MX2013011359A - Un ciclo organico de rankine para aplicaciones de accionamiento mecanico. - Google Patents
Un ciclo organico de rankine para aplicaciones de accionamiento mecanico.Info
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Abstract
Se describe un sistema termodinámico combinado, para la producción de potencia mecánica. El sistema comprende una turbina de gas (1) y una turbomaquinaria (2) accionada por la turbina de gas (1). El sistema comprende además un ciclo de Rankine orgánico termodinámico (5) con un turboexpansor (13). Un arreglo de transferencia de calor (9a, 9, 11) transfiere calor desde los gases de combustión de escape de la turbina de gas al ciclo de Rankine orgánico termodinámico, en donde el calor es convertido en potencia mecánica usada para impulsar una turbomáquina accionada.
Description
U N CIC LO ORGAN ICO DE RAN KIN E PARA APLICACION ES DE
ACCIONAMI ENTO M ECAN ICO
Campo de la invención
Las modalidades de la presente invención descrita en la presente generalmente se refieren a sistemas para producción de potencia mecánica a partir de recuperación de calor.
Descri pció de la técn ica relacionada
Los ciclos orgánicos de Rankine (ORC) han sido usados, como alternativa a ciclos de Rankine de agua-vapor comunes, para procesos de recuperación de calor de desecho y son usados para impulsar generadores eléctricos, transformando así el calor de desecho en energ ía eléctrica útil.
La Fig. 1 ilustra un ciclo de ORC de turbina de gas combinada para producción de energ ía eléctrica. Un ciclo orgánico de Rankine es usado para recuperar calor de desecho a partir de un escape de turbina de gas y convertirlo en energía eléctrica por medio de un sistema de circuito cerrado doble. El número de referencia 1 01 indica una turbina de gas, por ejemplo, usada como una fuerza motriz para un generador eléctrico, esquemáticamente mostrado a 102. Los gases de combustión de escape de la turbina de gas 101 son enfriados en un intercambiador de calor 103 y el calor es extraído a partir de ah í por medio de un primer circuito cerrado 104. En el primer circuito cerrado 104, un aceite diatérmico es usado como un fluido de transferencia de calor para
transferir el calor liberado por la turbina de gas 1 01 a un fluido que circula en un segundo circuito cerrado 1 05. El primer circuito cerrado 104 comprende una bomba 106 y tres intercambiadores de calor arreglado de manera serial 107, 108 y 108a, donde el calor es transferido a partir del aceite diatérmico al fluido que circula en el segundo circuito cerrado 1 05.
El segundo circuito cerrado 105 es un ciclo termodinámico basado en el principio de Rankine, en donde el fluido de trabajo es un fluido orgánico, en particular un hidrocarburo pesado, por ejemplo, ciclopentano, o un fluido refrigerante con características adecuadas.
El fluido de trabajo que circula en el segundo circuito cerrado 105 es calentado, vaporizado y supercalentado en los tres intercambiadores de calor arreglados de manera serial 1 08a, 1 08 y 1 07, respectivamente, y se expande en un turboexpansor 109. Las características termodinámicas del fluido permiten que tenga lugar una expansión seca, es decir, el fluido en el lado de descarga del turboexpansor 1 09 todavía está en un estado gaseoso. Un recuperador 1 10 es posicionado corriente abajo del turboexpansor 109. En el recuperador 1 10, el fluido expandido caliente intercambia calor con el líquido frío, de alta presión, obtenido al condensar el fluido expandido en un condensador 1 12 y entonces bombear el condensado en la presión superior requerida del ciclo termodinámico por medio de una bomba 1 1 3. El l íquido entregado por la bomba 1 1 3 es bombeado a través del recuperador 1 10 y entonces el precalentador, el vaporizador y los intercambiadores supercalentadores 1 08a, 1 08, 1 07 cerrando el circuito.
El turboexpansor 109 es conectado mecánicamente a un generador eléctrico 1 1 5, el cual convierte la potencia mecánica disponible en la flecha de salida del turboexpansor 109 en potencia eléctrica.
El aceite diatérmico y el fluido orgánico que circulan en los dos circuitos cerrados permiten que las fuentes de calor de baja temperatura sean explotados de manera eficiente para producir energ ía eléctrica sobre un amplio rango de salida de potencia.
