MX2010009587A

MX2010009587A - Planta hibrida de energia electrica.

Info

Publication number: MX2010009587A
Application number: MX2010009587A
Authority: MX
Inventors: Roger Ferguson
Original assignee: Roger Ferguson
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-11-26
Also published as: BRPI0907973A2; EP2265802A1; WO2009148649A1; CN102105656B; EP2265802A4; CN102105656A; CA2717798A1; WO2009148649A9

Abstract

Se describe una planta híbrida de energía eléctrica en la que un reactor nuclear de agua presurizada o una planta de energía eléctrica alimentada por biomasa, que tiene una temperatura operativa relativamente baja, como por ejemplo, se combina con una planta de energía eléctrica de carbón mineral u otro combustible fósil que tiene una temperatura operativa más elevada. La corriente de la primera planta se súper-calienta en la segunda planta de energía eléctrica para proporcionar una planta híbrida con eficiencia mejorada y emisiones más bajas.

Description

PLANTA HÍBRIDA DE ENERGÍA ELÉCTRICA DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a plantas de energía nuclear y, más específicamente, a una planta híbrida de energía eléctrica que combina una planta de energía nuclear o una planta de energía eléctrica caldeada por biomasa con una planta de energía eléctrica caldeada por combustible fósil para proporcionar eficiencias mejoradas y emisiones reducidas. La vasta mayoría de la producción de energía en el mundo viene de uno de cuatro recursos no renovables: cárbón, gas, petróleo o energía nuclear. De acuerdo con los datos más recientes (CY 2006) de la Agencia Internacional de Energía, el 85% de la electricidad se generó a partir de ; energía nuclear (23.2%) y combustibles (61.8%), mientras la energía hidroeléctrica fue de 13.4% y otros renovables fueron de 1.6%. Cada una de estas fuentes tiene sus resistencias y debilidades. Datos sólo de Estados Unidos del Departamento de Energía Norteamericano descomponen los combustibles 1 como 49.7% de carbón, 18.7% de gas natural y 3% de petróleo. El petróleo casi siempre se reserva para transporte y normalmente no se utiliza en generación de energía eléctrica. El gas natural se utiliza, pero debido a su costo normalmente sólo se utiliza para capacidad de sobretensión de período pico de energía. Esto deja a las plantas nucleares y caldeadas por carbón para proporcionar carga base y la ¡mayor parte de la electricidad en el mundo. ! El carbón actualmente proporciona la vasta: mayoría de la capacidad de generación eléctrica de carga, ibkse. y aproximadamente la mitad de toda la capacidad, per<† ; su uso viene bajo ataque pesado por preocupaciones de contaminación y especialmente las emisiones de "gas invernadero" de; ¡dióxido decarbono. El uso de la energía nuclear se ha limitado por sus altos costos de producción, largamente derivada ; pjor la eficiencia térmica muy baja de su ciclo de vapor que ¡requiere un reactor muy grande con respecto a la cantidad de electricidad que puede generarse por su vapor saturado de baja temperatura. La biomasa se ha investigado, pero debido al alto contenido de agua y la baja densidad de energjía no es posible lograr temperaturas de combustión comparables' don la combustión del carbón. Esto resulta en eficiencias más bajas a partir del vapor saturado de baja temperatura, muy1 :similar a aquellas que limitan la energía nuclear. ! ¡ Aplicaciones actuales para solucionar ; las cuestiones ambientales y de eficiencia se centran alrededor I de instalaciones de múltiple uso. Estas instalaciones utilizan una fuente sencilla de energía para satisfacer las diversas necesidades, muchas al explotar las interacciones cooperativas entre el control de emisiones y la ¡ leriergía desperdiciada no utilizada o los productos de combustión.

