ES2925682T3

ES2925682T3 - Proceso de turbina de gas ampliado con regasificación de gas natural

Info

Publication number: ES2925682T3
Application number: ES19739516T
Authority: ES
Inventors: Carsten Graeber; Uwe Juretzek
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2022-10-19
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: US11274598B2; CN112400054A; EP3775518B1; WO2020007620A1; KR20210025654A; EP3775518A1; EP3591195A1; BR112020024519A8; JP7098764B2; JP2021529910A; BR112020024519A2; US20210239042A1; KR102545729B1

Abstract

La invención se refiere a una central eléctrica (1) con un compresor intercooler de varias etapas (2), una cámara de combustión (3), una turbina (4) que está dispuesta aguas abajo de la cámara de combustión (3), una línea de aire del compresor (5) que conecta el compresor (2) a la cámara de combustión (3), y un primer intercambiador de calor (7) que está conectado a la línea de aire del compresor (5) y a una línea de gas de escape (6) que se deriva de la turbina (4). Un primer expansor de aire del compresor (8) está dispuesto en la línea de aire del compresor (5) entre el primer intercambiador de calor (7) y la cámara de combustión (3), y la planta de energía (1) comprende un dispositivo (9) para regasificar líquido gas natural, que comprende una línea de gas natural (10), donde un dispositivo intercambiador de calor (11) está conectado a la línea de gas natural (10) entre dos etapas del compresor (12) del compresor (2). La invención se refiere además a un método para operar una central eléctrica de este tipo (1). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso de turbina de gas ampliado con regasificación de gas natural

La presente invención hace referencia a una central eléctrica, así como a un procedimiento para operar la misma, según los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 10 independientes, de modo correspondiente. Por ejemplo, en el documento JP S55 153808 A se describe una central eléctrica conforme al género. Habitualmente, gas natural líquido (LNG [= del inglés liquid natural gas], -162°C) se evapora con calor del ambiente (por ejemplo aire o agua de mar) o con calor químico. De manera alternativa se han desarrollado realizaciones que, mediante circuitos OCR en cascada, tienen el objeto de un aprovechamiento energético del frío de bajas temperaturas.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar una central eléctrica que posibilite una evaporación mejorada en cuanto a los aspectos energéticos y económicos, en particular en los grandes terminales de LNG, y que al mismo tiempo sea lo más sencilla posible en cuanto a la estructura, y que sea conveniente en cuanto a los costes. Otro objeto de la invención consiste en proporcionar un procedimiento correspondiente para operar una central eléctrica de esa clase.

La invención soluciona el objeto orientado a una central eléctrica de modo que prevé que una central eléctrica de esa clase, con un compresor de varias etapas, con refrigeración en una posición intermedia, con una cámara de combustión, con una turbina situada aguas abajo de la cámara de combustión, con un conducto de aire del compresor que conecta el compresor con la cámara de combustión, y un primer intercambiador de calor instalado en el conducto de aire del compresor y en un conducto de gas de escape que se deriva desde la turbina, donde un primer expansor de aire del compresor está dispuesto entre el primer intercambiador de calor y la cámara de combustión, en el conducto de aire del compresor, comprenda un dispositivo para la regasificación de gas natural líquido, con un conducto de gas natural, donde un dispositivo de transferencia de calor está instalado entre dos etapas del compresor, del compresor, y en el conducto de gas natural.

Mediante el acoplamiento de la evaporación de LNG a un proceso de turbina de gas optimizado, recuperado, es posible alcanzar un aprovechamiento máximo del frío de bajas temperaturas para generar energía con grados de eficiencia máximos y costes mínimos.

En este caso es determinante una interconexión de procesos óptima, con una complejidad de la instalación reducida y con un número mínimo de componentes rotativos.

