ES3052182T3

ES3052182T3 - Power plant for controlling the renewable energy use in an lng train

Info

Publication number: ES3052182T3
Application number: ES22808964T
Authority: ES
Inventors: Giuseppe Sassanelli; Giampaolo Gabbi; Carmine Allegorico; Giulia Rontini
Original assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Current assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2026-01-02
Anticipated expiration: 2042-11-08
Also published as: CA3237267A1; EP4430286B1; JP2024537439A; WO2023083494A1; MX2024005359A; AU2022386378B2; EP4430286A1; IT202100028562A1; AU2022386378A1; US20250043731A1; CN118140044A; JP7785169B2

Abstract

Se describe una central eléctrica para controlar la energía renovable absorbida por un tren de potencia híbrido (2) para impulsar una carga, en particular compresores de gas natural licuado (GNL). La central eléctrica analiza el estado de sus componentes, en particular del sistema de turbina de gas híbrido que impulsa la carga. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Central eléctrica para controlar el uso de la energía renovable en un tren de GNL

[0003] Campo técnico

[0004] La presente descripción se refiere a una central eléctrica que funciona para maximizar el uso de fuentes de energía renovable en una planta de gas natural licuado (GNL), para aumentar la eficiencia, reducir los costes totales de mantenimiento, así como reducir la contaminación introducida en la atmósfera.

[0005] Antecedentes de la técnica

[0006] Como es bien sabido, el gas natural es una de las fuentes de energía más importantes disponibles actualmente en el mercado. Se estima que alrededor del 30 % de la demanda mundial de energía se satisface, directa o indirectamente, con gas natural. El documento IT 201900008367 A1 describe un sistema de licuefacción de gas natural, que utiliza energía renovable para producir hidrógeno.

[0007] Normalmente, el gas natural se suministra por gasoducto en forma gaseosa. Sin embargo, en las últimas dos décadas, las plantas de gas natural licuado (GNL) han adquirido mucha más importancia en el mercado energético. Se espera que el GNL desempeñe un papel muy importante en la transición mundial hacia fuentes de energía (verdes) más limpias. Esta es la razón por la que los gobiernos centrales y diversos organismos públicos y privados lo fomentan firmemente.

[0008] El GNL es gas natural en forma líquida. Para licuar el gas natural, su temperatura debe reducirse hasta temperaturas criogénicas de aproximadamente -160 °C. Como líquido, cuando el gas natural se extrae ocupa una fracción del volumen que tenía (ocupa alrededor de 1/600 del volumen del gas natural a presión atmosférica), por lo que sus costes de transporte y almacenamiento resultan mucho más bajos y prácticos. El GNL también es más fácil de transportar a grandes distancias. A este respecto, se considera que el gas natural con frecuencia se extrae en áreas geográficas donde el transporte por gasoducto no es posible.

[0009] Para enfriar el gas natural es necesario accionar varios compresores. Como es bien sabido, un compresor es una máquina accionada por una turbina de gas para actuar sobre un gas refrigerante para aumentar la carga de presión de un fluido. Existen varios diferentes compresores disponibles, tales como compresores centrífugos, compresores alternativos y similares. En general, se accionan conjuntos de compresores centrífugos.

[0010] El conjunto de compresores centrífugos de una planta de GNL normalmente es impulsado por al menos una turbina de gas. En los últimos años, incluso debido a la creciente demanda de energía, además de la turbina de gas, se ha agregado un motor/generador eléctrico (EV) que opera sobre el mismo eje de la turbina de gas. La combinación de turbina de gas y motor/generador eléctrico también se denomina sistema híbrido de turbina de gas o tren híbrido de turbina de gas o tren de potencia híbrido.

[0011] Uno de los problemas de los trenes de potencia que se utilizan normalmente en las plantas de GNL, incluidos los trenes de potencia híbridos, es que emiten contaminantes, especialmente debido al funcionamiento de la turbina de gas. En particular, los trenes de potencia híbridos han superado este problema, ya que el motor/generador eléctrico puede o bien absorber energía de una red eléctrica a la que está conectado, o bien introducir en la red cualquier exceso de energía producido por la turbina de gas, a fin de reducir la proporción de contaminantes producidos por vatio generado.

[0012] De hecho, los motores/generadores eléctricos también se denominan máquinas eléctricas reversibles, ya que también pueden operar como un generador. Los motores/generadores eléctricos se controlan mediante dispositivos conocidos como variadores de frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés), a saber, dispositivos diseñados para accionar el motor/generador eléctrico en cualquier condición operativa diferente mientras accionan cargas mecánicas (ya sean compresores o la turbina de gas, p. ej., para arrancar la misma), para maximizar la transferencia de potencia.

[0013] La sinergia entre una turbina de gas y un motor/generador eléctrico se ha aprovechado en los últimos años para reducir los contaminantes liberados a la atmósfera.

[0014] Existen sistemas disponibles que controlan los trenes de potencia híbridos instalados en las plantas de GNL, por ejemplo, mediante la monitorización y el ajuste de las variables operativas. Estos sistemas son capaces de monitorizar el deterioro general del rendimiento del sistema a lo largo del tiempo. Sin embargo, no todas las partes de un tren de potencia híbrido se deterioran en el mismo grado. Los sistemas de monitorización y control disponibles no son capaces de controlar los trenes de potencia híbridos con el fin de maximizar la duración de las partes que los componen. En consecuencia, un tren de potencia híbrido mejorado capaz de reducir la contaminación y reducir los costes de mantenimiento (y, por lo tanto, el CAPEX) sería bienvenido en la tecnología.