Esta patente propone un procedimiento más efectivo para la instalación de múltiple uso al utilizar más que una fuente de energía en una planta híbrida de energía para utilizar la ¦ . i resistencia de las tecnologías separadas para solucionar las debilidades anexas. Una planta híbrida que combina las tecnologías existentes de las plantas de energía nuclear o las plantas de energía de biomasa interconectadas con una planta de carbón modificada puede resultar en un proceso térmico total que puede tener un ciclo térmico mayormente mejorado, incrementando de esta manera la prodúcción eléctrica a casi el doble de los mínimos conjuntos de entradas comparados con las configuraciones 'autónomas' , reduciendo dramáticamente por consiguiente el costo, la contaminación y las emisiones de dióxido de carbono con respecto a dos plantas autónomas de estos diseños. Las plantas de combustible fósil caldeadas por carbón generalmente operan a los más altos niveles de eficiencia térmica con producción de electricidad para calentar fracciones de entrada unitaria en el rango de 30-45%. Esto se logra a través de un ciclo de vapor ¡ de tres etapas. La primera, el agua de alimentación para la caldera se precalienta con el vapor de extracción de gases de combustión efluente de baja temperatura para incrementar la temperatura desde la temperatura del condensador hasta aproximadamente 232.22-260°C (450-500°F) . Una vez que el agua de alimentación se agrega a la caldera, se calienta y se convierte en vapor saturado a temperaturas de 260-315.55°C (500-600°F) . Una vez que el vapor se forma en la caldera, pasa a través de los tubos de sobrecalentamiento en la sección más caliente de la columna de gas efluente donde el vapor se incrementa en temperatura a 593.33-648.88°C (1100°F-1200°F) . Este vapor supercalentado entonces se pasa a través de una serie de turbinas de alta, intermedia y baja, presión donde la energía se extrae y la electricidad se produce por generadores mecánicamente conectados a las turbinas. Una etapa final en un proceso de planta caldeada por carbón para la generación de electricidad es que el aire que se extrae en el fogón se pase a través de los gases efluentes de más baja temperatura para precalentar el aire entrante e incrementar la temperatura de combustión. Una planta caldeada por carbón es muy eficiente, aunque en este tipo de planta la mayor parte de la energía de combustión se pierde. De las 1512 BTU requeridas para calentar cero punto cuatrocientos cincuenta y ¿uatro kilogramos (una libra) de agua de alimentación ambiental de 60°C (140°F) en cero punto cuatrocientos cincuenta y cuatro kilogramos (una libra) de vapor supercalentado de 650 °C (1200°F) , vapor de 68.046 atmósferas (1000 psi) , 10Í4 ¡BTU o 67% de la energía de entrada va para convertir el agua en vapor y no puede recuperarse como producción eléctrica.

Aproximadamente otras 40 BTU (aproximadamente 3% del total) también se pierde sin recuperación en cada ciclo. Los condensadores corriente abajo de las turbinas operarán ;en un vacío, de manera que el vapor no se volverá a convertir en agua en el punto de ebullición normal de 100°C (212°F) ,; sino a una temperatura de 60°C (140°F) . Sin embargo, esta agua continuará enfriándose a la temperatura del río o lago que se utilice como el disipador térmico, y este calor tendrá que reemplazarse en el siguiente ciclo. La energía utilizable (disponible para la conversión en electricidad) puede extraerse del vapor de 650°C (1200°F) a vapor en 60°C (140°F) . Esto significa que menos de una de cada dos toneladas de dióxido de carbono que una planta de energía de carbón emite a la atmósfera, siempre se utiliza para producir electricidad. El uso de biomasa en lugar de carbón en una caldera requiere una configuración muy similar a la de una caldera de carbón pulverizado, aunque la operación de la planta se altere. Mientas exista una emisión de carbón 'cero final' de estas instalaciones, la biomasa tiene una densidad de energía más baja y temperaturas de flama que el carbón cuando se quema bajo las mismas condiciones. Esto reduce la cantidad de energía que puede impartirse al agua de alimentación, reduciendo la temperatura del vapor normalmente a no más de 454.44°C (850°F) de vapor. Debido a la temperatura operativa mas baja, se utiliza una presión operativa más baja' para incrementar la eficiencia del ciclo, de manera que se asume una presión operativa de 57.83 atmósferas (850 psi) . Es decir una adición de calor de 1317 BTU por cero punto cuatrocientos cincuenta y cuatro kilogramos (una libra) , para el agua de alimentación ambiente, de la cual aproximadamente 1014 BTU se pierden debido al cambio de fase de vapor a agua y otras pérdidas. Esto resulta en 77% de energía que no se encuentra disponible para producir electricidad. El estado actual de las plantas de energía nuclear (incluyendo reactores de agua poco presurizada, reactores de agua de ebullición, y diseños de agua pesada CAÑDU) son extremadamente estables, seguras y libres de emisión. Esta producción de energía se restringe extremadamente, sin embargo, por la necesidad de limitar la temperatura máxima en el núcleo del reactor a aproximadamente 315.55°C (600°F) (los reactores de agua de' ebullición operan a temperaturas de núcleo más bajas de aproximadamente 282.22 -287.77°C j (540-550°F) ) para evitar pérdida de refrigerante y daño en los elementos de combustible. Esto resulta en una planta de reactor bastamente dimensionada y el desperdicio de un alto porcentaje de BTUs generadas. Esto resulta en una contaminación térmica excesiva - el calentamiento localizado de los cuerpos de agua que sirven como disipadores térmicos para los condensadores de las unidades de turbina de vapor.