Breve descripción de la invención
Las modalidades de la descripción proporcionan un sistema termodinámico combinado para la producción de potencia mecánica, que comprende: una turbina de gas; una turbomaquinaria impulsada por dicha turbina de gas; un ciclo orgánico de Rankine termodinámico, comprendiendo un turboexpansor; un arreglo de transferencia de calor para transferir calor a partir de gases de combustión de escape de dicha turbina de gas a dicho ciclo orgánico de Rankine termodinámico; una turbomáquina impulsada, impulsada por dicho turboexpansor. Ventajosamente, dicho turboexpansor es un turboexpansor de mútliples etapas integralmente engranado. En algunas modalidades, la turbomaquinaria impulsada por la turbina de gas y por el turboexpansor del ciclo de Rankine orgánico pueden comprender cada uno, uno o más compresores, por ejemplo, compresores centrífugos, o trenes compresores.
Ambos ciclos termodinámicos son usados para fines de
accionamiento mecánico. El sistema es usado ventajosamente en instalaciones, donde la potencia mecánica es necesaria para impulsar una o más turbomáquinas, y donde la producción de potencia eléctrica no es necesaria ni conveniente. El uso de un ciclo de Rankine orgánico hace al sistema particularmente adecuado para uso en ubicaciones donde el agua no está disponible o es insuficiente para correr un ciclo de Rankine de agua-vapor.
El sistema puede ser usado en plantas de aceite-y-gas e instalaciones. Por ejemplo, la turbina de gas y el turboexpansor puede usarse para impulsar compresores de una estación de compresión de tubería o de un sistema de licuefacción de gas natural.
De acuerdo con un aspecto adicional, la presente descripción también se refiere a un método para producir potencia mecánica e impulsar turbomaquinaria, comprendiendo los pasos de:
proporcionar una turbina de gas;
producir potencia mecánica con dicha turbina de gas e impulsar una turbomaquinaria con la misma;
transferir calor a partir de gases de combustión de escape de dicha turbina de gas a un ciclo de Rankine orgánico;
producir potencia mecánica con dicho ciclo de Rankine orgánico por medio de un turboexpansor de múltiples etapas integralmente engranado, de múltiples etapas, y accionar una turbomáquina con ella.
Características y modalidades son descritas aquí a continuación y son expuestas adicionalmente en las reivindicaciones anexas, las cuales forman una parte integral de la presente descripción. La breve
descripción anterior expone características de las diversas modalidades de la presente invención con el fin de que la descripción detallada que sigue pueda ser entendida mejor y con el fin de que las presentes contribuciones a la técnica puedan ser mejor apreciadas. Existen, por supuesto, otras características d lea invención que serán descritas posteriormente en la presente y las cuales serán expuestas en las reivindicaciones anexas. A este respecto, antes de explicar varias modalidades de la invención en detalles, se entiende que las diversas modalidades de la invención no son limitadas en su aplicación a los detalles de la construcción y a os arreglos de los componentes expuestos en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos. La invención es capaz de otras modalidades y de ser practicada y realizada en varias formas. Además, se entenderá que la fraseolog ía y terminología empleada en la presente son para el propósito de descripción y no deberían ser consideradas como limitantes.
Como tal, aquéllos expertos en la técnica apreciarán que el concepto, sobre el cual se basa esta descripción , puede utilizarse fácilmente como una base para diseñar otras estructuras, métodos y/o sistemas para realizar los diversos propósitos de la presente invención. Por lo tanto, es importante que las reivindicaciones sean consideradas como que incluyen tales construcciones equivalentes siempre que no se separen del espíritu y alcance de la presente invención.
Breve descripción de los dibujos
Una apreciación más completa de las modalidades descritas de la
invención y muchas de las presentes ventajas de las mismas serán obtenidas fácilmente conforme las mismas sean mejor entendidas por referencia a la siguiente descripción detallada cuando se considera en conexión con los dibujos acompañantes, en donde:
La Fig. 1 ilustra un sistema combinado de turbina de gas-ORC de acuerdo con la técnica relacionada;
La Fig. 2 ilustra un sistema combinado de turbina de gas-ORC para fines de accionamiento mecánico, de acuerdo con la presente descripción;
Las Figs. 3 y 4 ilustran esquemáticamente las principales características de un turboexpansor de dos etapas.
