MX2013011248A - Sistemas de sellado para turboexpansores para usarse en ciclos rankine organicos. - Google Patents

Abstract

Se proporcionan métodos y sistemas para controlar la infiltración de aire ambiental dentro y la exfiltración de un gas de proceso fuera de un sistema Rankine orgánico. Un primer mecanismo de sellado, por ejemplo, un sello de gas seco doble se puede usar para evitar la exfiltración del gas del proceso cuando el sistema Rankine orgánico está en operación. Un segundo mecanismo de sellado, por ejemplo, un sello de anillo estático inflable se puede usar para evitar la infiltración de aire ambiental cuando el sistema Rankine orgánico está en el modo inactivo. Uno o más sensores de presión pueden ser provistos en el sistema Rankine orgánico para determinar si ha ocurrido la infiltración de aire ambiental y que el sistema necesita una purga.

Description

SISTEMAS DE SELLADO PARA TU RBOEXPANSORES PARA USARSE EN CICLOS RANKINE ORGÁN ICOS Ca m po de la I nve n c i ón Las modalidades de la presente invención aqu í descritas se relacionan en general con sistemas de generación de energ ía y más en particular, con turboexpansores .

A nteced e n tes d e la I nve n c i ó n Los ciclos Rankine utilizan un fluido de trabajo en un ciclo cerrado para recolectar calor desde una fuente de calentamiento o un depósito de calor al generar una corriente gaseosa caliente que se expande a través de una turbina para generar energía. La corriente expandida se condensa en un condensador al transferir el calor a un depósito frío y bombearlo a una presión de calentamiento otra vez para completar el ciclo. Los sistemas de generación de energía tales como las turbinas de gas o los motores recíprocos (sistema primario) producen gases de escape calientes que se utilizan en un proceso de producción de energía posterior (por un sistema secundario) o se pierden como calor de desperdicio en el ambiente. Por ejemplo, el escape de un gran motor puede ser recuperado en un sistema de recuperación de energía de desperdicio utilizado para la producción de energía adicional , lo cual mejora la eficiencia general del sistema. Un sistema de generación de energ ía de calor de desperdicio común es un ciclo Rankine, como se muestra en la Figura 1 .

El sistema 1 de generación de energ ía incluye un intercambiador de calor 2, también conocido como calentador, un turboexpansor 4, un condensador 6 y una bomba 8. Durante la operación, empezando con el intercambiador de calor 2, una fuente 10 de calor externa, por ejemplo, gases de combustión calientes, calientan el intercambiador de calor 2. Esto provoca que el medio 12 de líquido presurizado recibido se convierta en vapor 14 presurizado, el cual fluye a través del turboexpansor 4. El turboexpansor 4 recibe la corriente 4 de vapor presurizado y puede generar energía 16 conforme el vapor presurizado se expande. La corriente 18 de vapor de presión más baja, expandido liberado por el turboexpansor 4 entra en el condensador 6, el cual condensa la corriente 18 de vapor presurizado de presión más baja, expandido en una corriente 20 de líquido de menor presión. La corriente 20 de líquido de menor presión entonces entra en la bomba 8, la cual genera una corriente 22 de líquido de presión más alta y mantiene el sistema de bucle cerrado fluyendo. La corriente 12 de liquido presurizado más alto entonces se bombea al intercambiador de calor 2 para continuar este proceso.

Un fluido de trabajo que se puede utilizar en un ciclo Rankine es un fluido de trabajo orgánico, tal como el ciclopentano. Un fluido de trabajo orgánico en este contexto, algunas veces es referido como un fluido de ciclo Rankine (ORC), y los sistemas que usan los fluidos ORC algunas veces son referidos como sistemas ORC. Por razones de seguridad, no es conveniente tener al ciclopentano interactuando con el aire ambiental.