La planta de energía nuclear sólo tiene dos de las tres etapas del ciclo de vapor. Esencialmente no sé agrega supercalor al ciclo de vapor cuando el agua en el generador de vapor ya se encuentra en contacto con el agua más caliente para pasar a través del reactor. Existen métodos para precalentar el agua de alimentación que entra al generador de vapor, pero esto se hace solamente con vapor de extracción, que requiere un índice de flujo de vapor más alto para la misma producción eléctrica. El agua refrigerante primaria en contacto con el núcleo de reactor se calienta a 315.55°C (600°F) antes de cambiarse al generador de vapor (la misma función que la caldera en la planta caldeada por carbón) y convierte el agua secundaria en vapor en aproximadamente 301.66°C (575°F) con una presión operativa dé 27.21 atmósferas (400 psi) para incrementar la eficiencia. Esto resulta en un ciclo de vapor donde sólo 1199 BTUs pueden agregarse a cada cero punto cuatrocientos cincuenta y cuatro kilogramos (una libra) de vapor, incluso las mismas 1014 BTUs se pierden al cambiar el agua a/de vapor, de manera que el 85% total de la entrada de energía de calor jamás : puede utilizarse en la creación de energía eléctrica. Al combinar las temperaturas más altas que se pueden lograr en un horno de carbón con el vapor de baja temperatura de una planta nuclear o de biomasa, una mayor eficiencia puede realizarse con menos emisiones comparadas con cualquier diseño solo.