[0015] Resumen

[0017] El objeto descrito en la presente memoria es una central eléctrica que funciona mediante un método para controlar un tren de potencia híbrido, instalado, por ejemplo y no necesariamente, en una planta de GNL, o también en otros tipos de plantas, mientras se acciona una carga, tal como un compresor, una bomba o cualquier otra máquina. El método utiliza una o más señales de control recibidas del equipo y las partes del tren de potencia híbrido, para permitir el control del combustible que suministra a la turbina de gas y la potencia generada o transformada por el motor/generador eléctrico, para maximizar la potencia que se va a generar, maximizar la vida útil de la turbina de gas y minimizar las emisiones de contaminantes.

[0019] En algunas realizaciones, la materia descrita se refiere a una unidad de un único eje conectada de forma rígida a un motor/generador eléctrico y destinada específicamente a la producción de GNL o procesos similares de alto consumo de energía, capaz de utilizar información y valores variables. El funcionamiento de la central eléctrica se basa en acciones específicas basadas en eventos, relacionadas, aunque no de forma limitante, con la optimización de los objetivos de disponibilidad y producción, tales como: diagnóstico de la turbina de gas y modelos basados en la física; combustión en seco de bajo NO<x>(DLN: Dry Low NO<x>; es SECO, ya que la reducción del contaminante se logra mediante la propia cámara de combustión sin la inyección de agua o vapor, por lo que se produce una reducción HÚMEDA); parámetros de estado eléctrico/del motor, tal como la descarga parcial; parámetros de estado de los dispositivos de frecuencia variable, parámetros de estado de los parques solares/eólicos para anticipar la gestión de la potencia de las turbinas de gas.

[0021] Además, el objeto descrito en la presente memoria está destinado a un tren de potencia híbrido capaz de reducir la contaminación equilibrando la energía derivada de fuentes renovables, equilibrando el uso de estas últimas con la producida por las turbinas de gas, la maximización de la eficiencia de ciclo completo (RTE, por sus siglas en inglés; se refiere a la eficiencia general del proceso para cargar el almacenamiento de energía y recuperar la energía del almacenamiento y reutilizarla) de la energía renovable, de la fiabilidad y disponibilidad del tren, cuando se utiliza la fuente de energía renovable.

[0023] La solución descrita tiene como objetivo maximizar la fiabilidad de los procesos de alto consumo energético, tal como una planta de GNL, que comprende un tren de potencia híbrido, cuando se utiliza una fuente renovable, con el fin de permitirle tomar la mayor cantidad posible de energía eléctrica proveniente de energías renovables, al tiempo que se optimiza la producción de GNL. El uso directo de las plantas de producción de energía renovable en la producción de GNL optimiza el uso de energías renovables y los contaminantes emitidos por las turbinas (CO<2>, NO<x>).

[0025] La presente invención se define en las reivindicaciones adjuntas. En un aspecto, el objeto descrito en la presente memoria está destinado a un método para controlar la energía renovable absorbida por un tren de potencia híbrido para accionar una carga. El tren de potencia híbrido comprende como equipo una turbina de gas y un motor/generador eléctrico, este último conectado a una planta de generación de energía y a una fuente de energía renovable. El método donde se opera la central eléctrica proporciona los pasos para detectar los parámetros de entrada de cada equipo antes de aplicar una primera sentencia condicional, para determinar una función de pertenencia combinada. La función de pertenencia combinada puede tener como salida dos o más estados de calificación, a fin de verificar si el equipo opera correctamente o no. Si el equipo opera correctamente, se aplica una segunda sentencia condicional a la fuente de energía renovable (tal como una planta fotovoltaica, una planta eólica, sistemas de energía solar concentrada, y similares), a fin de determinar las funciones de pertenencia de la misma. La función de pertenencia de la fuente de energía renovable tiene como salida dos o más estados de calificación, de modo que, si esta última no opera correctamente, se lleva a cabo una tercera sentencia condicional sobre la planta de generación de energía para comprobar si esta última opera correctamente. Si es así, se lleva a cabo un cambio de reparto de carga entre la turbina de gas y el motor/generador eléctrico.

[0027] Si la fuente de energía renovable opera correctamente, entonces la potencia generada por la turbina de gas y la energía absorbida por la fuente de energía renovable se determinan según una función objetiva; de lo contrario, si el equipo comprobado no opera correctamente, se lleva a cabo el reparto de carga entre la turbina de gas y el motor/generador eléctrico.

[0029] En otro aspecto, el objeto descrito en la presente memoria se refiere a que el equipo comprende un dispositivo de detección variable conectado a un motor/generador eléctrico, a una planta de generación de energía y a una fuente de energía renovable. En la etapa de detección, la condición inicial detectada es la del motor/generador eléctrico y el dispositivo de detección variable. Además, la primera sentencia condicional comprende las subetapas de asociar una función de pertenencia paramétrica a cada parámetro de entrada del motor/generador eléctrico, combinar las funciones de pertenencia paramétrica del motor/generador eléctrico mediante una tabla de verdad para obtener índices de estado, y después, una función de pertenencia del equipo, asociar una función de pertenencia paramétrica a cada parámetro de entrada del dispositivo de frecuencia variable, combinar las funciones de pertenencia paramétrica del dispositivo de frecuencia variable mediante una tabla de verdad para obtener índices de estado, y después, una función de pertenencia del equipo. Finalmente, se combina la función de pertenencia de cada equipo, para obtener una función de pertenencia combinada que tenga como salida dos o más estados de calificación.