Dos tipos de problemas de fuga, por ejemplo, deben ser solucionados en turboexpansores usados en los sistemas ORC. Cuando los sistemas ORC están en operación, la presión dentro del bucle de la Figura 1, es relativamente alta comparada con el ambiente, de modo que es conveniente contener el fluido ORC, por ejemplo, el ciclopentano que se escape (exfiltre) por el sistema. Cuando los sistemas ORC no están en operación, es decir, en un modo inactivo, entonces la presión dentro del bucle de la Figura 1, es relativamente baja, comparada con el ambiente, de modo que es conveniente evitar que el aire se infiltre en el sistema ORC.

De conformidad con esto, serían convenientes los sistemas y métodos que operen más eficientemente un sistema de generación de energía.

Breve Descripción de la Invención Se describen métodos y sistemas para controlar la infiltración de aire ambiental dentro y la exfiltración de un gas de proceso fuera de por ejemplo, un sistema Rankine orgánico. Un primer mecanismo de sellado, por ejemplo, un sello de gas doble seco, se puede usar para evitar la exfiltración del gas de proceso cuando el sistema Rankine orgánico está en operación. Un segundo mecanismo de sellado, por ejemplo, un sello de anillo estático inflable, se puede usar para evitar la infiltración de aire ambiental cuando el sistema Rankine orgánico está inactivo. Uno o más sensores de presión pueden ser provistos en el sistema Rankine orgánico para determinar, por ejemplo, si ha ocurrido la infiltración de aire ambiental y se necesita una purga del sistema.

De conformidad con una modalidad, un método para controlar la infiltración y exfiltración de gases a través de la flecha de una turbomáquina comprende sellar la flecha contra la exfiltración de un gas de proceso cuando el sistema está en operación, sellar la flecha contra la infiltración del aire ambiental cuando la turbomáquina está en un modo inactivo, y detectar la presión del gas dentro de la turbomáquina para monitorear si ha ocurrido la infiltración .

De conformidad con otra modalidad ejemplificativa, un sistema para la generación de energía comprende una turbomáquina que tiene por lo menos una flecha conectada con una caja de engranes, un primer mecanismo de sellado configurado para sellar la por lo menos una flecha contra la exfiltración de un gas de proceso cuando el sistema está en operación , un segundo mecanismo de sellado configurado para sellar por lo menos una flecha contra la infiltración del aire ambiental cuando el sistema está en un modo inactivo, y por lo menos un sensor configurado para detectar la presión del gas dentro del sistema para monitorear si ha ocurrido la infiltración.

De conformidad con otra modalidad, un sistema de generación de energía comprende medios para sellar una flecha de una turbomáquina contra la exfiltración de un gas de proceso cuando el sistema está en operación, medios para sellar la flecha contra la infiltración de aire ambiental cuando el sistema está en un modo inactivo y medios para detectar la presión de gas dentro del sistema para monitorear si ha ocurrido una infiltración .

Breve Descri pción de los Di bu jos Los dibujos acompañantes ilustran las modalidades ejemplificativas, en donde: La Figura 1 ilustra un Ciclo Rankine.

La Figura 2 ilustra un ciclo Rankine orgánico de conformidad con una modalidad ejemplificativa.

La Figura 3 muestra un primer mecanismo de sellado y un segundo mecanismo de sellado usados para evitar la exfiltración de un gas de proceso durante la operación y la infiltración de aire ambiental durante el modo inactivo, respectivamente, de conformidad con modalidades ejemplificativas.

La Figura 4 ilustra un sello de gas seco doble; y La Figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un método para controlar la exfiltración de un gas de proceso y la infiltración del aire ambiental de conformidad con una modalidad ejemplificativa.

Descripción Detallada de la Invención La siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplificativas se refiere a los dibujos acompañantes. Los mismos números de referencia en los diferentes dibujos identifican los mismos elementos o elementos similares. Además, los dibujos no están dibujados necesariamente a escala. También, la siguiente descripción detallada no limita la invención. En su lugar, el alcance de la invención se define por las reivindicaciones anexas.