Una búsqueda de la técnica anterior se llevó cabo y las siguientes patentes relacionadas se descubrieron. Ninguna de estas patentes enseña o sugiere cualquier método o dispositivo que concuerde con esta invención. La Patente Norteamericana 3,575,002 por Vuia fue un diseño que enrutó el vapor saturado de una planta de energía nuclear estándar a través de la sección del supercalentador de un horno de combustible fósil en una planta de energía convencional. Aunque es una solución viable, la mayor parte de la entrada de energía en el sistema es de carbón, ya que ésta es una planta de energía de combustible fósil de completa escala con una sección de supercalentador ligeramente más grande en el horno. Este diseño de Vuia propone un diseño con dos plantas de energía independientes en las cuales la energía nuclear es asistida por la planta de carbón. En contraste, esta invención proporciona una planta de energía híbrida integrada sencilla que utiliza la energía del carbón sólo para agregar supercalor al vapor, disminuyendo la cantidad de carbón utilizado para generar la misma cantidad de energía. La Patente Norteamericana 4,530,814; ¡ para Schluderberg utiliza la energía térmica de una planta caldeada por combustible fósil para producir vapor. Este vapor entonces se enruta a través de una unidad separadora/recalentadora de humedad para agregar supercalor al vapor que ya se ha expandido a través de una turbina de alta presión. Este diseño utiliza combustible fósil exclusivamente para agregar supercalor al vapor de proceso nuclear, pero sólo lo hace indirectamente y sólo después de que se ha reducido la presión de vapor. En este diseño, los flujos de vapor de planta de energía nuevamente permanecen separados y la planta de carbón sólo proporciona un auxiliar de recalentamiento para la planta de energía nuclear, ninguna energía se hace disponible para precalentar el agua de alimentación. La Patente Norteamericana 5,361,377 para Miller describe el uso de supercalentadores antes de la turbina de alta presión y en la sección separadora/recalentadora de humedad entre dos turbinas . El supercalentador descrito puede recibir energía ya sea de la combustión de combustible fósil o el vapor de una planta de combustible fósil adyacente. La descripción es poco clara sobre cómo el supercalentador sería capaz de utilizar el vapor o combustible fósil. El diseño tampoco hace completo uso de los gases efluentes salientes para precalentar el agua de alimentación y el aire de combustión, indicando que es una unidad quemadora pequeña y no un horno quemador de carbón de gran tamaño. Este diseño parece que sólo pertenece a un supercalentador externamente calentado en una planta de energía nuclear. i La Patente Norteamericana 5,457,721 para Tsiklauri utiliza un sistema de ciclo combinado con los gases de escape calientes de una unidad de turbina de gas caldeada i por gas natural que calienta el agua de alimentación y produce vapor. El vapor de este generador de vapor de recuperación de ' calor entonces se utiliza para supercalentar el vapor ; de un generador de vapor de energía nuclear. Después de. : qjue se extiende el vapor en la turbina de alta presión, ' laS dos corrientes de fluido se mezclan y se aumentan por vapor del generador de vapor de recuperación de calor y se utiliza en i 1 la turbina de baja presión. Este uso de un generador de ;vapor de recuperación de calor disminuye la eficiencia del, Isistema en comparación con utilizar toda la energía para ; ¡agregar supercalor. Mezclar el vapor de ambas fuentes disminuye esta pérdida de eficiencia, pero puede requerir controles de química de agua más estrictas. : La Patente Norteamericana 6,244,033 para Wylie utiliza los gases de escape de una unidad de turbinal de ¡gas caldeada por gas para supercalentar directamente el vapor de un generador de vapor nuclear. Esto también hace usó! de los gases de escape para precalentar el agua de alimentación y proporciona una unidad de encendido suplementaria ! para asegurar que existe suficiente energía para proporcionar el supercalentamiento y precalentamiento . Notable en : esta patente es que especifica que el supercalentami|entoi y precalentamiento puede agregarse por el uso de la adición de calor de gas natural adicional sólo si la unidad de turbina de gas no se encuentra en operación. No existe ninguna provisión para el uso de carbón en esta patente, sólo gas natural más caro. La presente invención, en una modalidad preferida, lleva la producción de vapor saturada de una planta de energía nuclear y la pasa a través de una caldera de planta caldeada por carbón modificada, y después la producción de vapor supercalentado de la planta de carbón se envía ;a las turbinas donde la energía se extrae y se convierte en electricidad. La planta de energía nuclear sólo puede cambiarse de manera mínima de los diseños existentes, la única revisión de diseño puede ser incrementar el tamaño de los generadores de vapor por aproximadamente 15% con respecto al tamaño del núcleo del reactor, ya que el agua de alimentación puede precalentarse aproximadamente a 232.22°C (450 °F) antes de entrar al generador de vapor, de manera que el vapor del reactor puede utilizarse casi exclusivamente para convertir el agua en vapor en lugar de calentar el agua y convertirla en vapor. En una modalidad alternativa, una planta de energía caldeada por biomasa toma el lugar de la planta de energía nuclear para proporcionar vapor a la planta caldeada por carbón modificada. Aunque esta patente se puede aplicar a cualquier horno caldeado por carbón, un diseño de carbón pulverizado se describe aquí para mostrar la utilidad de esta invención. La unidad caldeada por carbón puede modificarse de manera más significativa, ya que la sección de caldeado de vapor (la sección de temperatura media del diseño actual) puede eliminarse. La sección de tubo de sobrecalentamiento de la unidad, puede expandirse mayormente para aceptar el vapor saturado del reactor y elevar su temperatura mayormente antes de enviar el vapor supercalentado fuera de las turbinas. En el fogón, los tubos que pasan a través de los gases efluentes por encima de 426.66°C (800°F) puede utilizarse para supercalentar el vapor producido del reactor, mientras los tubos en el área donde los gases efluentes se encuentran por encima de 426.66°C (800°F) puede utilizarse para precalentar el agua de alimentación. Asumiendo que la temperatura máxima en el fogón es de aproximadamente 1093.33°C (2000°F) , aproximadamente el 75% del calor puede ser para supercalentar el vapor saturado de 301.66°C (575°F) al vapor supercalentado de 648.48°C (1200°F), mientras el 25% restante puede ir hacia precalentar el agua de alimentación antes de entrar al reactor. Esto puede resultar en una planta caldeada por carbón en la mitad de su tamaño original y en un cuarto de sus emisiones de dióxido de carbono originales para la misma producción eléctrica. Se han construido modelos económicos alrededor de la suposición de que la solución óptima será construir el fogón para operar en aproximadamente 1093.33°C (2000°F) , y los materiales de uso normal en el diseño de los tubos de supercalentamiento . Se reconoce que existe un procedimiento alternativo para utilizar materiales de más alto costo más exóticos en la fabricación de los tubos e incrementar la eficiencia operativa a través de temperaturas más altas para compensar los costos de material más altos. Esta patente se pretende para cubrir ambos procedimientos. Cuando el lado nuclear se toma en consideración, la electricidad producida para cualquier tamaño de ¡ ;reactor determinado puede incrementar por lo menos a 3 veces su producción autónoma. Esto puede ser resultado del incremento del 15% en el vapor saturado generado como resultado del precalentamiento adicional del agua de alimentación en el economizador de la planta de combustible, así como la adición del supercalentamiento del carbón. El supercalentamiento del vapor en la unidad caldeada por carbón puede agregar 316 BTUs recuperables a las 181 que existían cuando el vapor se queda en la planta nuclear, para un incremento de 175%. La suma del 115% del volumen de vapor saturado veces de la adición de 275% de supercalentamiento resulta en 3.16 veces de la porción de energía. Otro factor es que las turbinas que utilizan el vapor supercalentado son más eficientes que aquellas que operan con vapor suturado, de manera : que un incremento adicional en la producción de energía sé puede obtener.