[0030] En otro aspecto, se describe en la presente memoria que la función de pertenencia combinada puede asumir un primer estado de calificación, un segundo estado de calificación y un tercer estado de calificación. Si la función de pertenencia combinada asume el primer estado de calificación (Malo), entonces la carga de la turbina de gas se aumenta y se alivia la carga del motor/generador eléctrico. Si la función de pertenencia combinada asume el segundo estado de calificación (Medio), entonces se cambia el reparto de carga entre la turbina de gas y el motor/generador eléctrico. Si la función de pertenencia combinada asume el tercer estado de calificación (Bueno), entonces se aplica la segunda sentencia condicional a la fuente de energía renovable.

[0031] Otro aspecto de la presente descripción se centra en una función objetivo para minimizar el uso de la turbina de gas, de tal modo que la carga de la turbina de gas permanezca por encima del umbral de transferencia de la cámara de combustiónPmxCarga,más un margen de carga ΔCarga, para gestionar posibles transitorios de carga.

[0032] En otro aspecto, se describe en la presente memoria que los parámetros de entrada son señales eléctricas analógicas o digitales.

[0033] En un aspecto de la presente descripción, que no forma parte de las reivindicaciones, se incluye una planta de energía que comprende un tren de potencia híbrido con un eje pasante, una turbina de gas conectada mecánicamente al eje, un motor/generador eléctrico conectado mecánicamente al eje, y un dispositivo de frecuencia variable conectado al motor/generador eléctrico, a una central de generación de energía y a una fuente de energía renovable. El dispositivo de frecuencia variable es operativo para permitir que el motor/generador eléctrico transforme la energía de la planta de generación de energía y la fuente de energía renovable para accionar la carga o para ayudar al funcionamiento de la turbina de gas. La planta de energía también comprende una carga que está conectada mecánicamente al eje y unidad de control de la planta para controlar el tren de potencia híbrido para maximizar la energía utilizada proveniente de la fuente de energía renovable, al maximizar la carga de accionamiento del motor/generador eléctrico.

[0034] En un aspecto de la presente descripción, la carga comprende uno o más compresores centrífugos para refrigerar el gas natural.

[0035] Breve descripción de los dibujos

[0036] Una apreciación más completa de las realizaciones descritas de la invención y muchas de sus ventajas relacionadas se obtendrá fácilmente a medida que la misma se entienda mejor por referencia a la siguiente descripción detallada al considerarse en relación con los dibujos adjuntos, en donde:

[0037] la figura 1 ilustra un sistema de control de un tren de potencia híbrido para controlar una carga para maximizar el uso de fuentes de energía renovable;

[0038] la figura 2 ilustra un esquema de un tren de potencia híbrido de planta conectado a fuentes de energía y a cargas que se van a accionar;

[0039] la figura 3 ilustra un diagrama esquemático de la unidad de control de la planta;

[0040] la figura 4 ilustra un diagrama de flujo del método de control del uso de energías renovables, según una primera realización;

[0041] la figura 5 ilustra un diagrama de flujo de una primera sentencia condicional del método de control del uso de energías renovables, según la primera realización;

[0042] la figura 6 ilustra un conjunto de señales de los parámetros procesados por el método de control del uso de energías renovables, según una primera realización;

[0043] la figura 7 ilustra un conjunto de tablas de verdad implementadas en el método de control del uso de energías renovables, según una primera realización;

[0044] la figura 8 ilustra un diagrama de flujo de una segunda sentencia condicional del método de control del uso de energías renovables, según la primera realización;

[0045] la figura 9 ilustra un diagrama de flujo de una tercera sentencia condicional del método de control del uso de energías renovables, según la primera realización.

[0046] Descripción detallada de las realizaciones

[0047] El gas natural líquido es una fuente importante de energía. Es necesario licuar el gas extraído. Para ello, se utilizan varios compresores. Para accionar los compresores se utilizan sistemas de potencia híbridos. Un tren de potencia híbrido comprende una turbina de gas y un motor/generador eléctrico. El motor/generador eléctrico es una máquina que se puede conectar, entre otras cosas, a plantas de energía renovable, para transformar la energía producida por dichas plantas y utilizarla para accionar compresores, minimizando, hasta un nivel apropiado, el uso de una turbina de gas, a fin de reducir los contaminantes emitidos al entorno.

[0048] Según un aspecto, el presente objeto está destinado a un método para controlar el uso de energía renovable en un tren de GNL, capaz de garantizar operaciones fiables de la planta/tren de GNL y evitar un impacto negativo en la disponibilidad del tren cuando se utiliza una fuente renovable para suministrar parcial o completamente la potencia requerida.

[0049] La producción de GNL, al ser un proceso intensivo en energía, puede interpretarse como un almacenamiento de energías renovables o un sumidero en el que cada vatio producido, independientemente del momento (día, noche, invierno o verano) y de la cantidad que se produzca, puede utilizarse para la producción sin necesidad de un almacenamiento físico o minimizándolo y, por lo tanto, con una RTE muy alta.

[0050] Haciendo referencia a la figura 1, se ilustra una realización de una planta de refrigeración de GNL, y se indica con el número de referencia 1. La planta 1 de refrigeración de GNL comprende un tren 2 de potencia híbrido, una carga 3, conectada y accionada por el tren 2 de potencia híbrido. Una planta de generación de energía PG, que puede ser incluso la red eléctrica o cualquier instalación habitual de generación de energía, y las fuentes de energía renovables en general, indicadas con la referencia PV, están conectadas al tren 2 de potencia híbrido, como se especifica mejor a continuación.

[0051] Con fuentes de energía renovables PV, se entiende cualquier planta o sistema de energía capaz de producir energía proveniente de fuentes renovables, tal como una planta fotovoltaica, una planta de energía eólica, un sistema de energía solar concentrada, una planta de energía oceánica o a partir de olas marinas, etc. A continuación, sin limitar el alcance de protección de la solución descrita, como fuentes de energía renovables PV, se entenderá una planta fotovoltaica. En cualquier caso, se pueden considerar otras plantas de producción de energía renovable o una combinación de las mismas.