La referencia a través de la especificación a "una modalidad" o "la modalidad" significa que una característica o estructura particular descrita en conexión con una modalidad está incluida en por lo menos una modalidad de la presente invención. De este modo, la aparición de las frases "en una modalidad" o "en la modalidad" en varias partes en la especificación no necesariamente se refiere a la misma modalidad. Además, las características o estructuras similares se pueden combinar en cualquier forma apropiada en una o más modalidades.

Como se describe en los antecedentes, y como se muestra en la Figura 1, un Ciclo Rankine se puede utilizar en un sistema de generación de energía para capturar una porción de la energía de calor de desperdicio. Para solucionar estos dos requerimientos de sellado esencialmente opuestos antes descritos, es decir, requerimientos de sellado operativo y requerimientos de sellado inactivo, las modalidades ejemplificativas proporcionan una configuración de sellado compuesto que sella el turboexpansor 4 contra ambas infiltraciones de aire ambiental y exfiltracíones de un gas de proceso. Más específicamente, para solucionar la exfiltración potencial de un fluido ORC mientras el sistema está en operación, las modalidades ejemplificativas emplean un primer mecanismo de sellado, por ejemplo, un sello de gas seco doble. Para solucionar la infiltración potencial del aire ambiental mientras el sistema está en un modo inactivo, también se puede proporcionar un segundo mecanismo de sellado, por ejemplo, un anillo de sello estático inflable. Se debe notar que aunque el primer y el segundo mecanismos de sellado aquí descritos están adaptados para mitigar la exfiltración y la infiltración, respectivamente, también proporcionan cierta protección de sellado adicional contra la infiltración y exfiltración, respectivamente. Además, se usan sensores de control y circuitería de retroalimentación para controlar el sistema para adaptarlo para responder a niveles de presión detectados dentro del sistema, en caso de que los mecanismos de sellado no funcionen correctamente, por ejemplo, para proporcionar alertas y controles asociados con las infiltraciones de aire ambiental.

Se debe notar que aunque algunas modalidades aquí descritas se refieren al uso de configuraciones de sellado en un turboexpansor, la presente invención no está limitada a esto. Más específicamente, las configuraciones de sellado de conformidad con estas modalidades se pueden emplear en otras turbomáquinas, por ejemplo, compresores y sus similares.

Un sistema 200 ejemplificativo para la generación de energía (en donde algunos componentes del sistema Rankine convencional han sido removidos para simplificar), un tal turboexpansor ejemplificativo con configuraciones de sellado de conformidad con las modalidades será descrito con respecto a la Figura 2. Inicialmente, el sistema se presuriza y el fluido de trabajo se hace circular (en la dirección mostrada por las flechas) en el sistema de ciclo Rankine de bucle cerrado por la bomba 202. El fluido de trabajo, por ejemplo, un fluido ORC se bombea hacia el evaporador 204, en donde el fluido de trabajo se evapora. Este vapor presurizado entonces se conduce al turboexpansor 206, que en este ejemplo, tiene una primera etapa 208 de expansión y una segunda etapa 210 de expansión, sin embargo, la presente invención se puede aplicar igual en turboexpansores o en otras turbomáquinas que tienen diferentes configuraciones, por ejemplo, tienen una sola etapa o más de dos etapas.

La primera etapa 208 de expansión incluye una aleta 212 guía de entrada que regula la cantidad/velocidad del vapor presurizado que entra en la primera etapa 208 de expansión. El vapor presurizado expande cierta energía durante la expansión y viaja hacia la segunda etapa 210 de expansión, entra en la segunda etapa 210 de expansión a través de otra aleta 214 guía de entrada que también regula la cantidad/velocidad de vapor que entra en la segunda etapa 210 de expansión. Conforme el vapor se expande en las etapas 208 y 210 de expansión, el trabajo se lleva a cabo, el cual gira sus respectivas flechas 216, 218 (por ejemplo, a través de una respectiva rueda (no mostrada) que está conectada con una caja de engranes 220. Una sola flecha 222 conecta la caja de engranes 220 con un generador 224. La energía 226 entonces se emite desde el generador 224.