Las plantas de energía nuclear se han construido históricamente con múltiples unidades en sitios sencillos. De los 63 sitios activos de estaciones de energía nuclear en los ¦ I Estados Unidos, 37 tienen o tuvieron dos o tres reactores mientras sólo 26 se construyeron como sitios de ; 'reactor sencillos. En Canadá, existen dos sitios con cuatro reactores activos (cada uno planeado para ocho) junto con un sitio con dos reactores y un sitio sencillo aislado con una planta de energía. La mayoría de las plantas se construyan en proximidad cercana a un lago o río para proporcioriajr una fuente de incremento para los condensadores. También ;puede existir la necesidad de tener acceso para proporcionar un medio económico para proporcionar el suministro de: carbón para la porción caldeada por combustible fósil de la¡ ¡planta. Estas necesidades no son restrictivas ya que la mayoría de las líneas de ferrocarril siguen los lechos del río: para evitar pendientes significativas. Beneficios similares pueden lograrse en las ¡plantas de energía caldeadas por biomasa, de 194 BTUs adicionales de energía recuperable por cero punto cuatrocientos cincuenta y cuatro kilogramos (una libra) de agua de alimentación.: Esto puede combinarse con las turbinas de vapor de mas j alta eficiencia para proporcionar un incremento de eficiencia, de más de 55%. Además, este diseño puede requerir menosj Ibiomasa para la generación de la misma cantidad de electricidad, permitiendo que más de estas plantas de energía se pongan en servicio para una fuente de combustible determinada. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura la es un diagrama esquemático que muestra la alimentación de agua y las temperaturas del vapor de un reactor nuclear autónomo ejemplar, y la Figura Ib es un diagrama esquemático de una planta híbrida de energía de la presente invención, en donde el reactor de la Figura la : se ha combinado con una planta caldeada por carbón. La Figura 2a es un diagrama esquemático de los elementos principales de una planta de energía nuclear autónoma ejemplar, y la Figura 2b es un diagrama esquemático de los elementos principales de una planta de energía caldeada por carbón autónoma ejemplar. La Figura 3 es un diagrama esquemático que corresponde con las Figuras 2, en donde las plantas de energía se han modificado e interconectado para formar una planta híbrida de energía de la presente invención. La Figura 4 es un diagrama del contenido de energía del vapor para la planta de energía descrita en esta obra. Los valores de entalpia como se muestran para 27.21 atmósferas (400 psi) ; el contenido de energía se incrementa adicionalmente con el uso de sistemas de más alta presión. Esta figura muestra la energía útil adicional qúe puede extraerse del vapor utilizando la presente invención.

La Figura 5 es una tabla de estadísticas que compara la producción de energía anual, costos anuales y emisiones anuales de dos reactores nucleares autónomos y una planta de energía caldeada por carbón autónoma contra una planta híbrida de energía de la presente invención, en donde las dos plantas nucleares se han interconectado con la planta caldeada por carbón de acuerdo con la presente invención. La Figura 6 es un diagrama esquemático de un reactor nuclear de agua presurizada autónomo ejemplar.; . La Figura 7 es un diagrama esquemático, que corresponde con la Figura 6 en la cual el reactor d agua presurizada se ha interconectado con una planta caldeada por carbón de acuerdo con la presente invención. La Figura 8 es un diagrama que compara los tres ejemplos económicos presentados en esta solicitud y muestra una consistencia sorprendente en las mejoras de eficiencia inherentes en la presente invención. Ejemplo 1 - Diagrama Esquemático de la Planta Híbrida de Energía En este ejemplo, un reactor nuclear de agua presurizado autónomo (Figuras la y 2a) se interconecta con una planta de energía caldeada por carbón autónoma con la sección de ebullición reemplazada por un supercaleritador extendido (Figura 2b) , que forma la planta híbrida de energía eléctrica representada en la Figura Ib y la Figura 3.