[0052] El tren 2 de potencia híbrido comprende una turbina 21 de gas, un motor/generador eléctrico 22, un dispositivo 23 de frecuencia variable (VFD), conectado al motor/generador eléctrico 22, y a la planta de generación de energía PG y a la planta fotovoltaica PV. El tren 2 de potencia híbrido también comprende un eje 24. La turbina 21 de gas y el motor/generador eléctrico 22 están conectados al mismo eje 24.

[0053] La potencia para la carga 3 puede derivarse de la turbina 21 de gas, la planta de generación de energía PG y/o la planta fotovoltaica PV.

[0054] La carga 3 mostrada en la figura 1 comprende dos compresores 31 y 32, para comprimir en la realización considerada gas natural licuado. Los compresores 31 y 32 están conectados mecánicamente al eje 24. Sin embargo, en otras realizaciones, el tren 2 de potencia híbrido puede accionar diferentes cargas, tal como bombas y similares, sin apartarse del alcance de protección de la solución descrita.

[0055] Además, en otras realizaciones, los compresores son al menos uno o más de dos, en función de los requisitos de la planta.

[0056] La turbina 21 de gas puede ser de diferentes tipos, tales como, por ejemplo, una turbina de gas de doble eje o una turbina de gas de un único eje. En otras realizaciones, se pueden instalar otros tipos de turbinas de gas.

[0057] El motor/generador eléctrico 22 está adaptado para operar como un motor, transformando así la energía eléctrica derivada de la planta de generación de energía PG o de la planta fotovoltaica PV, en energía mecánica para accionar la carga 3, o para operarla como auxiliar, para suministrar energía adicional a la suministrada por la turbina 21 de gas requerida por la carga 3, o como un motor de arranque, para activar la turbina 21 de gas. El motor/generador eléctrico 22 también puede operar como un generador, inyectando cualquier exceso de energía generado por la turbina 21 de gas en la planta de generación de energía PG o en la red eléctrica, por ejemplo.

[0058] El dispositivo 23 de frecuencia variable es el dispositivo de accionamiento del motor. Por lo general, se utiliza en sistemas de accionamiento electromecánicos para controlar la velocidad y el par del motor de corriente alterna, variando la frecuencia y la tensión de entrada del motor. En general, los VFD se utilizan para mejorar el rendimiento mediante avances en dispositivos de conmutación de semiconductores, topologías de accionamiento, técnicas de simulación y control, y hardware y software de control.

[0059] Se observa que el motor/generador eléctrico 22 y el dispositivo 23 de frecuencia variable son los dispositivos que gestionan la combinación de energía para suministrar la carga 3.

[0060] Como se especifica mejor a continuación, cada componente del tren 2 de potencia híbrido se caracteriza por un índice de estadoHIadecuado. En particular, la turbina 21 de gas se caracteriza por el índice de estadoHIgt, el motor/generador eléctrico 22 se caracteriza por el índice de estadoHIem, el dispositivo 23 de frecuencia variable se caracteriza por el índice de estadoHIvfd, así como las líneas de la planta fotovoltaica PV y la planta de generación de energía PG se pueden caracterizar por índices de estado relevantes, respectivamenteHIpvyHIpg. Mediante el índice de estadoHIide cada equipo i, es posible asociar una condición a cada equipo y subsistema y/o combinación de equipos y subsistemas, para determinar la condición de los mismos de manera sintética y determinar el reparto de energía más adecuado que se va a producir.

[0061] Además, dado que el significado de los índices de estadoHImencionados anteriormente se explicará mejor a continuación, permiten comprobar la condición operativa del tren 2 de potencia híbrido en función del equipo único y como planta o flota de plantas. En otras palabras, mediante los índices de estadoHIes posible llevar un seguimiento de la operación actual de los equipos del tren 2 de potencia híbrido, así como del tren 2 de potencia híbrido en su conjunto. De forma sintética, el índice de estado del tren es una función de los índices de estado de los equipos y se puede expresar matemáticamente como

[0063]

[0065] A continuación, se proporcionarán detalles adicionales sobre cómo se calcularán y evaluarán los índices de estado de los equipos, así como el cálculo de los índices de estado del tren 2 de potencia híbrido en su conjunto.

[0066] A continuación, con equipo se entiende cualquier parte del tren 2 de potencia híbrido, a saber, la turbina 21 de gas, el motor/generador eléctrico 22 o el dispositivo 23 de frecuencia variable, así como las partes de los mismos.

[0067] Haciendo referencia ahora a la figura 2, se muestra cómo se controla el tren 2 de potencia híbrido para maximizar el uso de la energía renovable procedente de la(s) fuente(s) de energía renovable, a saber, en la realización que se describe, la planta fotovoltaica PV. En particular, los índices de estadoHjde cada equipoj-ésimose determinan y se introducen en un sistema de índices de estado para procesarlos con el fin de lograr la función objetivo de minimizar el uso de la turbina 21 de gas. Dicha función objetivo se puede expresar mediante la siguiente fórmula

[0070]