Con referencia otra vez a la porción del ciclo Rankine de la Figura 2, el vapor expandido abandona la segunda etapa 210 de expansión y sale del turboexpansor 206 hacia la ruta de un recuperador 228 que permite el intercambio de calor del fluido de trabajo. El fluido de trabajo entonces se conduce a través de otros pasos del ciclo Rankine (no mostrado) hacia la ruta de la bomba 202 para repetir el ciclo. Los sensores 230 representan los sensores de monitoreo de presión y el controlador 234 controla los ajustes del sistema de generación de energía y proporciona alertas, ambos descritos con más detalle después. Aunque se ilustran dos sensores 230 de presión, se pueden proporcionar más o menos de ellos. De conformidad con una modalidad ilustrativa, los sensores o transductores 230 de presión pueden alternativamente, colocarse en esencialmente todas las ubicaciones indicadas por el número 216 y 218 de referencia (también asociados con las flechas).

Un cartucho 300 de sellado ejemplificativo para sellar, por ejemplo, las flechas 216 y/o 218 en el turboexpansor 206, de conformidad con una modalidad se ilustra en la Figura 3. Ahí, el cartucho de sellado incluye un primer sello 302 de laberinto de proceso, el cual está dispuesto corriente arriba de una ventilación 304 hasta una etapa LP del sistema y un segundo sello 306 de laberinto de proceso corriente arriba de un puerto 308 de entrada, que proporciona un gas de amortiguación a un lado externo de un sello 310 de gas seco, doble. El sello 310 de gas seco, doble, también llamado aquí como ejemplo, primer mecanismo de sellado y que se describe con más detalle con respecto a la Figura 4, está dispuesto adyacente al sello 306 de laberinto del proceso en la Figura 3 y es provisto con un gas de sello, por ejemplo, un gas de proceso ORC, a través del puerto 312. El cartucho 300 de sellado también incluye un anillo 314 de sello estático, inflable que opera de conformidad con las modalidades, para sellar el sistema cuando el sistema está en el modo inactivo y que es un ejemplo de un segundo mecanismo de sellado, de conformidad con esta modalidad. Además, el sello 310 de gas seco, doble puede operar como un respaldo para el anillo 314 de sello estático inflable con respecto a la infiltración de aire ambiental dentro del sistema al arranque.

El anillo 314 de sello estático, inflable de conformidad con esta modalidad ejemplificativa, está dispuesto entre el sello 310 de gas seco doble y la ventilación 316 presurizada, la cual ventila hacia la atmósfera. De conformidad con una modalidad ejemplificativa, un sensor 230 de presión puede estar depositado dentro de la ventilación 230 presurizada para tomar mediciones de la presión del gas dentro de esta porción del sistema de sellado, las cuales se pueden usar como se describe después. Un sello 31 8 de amortiguación también puede estar incluido en el cartucho 300 de sellado.

Como se muestra en la Figura 4, un sistema 400 tipo tándem ejemplificativo (también llamado doble) de sello de gas seco, que se puede usar como el primer mecanismo 310 de sellado incluye un primer sello 402 y un segundo sello 404, ambos contenidos en un solo empaque. Durante la operación normal del sistema 200, el primer sello 402 opera para contener la presión total del gas procesado, mientras el segundo sello 404 actúa como un respaldo que está diseñado para operar solamente cuando el primer sello 402 falla o fuga en exceso. En general , un flujo de gas acondicionado que viene desde una primera fuente 406 de gas se inyecta corriente arriba del sello 402 para aislar el sello 400 de gas seco del gas del proceso, por ejemplo, ciclopentano. El segundo sello 404 en el tándem 400 puede recibir un gas de baja presión desde la fuente 408. Cada sello 402, 404 típicamente incluye un disco 41 0, 41 2 estacionario y un disco 414, 416 móvil, respectivamente.