En una forma de ejecución ventajosa de la invención, el dispositivo de transferencia de calor comprende un segundo intercambiador de calor que está instalado entre dos etapas del compresor y en el conducto de gas natural. Para transferir el frío proveniente de la evaporación de LNG hacia el proceso de trabajo real de las turbinas de gas, la energía del LNG se utiliza directamente para la refrigeración en una posición intermedia de la compresión del aire en el proceso de turbinas de gas recuperado. De una refrigeración máxima en la compresión del aire resulta una exigencia de potencia mínima del compresor, es decir, un aumento significativo del grado de eficiencia del proceso. Esto es aún más importante, ya que la compresión del aire tiene lugar a una presión marcadamente más elevada que la que sería necesaria para el funcionamiento estricto de las turbinas de gas, puesto que para el expansor de aire caliente debe generarse un gradiente de presión adicional. Con la utilización del segundo intercambiador de calor que se encarga de una transferencia de calor desde el aire comprimido hacia el gas natural que se regasifica -los intercambiadores de calor de esa clase se denominan también como recuperadores -, debido a las inversiones menores en cuanto al material, resultan ventajas en cuanto a los costes y al rendimiento. En esta forma de ejecución, sin embargo, el lado del LNG se acopla al circuito de trabajo, lo cual debe ser considerado en cuanto a la seguridad.

Para excluir esa desventaja desde un principio, en una forma de ejecución ventajosa alternativa se prevé que el dispositivo de transferencia de calor comprenda un circuito de nitrógeno con un conducto de nitrógeno, en el cual están instalados un tercer y un cuarto intercambiador de calor, donde el tercer intercambiador de calor está instalado entre dos etapas del compresor y el cuarto intercambiador de calor está instalado en el conducto de gas natural. En esta forma de ejecución, el nitrógeno se refrigera de forma máxima (< -120°C) para después ser utilizado como medio de refrigeración para la compresión del aire del proceso de turbina de gas recuperado. El circuito de nitrógeno propuesto, como circuito intermedio estricto, sin realización de trabajo (sólo un ventilador de recirculación), de manera ventajosa, puede diseñarse de manera que la presión del sistema de nitrógeno se encuentre por encima de la presión del LNG, de manera que en el caso de posibles fugas en el evaporador de LNG, nitrógeno inerte pase al lado del LNG, de forma no crítica en cuanto a la seguridad.

De manera ventajosa, el circuito de nitrógeno comprende un quinto intercambiador de calor que, por una parte, está instalado en la dirección de flujo del nitrógeno después del tercer y antes del cuarto intercambiador de calor, en el conducto de nitrógeno y, por otra parte, está instalado en el conducto de gas de escape. Con ello, puede calentarse más el nitrógeno ya calentado por el aire del compresor.

Además, se considera ventajoso que en el conducto de gas natural, en la dirección de flujo del gas natural, aguas abajo del dispositivo de transferencia de calor, esté instalado un expansor de gas natural, para alcanzar un grado de eficiencia máximo.

De este modo, es conveniente que en el conducto de gas natural estén dispuestos un sexto intercambiador de calor, aguas arriba del expansor de gas natural, y un séptimo intercambiador de calor aguas abajo del mismo, para calentar el gas natural antes y después de la expansión. El calor que en el sexto y el séptimo intercambiador de calor se transfiere al gas natural, de este modo, como calor de bajas temperaturas, puede provenir desde la central eléctrica, por ejemplo desde un circuito de aceite lubricante. En general, todos los calores del proceso proporcionan hasta aproximadamente 150°C, de modo que esta realización puede desplegar su máximo potencial.

Además, se considera conveniente que en el conducto de gas natural esté instalado un duodécimo intercambiador de calor, entre el dispositivo de transferencia de calor y el expansor de gas natural, y que esté instalado en el conducto de gas de escape. Con ese duodécimo intercambiador de calor puede aprovecharse calor adicional, desde el gas de escape, con el expansor de gas natural.

Se considera ventajoso que la central eléctrica comprenda un circuito de agua-glicol, con un octavo intercambiador de calor en un conducto de aire de admisión del compresor, para la refrigeración y el secado del aire de admisión del compresor, o con un noveno intercambiador de calor entre dos etapas del compresor para la refrigeración y el secado del aire del compresor, con un décimo intercambiador de calor que está instalado en el conducto de aire del compresor aguas abajo del compresor, para calentar el aire del compresor, un undécimo intercambiador de calor para un calentamiento adicional del gas natural regasificado, y un duodécimo intercambiador de calor para calentar una mezcla de agua-glicol en el circuito de agua-glicol.

