente (138) de calor antes de suministrar la corriente de fluido presurizada al expansor (102) de alta presión, en donde la división de la corriente (108) de escape desde el expansor (102) de alta presión comprende controlar una razón de flujo de la primera corriente (112) de escape con respecto a la segunda corriente (114) de escape.
2. El método de la reivindicación 1, que comprende además suministrar una tercera corriente (140) de escape desde el primer expansor (104) de baja presión y una cuarta corriente (142) de escape desde el segundo expansor (106) de baja presión y suministrar de manera regenerativa cada una de la tercera corriente (140) de escape y la cuarta corriente (142) de escape a uno o más intercambiadores (130) de calor.
3. El método de la reivindicación 2, que comprende además suministrar la tercera corriente (140) de escape y la cuarta corriente (142) de escape a un enfriador previo (135) a través del uno o más intercambiadores (130) de calor.
4. El método de la reivindicación 2, que comprende además suministrar una corriente de fluido enfriada desde el enfriador previo (135) hasta el dispositivo (120) de presurización.
5. Un sistema (100) de ciclo de generación de energía termodinámico en bucle cerrado supercrítico, que comprende:

un expansor (102) de alta presión para suministrar una corriente (108) de escape, un conducto acoplado por conexión de fluido al expansor (102) de alta presión, y configurado para dividir la corriente (108) de escape en una primera corriente (112) de escape y una segunda corriente (114) de escape;

un primer expansor (104) de baja presión acoplado a un dispositivo (120) de presurización a través de un árbol (122) de turbocompresor, y acoplado por conexión de fluido para recibir la primera corriente (112) de escape; y

un segundo expansor (106) de baja presión acoplado al expansor (102) de alta presión y a un generador eléctrico (116) a través de un árbol (118) de turbogenerador, y acoplado por conexión de fluido para recibir la segunda corriente (114) de escape;

en donde el dispositivo (120) de presurización está acoplado por conexión de fluido al expansor (102) de alta presión para suministrar una corriente de fluido presurizada por encima de un punto crítico del fluido al expansor (102) de alta presión, el dispositivo (120) de presurización está acoplado por conexión de fluido al expansor (102) de alta presión a través de uno o más intercambiadores (130) de calor, una primera fuente (138) de calor está acoplada por conexión de fluido entre el uno o más intercambiadores (130) de calor y el expansor (102) de alta presión, una segunda fuente (115) de calor está acoplada por conexión de fluido entre el expansor (102) de alta presión y el conducto para recibir la corriente de escape del expansor (102) de alta presión y suministrar una corriente de escape calentada al conducto, y se proporciona una válvula (110) de regulación de presión para controlar una razón de flujo de la primera corriente (112) de escape con respecto a la segunda corriente (114) de escape.
6. El sistema de ciclo de generación de energía termodinámico de la reivindicación 5, que forma una trayectoria de flujo cerrada para un fluido de trabajo.
7. El sistema de ciclo de generación de energía termodinámico de la reivindicación 6, en donde el fluido de trabajo comprende dióxido de carbono.
8. El sistema de ciclo de generación de energía termodinámico de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en donde el dispositivo (120) de presurización comprende un primer compresor (124) y un segundo compresor (126) acoplados entre sí.
9. El sistema de ciclo de generación de energía termodinámico de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en donde el uno o más intercambiadores (130) de calor comprenden un primer intercambiador (132) de calor y un segundo intercambiador (134) de calor acoplados por conexión de fluido entre sí.
10. El sistema de ciclo de generación de energía termodinámico de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, en donde el uno o más intercambiadores (130) de calor están adicionalmente acoplados por conexión de fluido al primer expansor (104) de baja presión y al segundo expansor (106) de baja presión para recibir una tercera corriente de escape y una cuarta corriente de escape.
11. El sistema de ciclo de generación de energía termodinámico de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 10, que comprende además un enfriador previo (135) acoplado por conexión de fluido al dispositivo (120) de presurización para suministrar una corriente de fluido enfriada al dispositivo (120) de presurización.