[0072] donde la función objetivoObjetivofuncióntiene el alcance de accionar la turbina 21 de gas, y el motor/generador eléctrico 22 tiene el alcance de maximizar la energía renovable y la potencia máxima permitida en el motor/generador eléctrico 22. Además, si se cumplen todas las condiciones de los índices de estadoHI, la maximización de la planta fotovoltaica PV debe centrarse en la carga de la turbina 21 de gas, de modo que la carga de la turbina de gas permanezca por encima del umbral de transferencia de la “premezclaPmxCargade la cámara de combustión, más un cierto margen de carga ΔCarga, para gestionar cualquier posible transición de carga. Cuando la carga de la turbina 21 de gas alcanza la carga objetivo, la función objetivoObjetivofunciónalcanza el mínimo de la función. También. El umbral de transferencia de premezclaPmxCargade la turbina 21 de gas podría calcularse mediante la interfaz digital 211 de la turbina 21 de gas, que está conectada a la unidad 4 de control de la planta. La interfaz digital 211 es un modelo (modelo gemelo digital) del tren de 2 potencia híbrido y del entorno en el que opera este último, capaz de representar el rendimiento del sistema combinado. El modelo de interfaz digital 211 puede basarse en inteligencia artificial, aprendizaje automático, basado en la física, o una combinación de estos.

[0073] El sistema de combustión de la turbina de gas debe operar en una envolvente operativa definida, para permitir el modo de combustión premezclada. En un modo de combustión premezclada, el combustible y el aire se mezclan perfectamente y el resultado es una amplia región de llama premezclada con llama de difusión reducida. Esto permite una reducción significativa de la formación de contaminantes, tales como el NO<x>y el CO. La envolvente operativa de la premezcla está limitada a una carga media-alta de la turbina de gas GT, por lo que un umbral preciso, por debajo del cual no es posible el modo de premezcla, se calcula por el modelo del motor para proporcionar información que permita controlar la carga mínima a la que la turbina puede mantener el modo de operación de premezcla.

[0074] Además, el margen de carga ΔCargase mantiene por encima del umbral de transferencia de la premezcla para garantizar que no se cruce el umbral y se entre en el modo de operación de llama de difusión, que produce un alto contenido de contaminantes.

[0075] En algunas realizaciones, el procesamiento del índice de estado podría realizarse de forma remota o local (“Edge”) o una combinación de ambas.

[0076] En general, la unidad 4 de control de la planta (que puede ser, o puede ser parte de, un controlador local de un subsistema) está programada o configurada para obtener la función objetivo sobre la base de algunas restricciones basadas en el rendimiento de la planta que se va a controlar, a saber, en la presente realización, el tren 2 de potencia híbrido. En la realización ilustrada en la figura 2, las restricciones están relacionadas con la energía máxima que puede generar un motor/generador eléctrico 22 y al rango de potencia en el que puede funcionar la turbina 21 de gas, a saber

[0077]

[0079] En particular,EMPotenciaMáx.

es la función de máxima potencia del motor/generador eléctrico 22 en una condición de estado. Se observa que algunas condiciones de alteración pueden requerir una reducción de la carga del motor;GTPotenciaMáx.

es la potencia máxima como función de la temperatura ambiente, la degradación del motor, las pérdidas de admisión y escape, etc. La unidad 4 de control de la planta calcula la capacidad de carga restante del motor, para comunicarla al sistema de control del proceso; yGTPotenciaMín.es la potencia mínima de la turbina 21 de gas, que depende de la temperatura ambiente, la degradación del motor, las pérdidas de admisión y escape, la temperatura de la llama, etc. En este caso, la unidad 4 de control de la planta calcula el margen restante hasta la carga mínima para mantener el modo de combustión en la premezcla y minimizar la emisión de NO<x>.

[0080] Como se mencionó anteriormente, la unidad 4 de control de la planta del tren 2 de potencia híbrido está programada para controlar la operación del tren 2 de potencia híbrido sobre la base de un programa informático específico, como se detalla mejor a continuación. La unidad 4 de control también está conectada operativamente a la turbina 21 de gas y a cualquier parte o equipo de la misma. De manera similar, la unidad 4 de control de la planta está conectada operativamente al motor/generador eléctrico 22, así como al dispositivo 23 de frecuencia variable. También en este caso, la unidad 4 de control de la planta está programada para controlar y comprobar partes del motor/generador eléctrico 22 y del dispositivo 23 de frecuencia variable.

[0081] Como se mencionó anteriormente, la unidad 4 de control de la planta está programada para ejecutar un programa informático para gestionar una fuente externa fluctuante (a saber, las fuentes de energía renovables, como la planta fotovoltaica PV), para optimizar la producción de energía de la turbina 21 de gas y la disponibilidad y fiabilidad de otros equipos. Además, dado que la planta 1 de refrigeración de GNL normalmente es intensiva en energía, el programa reduce la necesidad de almacenamiento, ya que se necesita energía constantemente (mayor eficiencia de almacenamiento fotovoltaico, etc.). La unidad 4 de control de la planta puede conectarse de forma remota o por cable a los trenes 2 de potencia híbridos de la planta 1 de refrigeración de GNL.

[0082] La unidad 4 de control de la planta se puede conectar a uno o más trenes 2 de potencia híbridos, a saber, a una flota de trenes 2 de potencia híbridos. En este sentido, la unidad 4 de control puede optimizar la operación de toda la flota. En algunas realizaciones, y haciendo referencia particularmente a la figura 3, la unidad 4 de control de la planta puede incluir: un procesador 41, un bus 42, al que está conectado el procesador 41, una base 43 de datos, conectada al bus 42, a fin de que el procesador 41 acceda a ella y la controle, una memoria 44 legible por ordenador, también conectada al bus 42, a fin de que el procesador 41 acceda a ella y la controle, un módulo 45 de recepción y transmisión, conectado al bus 42, para recibir y transmitir datos y señales desde/hacia el tren 2 de potencia híbrido.