Ejemplo 2 - Estimación Aproximada de Costo y Reducciones de Emisiones Una estimación aproximada del costo y ahorros de emisiones puede hacerse al examinar la adición de un horno de carbón a dos plantas de energía nuclear existentes. Considerar dos plantas de energía nuclear de 1.190 MW que se interconectan con una planta de energía caldeada por carbón dimensionada para proporcionar en 1.075 MW si se hubiera diseñado como una unidad autónoma. Después de la gráfica de la Figura 4, y las suposiciones proporcionadas en las figuras, las estadísticas de producción de energía- anual, costos anuales de operación y emisiones anuales se establecen en la Figura 5. Puede observarse que, cuando se interconectan de acuerdo con la presente invención, estas tres unidades, las cuales pueden tener una capacidad de 3.455 MW si se diseñan y operan como unidades autónomas, pueden tener una capacidad de 5.930 MW. Esto resulta en una reducción de aproximadamente 36% en el costo por kilovatio-hora de electricidad producida y una reducción en las emisiones de carbón por aproximadamente 80% Ejemplo 3 - Estimación Detallada del Costo y Reducción de Emisiones Para mostrar los beneficios económicos y ambientales de este concepto, este ejemplo se basa en instalaciones existentes. Para esta comparación, un modelo de línea base para una planta de energía de reactor dé agua presurizada se modeló para mostrar la comparación. Los datos y los parámetros operativos de la Estación de Generación de Energía Nuclear de Wolf Creek [Black & Veatch] se utilizan para desarrollar el modelo. Esta comparación también puede extenderse a una instalación caldeada por biomasa y carbón con parámetros adecuados . La Estación de Generación de Energía Nuclear Wolf Creek utilizada es una planta de energía de 1190 MW en Burlington, KS . El diseño es una planta de reactor de agua presurizada de 4 ciclos Westinghouse (PWR) . Entre otros detalles, un separador/recalentador de humedad y' siete calentadores de agua de alimentación cerrados se utilizan en el sistema de vapor secundario para incrementar la eficiencia. La planta opera como un ciclo de vapor saturado de Rankine, de manera que no existe ningún supercalentamiento de vapor de los generadores de vapor. Durante la operación de estado estable, el reactor se utiliza para calentar el refrigerante primario, el cual a su vez se utiliza para calentar el refrigerante secundario, provocando que haga ebullición. La circulación en cada ciclo de refrigerante primario se proporciona por una bomba de refrigerante de reactor. El vapor saturado producido en las unidades generadoras de vapor se suministra mediante tubería en una turbina de presión intermedia, donde se produce , cierto trabajo. Después de que sale de las turbinas de presión intermedia, el vapor pasa a través de un separador de humedad para secar el vapor para evitar daño en la turbina. El vapor entonces se pasa a través de una turbina de baja . presión, donde el resto de la energía disponible se extrae. Un condensador en la salida de la turbina de baja presión condensa el vapor (ahora denominado agua de alimentación) de manera que pueda volverse a bombear al generador de vapor utilizando bombas de condensado y bombas de alimentación . Este vapor condensado se pasa a través de siete calentadores de agua de alimentación cerrados (CFWH) que se enrutan al generador de vapor: cuatro entre las bombas de condensado y las bombas de alimentación y tres entre las bombas de alimentación y el generador de vapor. Estos CFWH son intercambiadores de calor que utilizan el vapor extraído de diferentes fases de las turbinas para precalentar el a,gua de alimentación antes de que regrese al generador de vapor. Esto redirige parte de la energía nuevamente al generador de vapor en lugar de rechazarlo en el condensador, lo cual incrementa la eficiencia. Los CFWH antes de las bombas de alimentación se drenan al condensador, aunque éstas después drenan las bombas de alimentación a un tanque común, del cüal se regresan al sistema en la entrada de las bombas de alimentación utilizando una bomba de drenaje separada. Algunas suposiciones simplificadas se hicieron en el modelado de esta planta. El sistema se modela en una condición de estado estable. La presión del condensador se asume que es de 0.068 atmósferas (1 psi) , que bombea las pérdidas de presión de 1% se aplican a través del sistema, y una pérdida de presión del 2% a través del separador de unidad se utilizó. Además, el 15% de energía producida se consideró una pérdida para justificar las pérdidas del generador y las cargas parásitas de la planta de energía, tal como bombas de circulación de agua de enfriamiento, ¡ sistemas de aire de alta presión e instalaciones de tratamiento de aguas. Ya que estas suposiciones se aplican a ambas plantas de energía, puede existir poca influencia introducida. Opción 1 - Mantener la producción eléctrica constante Convertida a Btus por hora, la producción eléctrica de 1.19 MW es de 4.06xl09 Btu/hr. Para generar' esta producción eléctrica, una producción de energía