Con un circuito de agua-glicol adicional puede alcanzarse una distribución del calor óptima en el proceso. Mediante ese circuito, el calor proveniente desde el aire de refrigeración se transfiere hacia el lado aún relativamente frío, después de la compresión del aire, así como hacia el circuito de nitrógeno, antes de la entrada en el intercambiador de calor de gas de escape, así como hacia el gas natural frío. Adicionalmente, el circuito de agua-glicol (que se opera con temperaturas < 0°C), puede utilizarse para obtener calor residual adicional, por ejemplo desde el refrigerador del generador o también desde el sistema de refrigeración del aire de admisión, y para suministrarlo para una utilización energética en todo el proceso. Puesto que la refrigeración del aire, dependiendo de la aplicación, debe tener lugar a temperaturas < -100°C, así como hasta < -150°C, de manera forzosa es necesario separar el agua contenida en el aire antes de la refrigeración real a bajas temperaturas. Preferentemente, de este modo, la parte de agua se condensa después de una primera compresión, con la ayuda del circuito de agua-glicol. También son posibles procedimientos alternativos para la separación de agua /(CO²). El undécimo intercambiador de calor para el calentamiento adicional del gas natural regasificado puede estar instalado directamente en el conducto de gas natural, o en el caso de estar presente un circuito de nitrógeno, también puede estar instalado en el mismo, y puede calentar adicionalmente el gas natural de forma indirecta, mediante el circuito de nitrógeno.

Mediante la utilización del expansor de aire del compresor, el calor del gas de escape puede aprovecharse al máximo, ya que en ese caso, para la transferencia de calor, sólo debe tenerse en cuenta el límite de temperatura del expansor, que se ubica significativamente por encima del límite de temperatura del área de las turbinas de gas subsiguiente (cámara de combustión sistema de aire de refrigeración). Por lo tanto, se considera ventajoso que un segundo expansor de aire del compresor esté dispuesto aguas abajo del primer expansor de aire del compresor y que, del lado de entrada, esté conectado al conducto de aire del compresor en una posición detrás del primer expansor de aire del compresor y que, del lado de salida, desemboque en el conducto de gas de escape.

El objeto orientado al procedimiento se soluciona mediante un procedimiento para operar una central eléctrica con un compresor de varias etapas, con refrigeración en una posición intermedia, con una cámara de combustión y una turbina, en el cual una presión de salida del compresor se selecciona más elevada que una presión de entrada de la turbina requerida, y en el cual el aire del compresor se expande antes de la combustión, en el cual gas natural líquido se regasifica con calor que se produce durante la compresión de aire,

Por razones relacionadas con la seguridad puede ser conveniente que se transfiera calor desde el aire del compresor hacia el gas natural mediante un circuito de nitrógeno situado en una posición intermedia.

Para otra mejora del proceso, se considera conveniente que gas natural líquido se lleve a presión, se regasifique y a continuación se expanda para obtener energía.

De este modo, se considera ventajoso que el gas natural regasificado se caliente antes y después de la expansión mediante otra fuente de calor.

Por último, se considera ventajoso que aire de admisión del compresor se refrigere y se seque con la ayuda de un circuito de agua-glicol.

La invención presenta muchas ventajas. Por una parte, la central eléctrica, según la invención, no necesita agua adicional para su funcionamiento. La estructura del proceso es comparativamente sencilla y, con ello, posibilita también una regulación comparativamente sencilla. La central eléctrica innovadora es extremadamente conveniente en cuanto a los costes, ya que se necesita solamente un número mínimo de componentes rotativos, y la misma brinda ventajas en cuanto a la seguridad para la incorporación en el sistema de LNG (pocas interfaces, manejo sencillo de fugas). De este modo, el rendimiento de la realización es independiente de la presión del sistema de LNG. Dependiendo de la forma de ejecución pueden alcanzarse grados de eficiencia máximos de la instalación, de hasta un 73%.