[0083] Como se mencionó anteriormente, la unidad 4 de control de potencia ejecuta un programa para controlar el tren 2 de potencia híbrido, con el fin de optimizar la producción de energía, la energía absorbida de los recursos renovables, a saber, en la realización que se describe, la planta fotovoltaica PV y, por lo tanto, para reducir la emisión de NO<x>y CO<2>. Haciendo referencia a la figura 4, se ilustra esquemáticamente el método general en el que se basa el programa para controlar la planta 1 de GNL, gestionada por la unidad 4 de control de la planta.

[0084] Específicamente, la figura 4 ilustra un diagrama de flujo. El método 5 comprende (véanse las figuras 4 y 5) una etapa 51 de detección, en la que se comprueban las condiciones en tiempo real del tren 2 de potencia híbrido. En particular, en esta etapa preliminar, se determina la carga de la turbina 21 de gas y la carga parcial del motor/generador eléctrico 22.

[0085] Específicamente, la unidad 4 de control de la planta, como se mencionó anteriormente, está conectada a la turbina 21 de gas, al motor/generador eléctrico 22 y al dispositivo 23 de frecuencia variable. Desde cada uno de estos equipos, la unidad 4 de control de la planta recibe uno o más parámetros de entradaPij, donde el índice i etiqueta uno o más equipos del tren 2 de potencia híbrido, mientras que el índice j etiqueta los parámetros. Cada equipo puede que se compruebe mediante diferentes parámetros. En la realización que se describe, los equipos comprobados son el motor/generador eléctrico 22 y el dispositivo 23 de frecuencia variable. Sin embargo, se pueden considerar equipos adicionales o diferentes para esta etapa de comprobación inicial.

[0086] Los parámetrosPijson señales que representan el rendimiento de los equipos. Habrá un número total de parámetrosj× i, a saber,jseñales multiplicadas por i equipos. Las señales de parámetros permiten determinar el grado de capacidad operativa de los equipos. Además, su valor, forma o espectro están influenciados por la necesidad de mantenimiento de cualquier equipo específico.

[0087] Para cada señal de parámetroPijse asigna una función de pertenencia paramétricaMij(etapa 5211, haciendo referencia al motor/generador eléctrico 22), que representa la función de pertenenciajdel equipo i. Cada función de pertenenciaMijpuede tener diferentes formas o configuraciones, como también se puede apreciar con mayor detalle en la figura 6. La función de pertenencia paramétricaMijes una función de estado lógico, que puede asumir, en la presente realización, tres posibles valores o estados de calificación, como función del valor de cada señal del parámetroPij, a saber, Bajo (el equipo bajo análisis no opera en las condiciones adecuadas), Medio (el equipo bajo análisis sigue operando, aunque no en condiciones óptimas) y Alto (el equipo está operando correctamente). En otras realizaciones, las funciones de pertenenciaMijpueden asumir un número diferente de estados de calificación.

[0088] Continuando con la figura 5, y considerando también la figura 7, una vez que una función de pertenencia paramétricaMijse asocia a las señales de los parámetrosPijrecibidas, para cada equipo i, los resultados de las funciones de pertenencia paramétricaMijse combinan (5221) a través de tablas de verdadTi, para obtener un conjunto de índices de estadoHIijde los equipos para cadai-ésimoequipo, a partir de los cuales se obtiene una función de pertenencia del equipoMem(véase la etapa 5231).

[0089] Por lo tanto, haciendo referencia al motor/generador eléctrico 21, a partir de los parámetrosPem,j, se obtienen las funciones de pertenenciaMem,j, la tabla de verdadTemaplica reglas de combinación a las funciones de pertenenciaMem,<j,>para calcular los índices de estadoHIem,jdel motor/generador eléctrico 21, para obtener la función de pertenenciaMemdel motor/generador eléctrico 22 del tren 2 de potencia híbrido.

[0090] Del mismo modo, haciendo referencia al motor/generador eléctrico 22, a partir de los parámetrosPvfd,j, se obtienen las funciones de pertenenciaMvfd,j, la tabla de verdadTvfdaplica reglas de combinación para determinar los índices de estadoHIvfd,jy las funciones de pertenenciaMvfd,jrelevantes, a fin de calcular la función de pertenenciaMvfddel dispositivo 23 de frecuencia variable del tren 2 de potencia híbrido. La figura 7 ilustra un ejemplo de línea de código mediante la cual las etapas de algunos equipos se combinan adecuadamente (véanse las etapas 5212, 5222, 5223). El subproceso 52 de sentencia condicional, a saber, la función de pertenencia de cada equipo, a saber,MemyMvfd, puede asumir tres salidas diferentes, a saber, tres estados “difusos” de calificación diferentes, denominados aquí “Malo”, “Medio” o “Bueno”. Más específicamente, la primera etapa condicional 52 comprende una subetapa 524 de combinación para obtener una función de pertenencia combinadaMem+vfd, que aún puede asumir las tres salidas diferentes o estados “difusos” de calificación, que en este caso todavía se denominan “Malo”, “Medio” o “Bueno”. En el caso de que la función de pertenencia combinadaMem+vfdasuma el valor Malo, entonces el motor/generador eléctrico 22 y/o el dispositivo 23 de frecuencia variable no están funcionando en buenas condiciones técnicas. La unidad 4 de control de la planta lleva a cabo un primer conjunto de acciones operativas (etapa 53). En particular, se aumenta la carga de la turbina 21 de gas, se alivia la carga del motor/generador eléctrico y se reduce toda la carga del proceso.