de reactor de 1.375xl010 Btu/hr se requiere, la cual proporciona una eficiencia de planta de 29.5%. La Figura 6 proporciona un diagrama esquemático de este sistema. Para simplicidad, sólo se muestra un ciclo en la figura. El modelo de la instalación híbrida se desarrblló a partir del modelo de la Estación de Generación Wolf Creek. Los cambios principales fueron la inserción de un horno caldeado por carbón para actuar como un supercalentador y economizador, y la supresión de la unidad separadora de humedad. El separador de humedad es innecesario ya que el vapor puede mantener una cantidad suficiente de supercalentamiento a través de la mayor parte de las; turbinas de vapor. Estos cambios pueden observarse en el diagrama esquemático de la planta híbrida de energía (Figura 7) . Algunos cambios también necesitan realizarse en los parámetros del sistema para justificar la adición de la energía de carbón. La temperatura de salida del supercalentador se asume que es de 648.88°C (1200°F) , la cual es comparable con la temperatura de salida de vapor ; de horno de carbón moderno. Este equipo agregado se asume qué provoca una disminución del 4% de presión en el flujo de vapor debido a las pérdidas por fricción. Sin embargo, el incremento de 315.55°C (600°F) en la temperatura del vapor es más de la que se acumula para esta caída de presión. El uso del economizador incrementa la temperatura de agua de alimentación antes de que entre al generador de vapor, disminuyendo la cantidad de energía que necesita para agregarse del ciclo primario. Este calor se agrega a partir de los gases de combustión que dejan el horno: que se encuentran a muy baja temperatura para agregar supercalentamiento al vapor, y de esta manera ésta reutilización de la energía se agrega a la eficiencia]. Esta adición adicional de calor del supercalentador y el economizador necesitan cambios en los parámetros operativos de los calentadores de agua de alimentación cerrados, ya que el vapor suministrado a los mismos tiene un contenido de calor más alto y se necesita agregarse menos calor. Como resultado del economizador y los cambios en los CFWH, el agua de alimentación entra al generador de vapor a 26.66°C (80° F) más que en la planta tradicional de PWR. Una pérdida de presión de 2% se agregó en el economizador para tomar en cuenta la energía adicional necesaria para bombear el agua de alimentación a través de la tubería del intercambiador de calor. El único cambio en las suposiciones para el modelo de planta híbrida de la planta tradicional es que tres por ciento más de la energía eléctrica de las turbinas se considera pérdida. Es decir, una estación conservadora que justifica las cargas parásitas adicionales, tal como ventiladores de giro inducido, molinos de carbón, y otros sistemas auxiliares asociados con el sistema de combustible de carbón. Para producir el mismo 1.19 W de electricidad que el diseño tradicional, la instalación híbrida requirió 6.951xl09 Btu/hr del reactor, 50.5% de la entrada dé energía para el diseño de línea base. Una adición de 4.591xl09 Btu/hr de carbón también es necesaria para impulsar el supercalentador , para una entrada de calor total de Íll54- 1010 Btu/hr. La eficiencia de la planta para este sistema se calcula que es 35.5%. Asumiendo un valor de calentamiento más alto (contenido de energía) de 10,000 Btu/lbm para el carbón y un costo de $40 por tonelada suministrada, el costo por kilovatio hora debido al carbón en una instalación dé energía híbrida es de $0.00452. Opción II - Mantener constante la producción del reactor, incrementa la producción eléctrica Si la planta de energía nuclear primaria se1 quedó como está, el índice de la instalación puede incrementarse por la adición del supercalentador caldeado por carbón. Esto puede incrementar la producción de la planta del 1190 W original a 2354 MW. Al mantener el tamaño de la planta del reactor igual, el costo de capital para construir la planta y los costos operacionales pueden permanecer virtualmente iguales para los sistemas de reactor, incrementar la producción eléctrica por casi el 98% al agregar un supercalentador caldeado por carbón y la capacidad de turbina adicional para acomodar el flujo de vapor más alto. Utilizando las mismas suposiciones de costo puede ll vair a un costo de $0.01011 por k hr de la plana nuclear. Nuevamente utilizando el valor previamente calculado de $0.00452 por kWhr para la energía de carbón en una instalación híbrida, proporciona un costo general de $0.01463 por kWhir Eátos ahorros de $0.00537 por kWhr representan ahorros de más del % para la producción de electricidad en la planta de energía mientras que casi dobla su capacidad. Una comparación detallada muestra que para la misma generación de electricidad sólo 84.7% de la entrada de energía térmica de un diseño tradicional se requiere para la instalación híbrida. Además, existe 25.8% menos calor rechazado en el condensador. Estos valores se reflejan: en la eficiencia de planta incrementada. Conclusiones La instalación híbrida suministra un incremento de