La invención se explica con mayor detalle mediante los dibujos. De manera esquemática y no realizados a escala, muestran:

Figura 1 una central eléctrica con circuito de nitrógeno,

Figura 2 una central eléctrica con expansor de gas natural,

Figura 3 una central eléctrica sin circuito de nitrógeno y sin expansor de gas natural,

Figura 4 una central eléctrica sin circuito de nitrógeno y con expansor de gas natural,

Figura 5 una central eléctrica sin circuito de nitrógeno y sin circuito de agua-glicol, pero con expansor de gas natural,

Figura 6 una central eléctrica con dos expansores de aire y con un expansor de gas natural, y

Figura 7 una central eléctrica con dos expansores de aire, pero sin expansor de gas natural.

La figura 1, de forma esquemática y a modo de ejemplo, muestra una central eléctrica 1 con un compresor 2 de varias etapas, con refrigeración en una posición intermedia, una cámara de combustión 3 y una turbina 4 situada aguas abajo de la cámara de combustión 3. Un conducto de aire del compresor 5 conecta el compresor 2 con la cámara de combustión 3, y un conducto de gas de escape 6 se deriva desde la turbina 4. Un primer intercambiador de calor 7 está instalado en el conducto de aire del compresor 5 y en el conducto de gas de escape 6. El mismo, como se muestra en la figura 1, también puede estar estructurado a partir de módulos de transferencia de calor 30. Por ejemplo, esto es conveniente cuando otro intercambiador de calor u otro dispositivo deben disponerse en ese punto del recorrido del gas, como se sugiere en la figura 1, pero no se indica con mayor detalle. Además, un primer expansor de aire del compresor 8 está dispuesto entre el primer intercambiador de calor 7 y la cámara de combustión 3, en el conducto de aire del compresor 5. La figura 1 muestra además la característica según la invención, según la cual la central eléctrica 1 comprende un dispositivo 9 para la regasificación de gas natural líquido con un conducto de gas natural 10, donde un dispositivo de transferencia de calor 11 está instalado entre dos etapas del compresor 12 del compresor 2 y, en el conducto de gas natural 10.

En este caso, en la forma de ejecución de la figura 1, el dispositivo de transferencia de calor 11 comprende un circuito de nitrógeno 14 con un conducto de nitrógeno 15. En el conducto de nitrógeno 15 están instalados un tercer 16 y un cuarto intercambiador de calor 17, donde el tercer intercambiador de calor 16 está instalado entre dos etapas del compresor 12 y el cuarto intercambiador de calor 17 está instalado en el conducto de gas natural 10. Con esos dos intercambiadores de calor 16 y 17, el circuito de nitrógeno 14 ya puede cumplir con su función, de refrigerar el aire comprimido, así como de regasificar el gas natural líquido. No obstante, el grado de eficiencia total de la central eléctrica 1 puede mejorarse cuando el circuito de nitrógeno 14 comprende además un quinto intercambiador de calor 18 que, por una parte, está instalado en la dirección de flujo del nitrógeno después del tercer 16, y antes del cuarto intercambiador de calor 17, en el conducto de nitrógeno 15 y, por otra parte, está instalado en el conducto de gas de escape 6, donde el calor residual que proviene del proceso de turbina de gas puede aprovecharse para un calentamiento adicional del nitrógeno.

La forma de ejecución de la figura 1 comprende además un circuito de agua-glicol 22 con un octavo intercambiador de calor 23 en un conducto de aire de admisión del compresor 24 para la refrigeración y el secado del aire de admisión del compresor, o con un noveno intercambiador de calor 25 entre dos etapas del compresor 12 para la refrigeración y el secado del aire del compresor, con un décimo intercambiador de calor 26 que está instalado en el conducto de aire del compresor 5 aguas abajo del compresor 2, para calentar el aire del compresor, un undécimo intercambiador de calor 27, que está instalado en el conducto de nitrógeno 15 del circuito de nitrógeno 14, para el calentamiento indirecto del gas natural regasificado, y un duodécimo intercambiador de calor 28 para calentar una mezcla de agua-glicol en el circuito de agua-glicol 22, antes de que el mismo libere calor hacia el gas natural.