[0091] En el caso de que la función de pertenenciaMem+vfdasuma el valor Medio, entonces, aunque el motor/generador eléctrico 22 y el dispositivo 23 de frecuencia variable puedan aún operar sin afectar excesivamente a la contaminación o, en cualquier caso, sin comprometer la operación del tren 2 de potencia híbrido, (etapa 54) se cambia el reparto de carga entre la turbina 21 de gas y el motor/generador eléctrico 22. En algunas circunstancias, la carga del proceso también se puede reducir. En este caso, la unidad 4 de control de la planta también comunica la condición del proceso para regular la carga total del tren en función de la capacidad de carga de la turbina 21 de gas y del motor/generador eléctrico 22.

[0092] Finalmente, en caso de que la función de pertenenciaMem+vfdasuma el valor Bueno, el motor/generador eléctrico 22 y el dispositivo 23 de frecuencia variable funcionan en condiciones óptimas o apropiadas.

[0093] En este caso, se lleva a cabo una segunda sentencia condicional (etapa 55) para determinar los índices de estado de la fuente fotovoltaica PVHIpv,jo, en general, el índice de estado de cualquier fuente de energía renovable. Específicamente, haciendo referencia a la figura 8, se muestran las subetapas del subproceso 55 de sentencia condicional. Puede haber más de un parámetroPpv,j(véase la subetapa 551), que se cuenta según el índicej. Cada parámetroPpv,jtiene una señal específica y una tabla de verdadTpv, referida al equipo en cuestión, a saber, la fuente fotovoltaica PV. La tabla de verdadTpvpermite la aplicación de reglas de combinación adecuadas entre las señales de parámetrosPpv,j de la planta fotovoltaica PV, a fin de calcular el índice de estadoHIpvde la misma y determinar la función de pertenenciaMpvde la fuente fotovoltaica PV, que puede asumir tres estados de calificación: Malo, Medio o Bueno.

[0094] En caso de que la función de pertenenciaMpvde la fuente fotovoltaica PV asuma el valor Malo, la fuente fotovoltaica PV no funciona de manera adecuada, entonces la unidad de generación de energía PG se comprueba llevando a cabo un tercer subproceso 56 de sentencia condicional, que también se muestra en la figura 9. La comprobación operativa de la unidad de generación de energía PG se lleva a cabo, desde un punto de vista procedimental, análogo al de la planta fotovoltaica 55.

[0095] La figura 9 muestra las subetapas de la tercera sentencia condicional 56. Además, en este caso, puede haber más de un parámetroPpg,j(véase la subetapa 561), del mismo modo que en la planta fotovoltaica PV, que se cuenta según el índicej. Cada parámetroPpg,jestá asociado a una función de pertenencia paramétricaMpg,j(etapa 562) que tiene una señal específica y una tabla de verdadTpg(etapa 563), referida al equipo en cuestión, a saber, la planta de generación de energía PG. La tabla de verdadTpgpermite la aplicación de reglas de combinación adecuadas entre las señales de parámetrosPpg,jde la planta de generación de energía PG, para calcular el índice de estadoHIpg,jpara cada señal de parámetroPpg,jy, a continuación, la función de pertenenciaMpgde la planta de generación de energía PG, que puede asumir tres estados de calificación: Malo, Medio o Bueno.

[0096] Si el estado de calificación de la función de pertenenciaMpges Malo, entonces se cambia el reparto de carga 3 (vaya a la etapa 53), por lo que se aumenta la carga 21 de la turbina de gas, se alivia la carga del motor/generador eléctrico y se reduce toda la carga del proceso.

[0097] Si el valor de la función de pertenenciaMpges Medio, entonces la unidad 4 de control de la planta lleva a cabo la etapa 54, a saber, se cambia el reparto de carga entre la turbina 21 de gas y el motor/generador eléctrico 22. En algunas circunstancias, la carga de procesamiento también se puede reducir. En este caso, la unidad 4 de control de la planta también comunica la condición del proceso para regular la carga total del tren en función de la capacidad de carga de la turbina 21 de gas y del motor/generador eléctrico 22.

[0098] Finalmente, si el valor de la función de pertenenciaMpges Bueno, entonces el reparto de carga se mantiene según las condiciones iniciales (etapa 57).

[0099] Volviendo a la etapa 55, a saber, la segunda sentencia condicional 5, si la función de pertenenciaMpvde la planta fotovoltaica PV asume el valor Medio, entonces la carga del motor/generador eléctrico 22 se aumenta para operar como auxiliar, hasta un umbral preestablecido permitido (etapa 58).

[0100] Finalmente, si la función de pertenenciaMpvde la planta fotovoltaica PV asume el valor Bueno, entonces se logra una reorganización o un reparto diferente (etapa 59) de la energía generada por el motor/generador eléctrico 22 y la turbina 21 de gas. Específicamente, el motor/generador eléctrico 22 se opera para maximizar la carga como auxiliar (etapa 591), a saber, la operación del motor/generador eléctrico 22 y la carga de la turbina 21 de gas se reduce (etapa 592) hasta el valor de la carga del umbral de transferencia de la “premezcla”PmxCarga. Además, se logra la función objetivo de minimizar el uso de la turbina 21 de gas. Dicha función objetivo se puede expresar mediante la fórmula (F2) mencionada anteriormente.

[0101] Una ventaja de la solución descrita es la de optimizar la eficiencia del tren cuando se tenga en cuenta la intermitencia y ciclicidad típicas de la energía renovable.

[0102] Una ventaja adicional de la solución descrita es la de garantizar que se optimice la disponibilidad de los trenes de GNL, analizar el estado del motor/generador eléctrico, el dispositivo de frecuencia variable y de la turbina de gas, y actuar sobre el equilibrio de potencia para reducir los riesgos de pérdida de producción.