eficiencia a treinta y seis por ciento, un incremento de aproximadamente 3% para biomasa y 6% para plantas nucleares solas. El incremento en eficiencia se relaciona directamente con la mayor temperatura de vapor suministrada por el supercalentador caldeado por carbón, incrementado la eficiencia Carnot (o máxima) que puede obtener el sistema. Al utilizar el carbón para agregar supercalentamiento al vapor, la mayor parte de la energía del carbón se convierte en electricidad. Como ejemplo, la cantidad disminuida de energía que necesita agregarse del sistema de reactor puede disminüi-? el costo de la instalación nuclear. Disminuir el costo del combustible por 50% (aproximadamente 15% del costo total) y utilizar una regla de seis decenas para capital, operando, y otros costos (el 85% restante) para disminuirlos por 33%,' la disminución de costo total para la generación eléctrica con la instalación nuclear se disminuye por 35.55%. Aunque esto no incluye el costo de capital del horno caldeado por carbón, los ahorros pueden compensar este costo en una cantiiclad de tiempo corto. Aunque esta configuración puede tener emisiones ' i de carbono, puede ser mucho menor que una instalalción de carbón convencional. Asumiendo que no se agregó, ningún supercalentamiento de la porción nuclear de la pl'ajntja, la única energía del carbón no convertida en electricidad! puede ser pérdidas, reduciendo las emisiones de carbono ; por un tercio. Cuando el flujo de vapor incrementado debido al precalentamiento del agua de alimentación también sé ; toma en cuenta, puede ser posible lograr una reducción de carbono de alrededor de 75% con respecto a una planta de, carbón autónoma. También existe la posibilidad de agregar precalentamiento suficiente al agua de alimentación !en el economizador, para hacer del uso de calentadores de; ;agua de alimentación innecesarios. Esto puede reducir la caritíidad de flujo de vapor necesario para producir la misma caritíidad de electricidad y posiblemente podría incrementar la producción general de la planta. ¡ La única limitación física potencial paraj esta invención es cómo mantener una temperatura de horno; que sea suficiente para agregar el supercalentamiento al vapor sin dañar los tubos del supercalentador . Esto puede ser posible al controlar la cantidad del oxígeno introducido, en el combustible durante la combustión o mediante la selección de combustible . El diseño propuesto resulta en una eficiencia de planta más alta y un costo más bajo por kWhr para producir electricidad. Tomando todos estos factores en cuenta, los modelos presentados aquí demuestran que el beneficio de rendimiento de utilizar una combinación de energía dé biomasa o nuclear para producir vapor y energía de carbón para agregar supercalentamiento, tiene el potencial dé ser económicamente viable así como significativamente más eficiente . Aunque los ejemplos anteriores se han limitado a una combinación de plantas de energía nuclear o de b omasa con plantas de energía caldeadas por carbón, la invención también incluye una planta híbrida de energía eléctrica donde se combina un reactor de agua presurizada con un rector de lecho de guijarro. Como con la modalidad caldeada por carbón, el vapor del reactor de agua presurizada se utiliza como una fuente precalentada de vapor para el reactor de lecho de guijarro para realizar eficiencias incrementadas. ¡ La descripción anterior y los dibujos comprenden modalidades ilustrativas de la presente invención * Las modalidades anteriores y los métodos descritos aquí pueden variar basándose en la capacidad, experiencia y preferencia de aquellos con experiencia en la técnica. Sólo listándo las etapas del método en cierto orden no constituyen! : ninguna limitación en el orden de las etapas del método. La I ; descripción anterior y los dibujos sólo explican e ilustran la invención, y la invención no se limita a los mismos, excepto en cuanto a que se limiten las reivindicaciones. i Aquellos con experiencia en la técnica que tijenen la descripción ante ellos serán capaces de hacer modificaciones y variaciones de la misma sin apartarse del alcancé de la invención .

Claims

REIVINDICACIONES 1. Una planta híbrida de energía, caracterizada porque comprende : (a) una primera planta de energía que produce vapor secundario de una primera temperatura; (b) una segunda planta de energía que tiene una temperatura operativa mayor que aquella de la primera temperatura; y (c) supercalentar el primer vapor de temperatura a la temperatura mayor en la segunda planta de energía.
2. La planta híbrida de energía eléctrica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la primera planta de energía se selecciona de la lista que consiste de plantas de energía nuclear y plantas de energía caldeadas por biomasa. ! ; i
3. La planta híbrida de energía eléctrica de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la planta de energía de combustible fósil se selecciona de la lista que consiste de plantas de energía caldeadas por carbón, aceite, petróleo, gas natural, propano e hidrógeno.