La figura 2 muestra una forma de ejecución que, adicionalmente con respecto a la forma de ejecución de la figura 1, comprende un expansor de gas natural 19 instalado en el conducto de gas natural 10 que, en la dirección de flujo del gas natural, está instalado aguas abajo del dispositivo de transferencia de calor 11, en el conducto de gas natural 10. Mediante esta medida, aunque la inversión sea mayor, el grado de eficiencia de la totalidad de la instalación, sin embargo, se mejora de forma significativa.

La figura 3 muestra una forma de ejecución de la central eléctrica 1 que se diferencia de aquella mostrada en la figura 1 en el hecho de que se suprime el circuito de nitrógeno 14 y, con ello, la central eléctrica 1 resulta mucho más compacta y aumenta su eficiencia, ya que no se producen pérdidas mediante el circuito de nitrógeno 14. La figura 3, por tanto, muestra un segundo intercambiador de calor 13 que está instalado entre dos etapas del compresor 12 y el conducto de gas natural 10. Además, la forma de ejecución de la figura 3 se diferencia de la antes mostrada en el hecho de que el undécimo intercambiador de calor 27 ahora está instalado directamente en el conducto de gas natural 10 y ya no más en el conducto de nitrógeno 15, como en los ejemplos de ejecución precedentes.

De manera correspondiente, la figura 4 muestra una forma de ejecución que se diferencia de aquella mostrada en la figura 2 esencialmente en la omisión del circuito de nitrógeno 14. Como la figura 2, la misma presenta un expansor de gas natural 19. Además, en la figura 4, en el conducto de gas natural 10 están dispuestos un sexto intercambiador de calor 20, aguas arriba del expansor de gas natural 19, y un séptimo intercambiador de calor 21 aguas abajo del mismo, para calentar adicionalmente el gas natural antes y después de la expansión. El sexto intercambiador de calor 20 se encarga de un calentamiento adicional del gas natural antes de la expansión, de manera que se incrementa la utilidad de la expansión. El séptimo intercambiador de calor 21 calienta el gas natural refrigerado durante la expansión, y lo lleva a una temperatura apta para la red.

La figura 5 muestra una central eléctrica 1 sin circuito de nitrógeno 14 y sin circuito de agua-glicol 22, pero con expansor de gas natural 19. Los costes de inversión son comparativamente reducidos. No se presentan pérdidas de efectividad mediante un circuito de nitrógeno 14. La eficiencia de la instalación es elevada, entre otras cosas debido al expansor de gas natural 19. Un duodécimo intercambiador de calor 31, que está instalado tanto en el conducto de gas natural 10, como también en el conducto de gas de escape 6, permite utilizar de forma provechosa el calor residual disponible, mediante el expansor de gas natural 19.

Las figuras 6 y 7 muestran otro aumento de la utilidad del calor disponible. Las dos formas de ejecución, adicionalmente con respecto a las mostradas hasta el momento, comprende un segundo expansor de aire del compresor 29 que expande adicionalmente la parte del aire que no se suministra para la combustión, para obtener energía eléctrica, donde el aire expandido se libera hacia el conducto de gas de escape 6. Las formas de ejecución de las figuras 6 y 7 solamente se diferencian en el hecho de que en la figura 6 aún se proporciona el expansor de gas natural 19 en el conducto de gas natural 10, y en la figura 7 se prescinde del mismo, de manera que la forma de ejecución de la figura 7 puede considerarse como una variante de la invención optimizada en cuanto a una complejidad reducida de la instalación, sin circuitos intermedios y sin componentes rotativos adicionales en conductos que conducen gas de combustión.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Central eléctrica (1) con un compresor (2) de varias etapas, con refrigeración en una posición intermedia, una cámara de combustión (3), una turbina (4) instalada aguas abajo de la cámara de combustión (3), un conducto de aire del compresor (5) que conecta el compresor (2) con la cámara de combustión (3) y un primer intercambiador de calor (7) instalado en el conducto de aire del compresor (5) y en un conducto de gas de escape (6) que se deriva desde la turbina (4), donde la central eléctrica (1) comprende un dispositivo (9) para la regasificación de gas natural líquido, con un conducto de gas natural (10), donde un dispositivo de transferencia de calor (11) está instalado entre dos etapas del compresor (12), del compresor (2), y en el conducto de gas natural (10), caracterizada porque un primer expansor de aire del compresor (8) está dispuesto entre el primer intercambiador de calor (7) y la cámara de combustión (3), en el conducto de aire del compresor (5).