[0103] Además, mediante la solución descrita, es posible optimizar la emisión de contaminantes, garantizando que se minimice la producción de CO<2>(producido a nivel del sistema más el combustible) y la producción de NO<x>y CO (producidos a nivel de combustión). Esto también se logra mediante la combinación de fuentes renovables y convencionales.

[0104] Además, la solución descrita permite optimizar el coste total de la producción de gas natural licuado, teniendo en cuenta el coste del combustible y el coste de la energía renovable. Esto también se logra al reconocer la condición de estado y el envejecimiento de los equipos a fin de programar el mantenimiento y optimizar la disponibilidad de la planta. Los equipos objeto de análisis son generadores, motores y dispositivos de frecuencia variable (es decir, descarga parcial, instrumentación dedicada instalada). En particular, la monitorización y el análisis de los datos de los equipos (en tiempo real o en posprocesamiento) permiten el reconocimiento y la optimización de las condiciones operativas que puedan afectar la producción.

[0105] Reconocimiento de las condiciones de estado de los VFD y del motor a fin de programar el mantenimiento y optimizar la disponibilidad de la planta.

[0106] Optimización del perfil operativo de la turbina de gas a fin de minimizar los contaminantes en general, no limitada al CO<2>, sino considerando también los NO<x>.

[0107] Una ventaja adicional de la presente descripción es la de reducir del 10 % al 15 % la intensidad de carbono de una planta de GNL, sin afectar la producción, la disponibilidad y la fiabilidad, solo mediante la optimización de la operación de los trenes y el aumento de la flexibilidad en la gestión de las partes de gas caliente.

[0108] Otra ventaja del método descrito es que hace que el almacenamiento de energía renovable sea opcional (el proceso de GNL consume la energía producida), maximizando la RTE renovable, mediante el control avanzado del tren de GNL, combinado con la arquitectura del propio tren, a fin de optimizar sustancialmente la RTE de la utilización renovable y el CAPEX de la fuente renovable.

[0109] Mientras que los aspectos de la invención se han descrito en términos de varias realizaciones específicas, será evidente para los expertos en la técnica que muchas modificaciones, cambios y omisiones son posibles sin abandonar el ámbito de las reivindicaciones. Además, a menos que se especifique lo contrario en la presente memoria, el orden o la secuencia de cualesquiera etapas del proceso o método puede modificarse o volver a secuenciarse según realizaciones alternativas.

[0110] Se ha hecho referencia en detalle a las realizaciones de la descripción, uno o más ejemplos de las cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la descripción y no como limitación de la descripción. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente descripción sin abandonar el ámbito de la descripción. En la memoria descriptiva, las referencias a “una realización” o “algunas realizaciones” significan que un elemento, estructura o característica particular descrito en relación con una realización está incluido en al menos una realización del objeto descrito. Por lo tanto, la utilización de la expresión “en una realización” o “en algunas realizaciones” en varias partes de la memoria descriptiva no se refiere necesariamente a la misma realización o realizaciones. Además, los elementos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier forma adecuada en una o más realizaciones.

[0111] Cuando se introducen elementos de varias realizaciones, los artículos “un”, “uno/a”, “el/la” y “dicho/a” significan que hay uno o más de los elementos. Los términos “comprendiendo”, “que incluye” y “que tiene” pretenden ser inclusivos y significan que puede haber elementos adicionales aparte de los elementos enumerados.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Una central eléctrica (1) que comprende:

un tren (2) motriz híbrido que tiene:

un eje pasante (24),

una turbina (21) de gas, conectada mecánicamente al eje (24);

una carga (3) conectada mecánicamente al eje (24);

un motor/generador eléctrico (22), conectado mecánicamente al eje (24);

un dispositivo (23) de frecuencia variable, conectado al motor/generador eléctrico (22), y a una planta de generación de energía (PG) y a una fuente de energía renovable (PV), en donde el dispositivo (23) de frecuencia variable es operable para permitir que el motor/generador eléctrico (22) transforme la energía de la planta de generación de energía (PG) y la fuente de energía renovable (PV) para impulsar la carga (3) o para ayudar al funcionamiento de la turbina (21) de gas; y

específicamente, la unidad (4) de control de la planta, como se mencionó anteriormente, está conectada a la turbina (21) de gas, al motor/generador eléctrico (22) y al dispositivo (23) de frecuencia variable.

estando el aparatocaracterizado porque

la unidad (4) de control de la planta está configurada para controlar el tren (2) de potencia híbrido para maximizar la energía utilizada procedente de la fuente de energía renovable (PV) maximizando la carga motriz del motor/generador eléctrico (22), y

en donde la carga de turbina (21) de gas se mantiene por encima de un umbral de transferencia de premezcla de la cámara de combustión (Pmx<Carga>).

2. La central eléctrica (1) según la reivindicación anterior, en donde la carga de la turbina (21) de gas se mantiene por encima del umbral de transferencia de la premezcla de la cámara de combustión (Pmx<Carga>) más un cierto margen de carga (∆Carga).

3. La central eléctrica (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad (4) de control de la planta comprende:

un procesador (41);

un bus (42), al que está conectado el procesador (41);

una base de datos (43), conectada al bus (42), para que el procesador (41) acceda a ella y la controle;

una memoria legible por ordenador (44), conectada al bus (42), para acceder a ella y controlarla el procesador (41), un módulo (45) de recepción-transmisión, conectado al bus (42), para recibir y transmitir datos y señales desde/hacia el tren (2) de potencia híbrido.

4. La planta (1) de energía según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fuente de energía renovable es una planta fotovoltaica (PV) y/o una planta eólica y/o sistemas de energía solar concentrada.

5. La central eléctrica (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la carga comprende uno o más compresores centrífugos (31, 32) para refrigerar el gas natural.