De conformidad con las modalidades, un sistema 234 de control también se usa junto con el arreglo 200 de sellado. Durante las suspensiones prolongadas de la planta o el sistema 200 del ciclo Rankine, existe el riesgo de que el aire se infiltre en el sistema debido al diferencial de presión entre el aire ambiental y la presión del vapor del fluido ORC; por ejemplo, ciclopentano. Para aplicar esta posibilidad, el sistema de control de conformidad con una modalidad incluye por lo menos un transductor o sensor 230 de presión que mide la presión del gas ya sea (a) dentro del bucle del sistema Rankine orgánico, por ejemplo, de la Figura 1 , dentro del turboexpansor, o ambos. Cuando la presión del gas detectada está sobre la presión esperada del vapor del fluido ORC, por ejemplo, ciclopentano, entonces el sistema de control concluye o indica que el aire se ha infiltrado en el sistema e indica que el sistema debe ser purgado, por ejemplo, con una interfaz del usuario leída por el operador. Durante la operación del sistema, las mediciones de presión , por ejemplo, se pueden usar para verificar que se mantenga la integridad del sello de gas seco, es decir, se debe cambiar la presión a través del incremento del sello sobre cierto umbral, esto probablemente significa que la integridad del sello ha fallado/está fallando.

De este modo , como se ilustra en la Figura 5, un método compuesto para controlar la infiltración y la exfiltración de gases a través de la flecha de una turbomáquina que opera en un sistema, por ejemplo, un sistema de ciclo Rankine orgánico puede incluir ciertos pasos. Ah í, en el paso 500, la flecha, por ejemplo, un turboexpansor se sella contra la exfiltración del gas de proceso cuando el sistema está operando, por ejemplo, a través del sello de gas seco doble. En el paso 502, la flecha también queda sellada contra la infiltración de aire ambiental cuando el sistema está en el modo inactivo. Además, como se muestra en el paso 504, la presión del gas dentro del sistema se detecta para monitorear si ha ocurrido la infiltración.

Se debe notar que aunque las modalidades ejemplificativas anteriores se han enfocado en sistemas de ciclo Rankine orgánico, los sistemas y métodos de sellado de conformidad con estas modalidades, no se limita a sistemas de ciclo Rankine orgánico. Por ejemplo, sin limitar, tales sistemas y métodos de sellado también se pueden aplicar o proporcionar en sistemas de gas natural licuado (LNG) .

Las modalidades ejemplificativas antes descritas tienen la intención de ser ilustrativas, mejor que restrictivas, de la presente invención. De este modo, la presente invención tiene la capacidad de variar en las implementaciones descritas que se pueden derivar de la descripción contenida por las personas experimentadas en la técnica. Tales variaciones y modificaciones se encuentran dentro del alcance y espíritu de la presente invención , como se define por las siguientes reivindicaciones. Ningún elemento, acción o instrucción utilizada en la descripción de la presente solicitud debe ser considerada como crítica o esencial para la invención a menos que se describa explícitamente como tal. También, como se utiliza aquí, el artículo "un" , "una", "el", "la" tienen la intención de incluir uno o más artículos.

Esta descripción escrita utiliza ejemplos para describir la invención, incluyendo el mejor modo, para así permitir a las personas experimentadas en la técnica practicar la invención , incluyendo hacer y usar cualquier dispositivo o sistema y llevar a cabo los métodos incorporados. El alcance patentable de la invención se define por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos que contemplen las personas experimentadas en la técnica. Tales otros ejemplos tienen la intención de estar dentro del alcance de las reivindicaciones cuando tengan elementos estructurales que no difieran del lenguaje literal de las reivindicaciones o cuando incluyan elementos estructurales equivalentes con diferencias insustanciales del lenguaje literal de las reivindicaciones.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un método para controlar la infiltración y exfiltración de gases a través de una flecha de una turbomáquina, el método está caracterizado porque comprende: sellar la flecha contra la exfiltración de un gas de proceso cuando la turbomáquina está en operación; sellar la flecha contra la infiltración de aire ambiental cuando la turbomáquina está en el modo inactivo; y detectar la presión del gas dentro de la turbomáquina para monitorear si ha ocurrido la infiltración.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la turbomáquina es parte de un sistema de ciclo Rankine orgánico.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque el paso de detectar la presión del gas también se lleva a cabo fuera de la turbomáquina dentro de un bucle del sistema de ciclo Rankine orgánico.

4. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas del proceso es ciclopentano.

5. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la turbomáquina es un turboexpansor.

6. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el paso de sellar la flecha contra la exfiltración del gas del proceso se lleva a cabo con el uso de un sello de gas seco doble.

7. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además comprende: indicar que se debe llevar a cabo una operación de purga del sistema de ciclo Rankine orgánico cuando la presión detectada del gas dentro del sistema de ciclo Rankine orgánico está sobre un umbral predeterminado.

8. Un sistema para la generación de energía caracterizado porque comprende: una turbomáquina que tiene por lo menos una flecha conectada con la caja de engranes; un primer mecanismo de sellado configurado para sellar por lo menos una flecha contra la exfiltración de un gas del proceso cuando el sistema está en operación; un segundo mecanismo de sellado configurado para sellar por lo menos una flecha contra la infiltración de aire ambiental cuando el sistema está en el modo inactivo; y por lo menos un sensor configurado para detectar la presión del gas dentro del sistema para monitorear si ha ocurrido la infiltración.

9. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque por lo menos un sensor está dispuesto dentro de la turbomáquina.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 8 o la reivindicación 9, caracterizado porque por lo menos un sensor está dispuesto fuera de la turbomáquina dentro de un bucle de un sistema de ciclo Rankine orgánico.

1 1 . El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a la 10 , caracterizado porque el gas del proceso es ciclopentano.

12. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a la 1 1 , caracterizado porque la turbomáq uina es un turboexpansor.

13. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a la 1 2, caracterizado porque el primer mecanismo de sellado es u n sello de gas seco doble.

14. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a la 1 3, caracterizado porque además comprende: un controlador configurado para recibir las mediciones desde por lo menos un sénsor y configurado para indicar que se debe llevar a cabo una operación de purga del sistema de ciclo Rankine orgánico cuando la presión detectada del gas dentro del sistema de ciclo Rankine orgánico está sobre un umbral predeterminado.

1 5. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a la 14, caracterizado porque además comprende: un condensador conectado en comunicación de fluidos con un lado externo del turboexpansor y configurado para recibir y condensar una corriente de vapor expandida en una corriente de l íquido; una bomba conectada en comunicación de fluidos con un lado externo del condensador, configurada para recibir la corriente de líquido, para presurizar la corriente de líquido y para hacer circular la corriente de líquido hasta el intercambiador de calor; y un intercambiador de calor conectado en comunicación de fluidos con el lado externo de la bomba y configurado para recibir una corriente de líquido presurizado y evaporar la corriente de l íquido evaporado en una corriente de vapor presurizado.

16. Un sistema de generación de energ ía, caracterizado porque comprende: medios para sellar una flecha de la turbomáquina contra la exfiltración de un gas del proceso cuando el sistema está en operación; medios para sell ar l a flecha contra la infiltración de ai re ambiental cuando el sistema está en un modo inactivo; y medios para detectar la presión del gas dentro del sistema para monitorear si ha ocurrido la infiltración.

1 7. El sistema de generación de energ ía de conformidad con la reivindicación 1 6 , caracterizado porque el medio para detectar la presión del gas se lleva a cabo dentro de la turbomáquina.

1 8. El sistema de generación de energía de conformidad con la reivindicación 1 6 o la reivindicación 1 7 , caracterizado porque el medio para detectar la presión del gas se lleva a cabo fuera de la turbomáquina dentro del bucle de un sistema de ciclo Rankine orgánico.

1 9. El sistema de generación de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 6 a la 1 8 , caracterizado porque el gas del proceso es ciclopentano.

20. El sistema de generación de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 16 a la 19, caracterizado porque la turbomáquina es un turboexpansor.