2. Central eléctrica (1) según la reivindicación 1, donde el dispositivo de transferencia de calor (11) comprende un segundo intercambiador de calor (13) que está instalado entre dos etapas del compresor (12) y en el conducto de gas natural (10).

3. Central eléctrica (1) según la reivindicación 1, donde el dispositivo de transferencia de calor (11) comprende un circuito de nitrógeno (14) con un conducto de nitrógeno (15), en el cual están instalados un tercer (16) y un cuarto intercambiador de calor (17), donde el tercer intercambiador de calor (16) está instalado entre dos etapas del compresor (12) y el cuarto intercambiador de calor (17) está instalado en el conducto de gas natural (10).

4. Central eléctrica (1) según la reivindicación 3, donde el circuito de nitrógeno (14) comprende un quinto intercambiador de calor (18) que, por una parte, está instalado en la dirección de flujo del nitrógeno después del tercer (16) y antes del cuarto intercambiador de calor (17), en el conducto de nitrógeno (15) y, por otra parte, está instalado en el conducto de gas de escape (6).

5. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones precedentes, donde en el conducto de gas natural (10), en la dirección de flujo del gas natural, después del dispositivo de transferencia de calor (11), está instalado un expansor de gas natural (19).

6. Central eléctrica (1) según la reivindicación 5, donde en el conducto de gas natural (10) están dispuestos un sexto intercambiador de calor (20), aguas arriba del expansor de gas natural (19), y un séptimo intercambiador de calor (21) aguas abajo del mismo, para calentar el gas natural antes y después de la expansión.

7. Central eléctrica (1) según la reivindicación 5, donde en el conducto de gas natural (10) está instalado un duodécimo intercambiador de calor (31), entre el dispositivo de transferencia de calor (11) y el expansor de gas natural (19), y está instalado en el conducto de gas de escape (6).

8. Central eléctrica (19) según una de las reivindicaciones precedentes, la cual comprende además un circuito de agua-glicol (22) con un octavo intercambiador de calor (23) en un conducto de aire de admisión del compresor (24) para la refrigeración y el secado del aire de admisión del compresor, o con un noveno intercambiador de calor (25) entre dos etapas del compresor (12), para la refrigeración y el secado del aire del compresor, con un décimo intercambiador de calor (26) que está instalado en el conducto de aire del compresor (5) aguas abajo del compresor (2), para calentar el aire del compresor, un undécimo intercambiador de calor (27) para un calentamiento adicional del gas natural regasificado, y un duodécimo intercambiador de calor (28) para calentar una mezcla de agua-glicol en el circuito de agua-glicol (22).

9. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones precedentes, donde un segundo expansor de aire del compresor (29) está dispuesto aguas abajo del primer expansor de aire del compresor (8) y, del lado de entrada, está conectado al conducto de aire del compresor (5) en una posición detrás del primer expansor de aire del compresor (8) y, del lado de salida, desemboca en el conducto de gas de escape (6).

10. Procedimiento para operar una central eléctrica (1) con un compresor (2) de varias etapas, con refrigeración en una posición intermedia, una cámara de combustión (3) y una turbina (4), en el cual gas natural líquido se regasifica con calor que se produce durante la compresión de aire, caracterizado porque una presión de salida del compresor (2) se selecciona más elevada que una presión de entrada de la turbina requerida, y en el cual el aire del compresor se expande antes de la combustión.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, donde el calor se transfiere desde el aire del compresor hacia el gas natural mediante un circuito de nitrógeno (14) situado en una posición intermedia.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 10 u 11, donde gas natural líquido se lleva a presión, se regasifica y a continuación se expande para obtener energía.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, donde el gas natural regasificado se calienta antes y después de la expansión mediante otra fuente de calor.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 10 a 13, donde aire de admisión del compresor se refrigera y se seca con la ayuda de un circuito de agua-glicol (22).