Descripción detallada de modalidades de la invención
La siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplares se refiere a los dibujos acompañantes. Los números de referencia iguales en los diferentes dibujos identifican elementos iguales o similares. Adicionalmente, los dibujos no son dibujados necesariamente a escala. Además, la siguiente descripción detallada no limita la invención. En su lugar, el alcance de la invención es definida por las reivindicaciones anexas.
La referencia a través de la especificación a "una modalidad" o "unas modalidades" significa que el rasgo, estructura o característica particular descrito en conexión con una modalidad es incluido en al menos una modalidad de la presente materia descrita. Así, la aparición de la frase "en una modalidad" o "en algunas modalidades" en varios
lugares a lo largo de la especificación no necesariamente se refiere a la misma modalidad o modalidades. Además, los rasgos, estructuras o características particulares pueden combinarse en cualquier manera adecuada en una o más modalidades.
Haciendo referencia a la Fig. 2, el número de referencia 1 designa una turbina de gas para impulsar una carga 2. En algunas modalidades ejemplares, la carga puede ser un compresor o un tren de compresor. Por ejemplo, la turbina de gas 1 puede ser usada para impulsar uno o más compresores en una instalación de licuefacción de gas natural o en una estación de compresión de tubería. En algunas modalidades, la turbina de gas 1 puede ser una turbina de trabajo pesado. En otras modalidades, la turbina de gas 1 puede ser una turbina de gas aeroderivada.
La turbina de gas 1 genera gases de combustión de alta temperatura. El calor de desecho contenido en los gases de combustión es al menos recuperado en parte, antes de descargar los gases de combustión en la atmósfera, usando un ciclo orgánico de Rankine como se describe a continuación.
Para el propósito de recuperación de calor, en la modalidad ejemplar de la Fig. 2, los gases de combustión fluyen a través de un intercambiador de recuperación de calor 3 antes de ser descargados en la atmósfera.
Un primer circuito cerrado 4 es usado para remover calor del intercambiador de calor 3 y transferirlo a un segundo circuito cerrado 5. En el primer circuito cerrado 4, un fluido de transferencia de calor, por
ejemplo aceite diatérmico, es usado para transferir calor removido de los gases de combustión en el segundo circuito cerrado 5. El número de referencia 6 designa una bomba de circulación de primer circuito cerrado 4.
El segundo circuito cerrado 5 es un ciclo termodinámico y más específicamente un ciclo orgánico de Rankine. Un fluido de proceso que circula en el segundo circuito cerrado 5 está sujeto a transformaciones termodinámicas incluyendo condensación, bombeo, calentamiento, vaporización, supercalentamiento, expansión, para transformar energía de calor en energía mecánica. Un fluido de trabajo adecuado, por ejemplo ciclopentano, u otro fluido orgánico adecuado utilizable en un ciclo orgánico de Rankine, está circulando en el segundo circuito cerrado 5.
En algunas modalidades ejemplares, el segundo circuito cerrado 5 comprende una bomba de circulación 7, un precalentador 9a, un vaporizador 9, un supercalentador 1 1 , un turboexpansor 1 3, un recuperador 1 5 a un condensador 17. Los componentes adicionales pueden estar presentes en el circuito, como es conocido por aquéllos expertos en la técnica, tal como un recipiente de expansión.
El fluido de trabajo en el estado líquido que circula en el segundo circuito cerrado 5 es bombeado a un primer nivel de alta presión mediante la bomba de circulación 7. El fluido presurizado es calentado en el precalentador 9a, en el vaporizador 9 y en el supercalentador 1 1 por medio de calor recuperado por el fluido que circula en el primer circuito cerrado 4. Un número y arreglo diferente de intercambiadores
de calor puede ser provisto, por ejemplo, son dos intercambiadores de calor, un calentador y un supercalentador, respectivamente.
A la salida del supercalentador 1 1 , el fluido de trabajo que circula en el segundo circuito cerrado 5 está en un estado de alta presión, gaseoso, supercalentado. El fluido de trabajo supercalentado, de alta presión, es expandido entonces en el turboexpansor 1 3. El fluido agotado que sale del turboexpansor 1 3 en un segundo nivel de presión baja, fluye a través del recuperador de calor 1 5 y finalmente es condensado en un condensador 1 7. La condensación es obtenida, por ejemplo, por medio de intercambio de calor entre el fluido de trabajo condensador y aire o agua externos.
En el recuperador 15, el calor de baja temperatura contenido en el fluido expandido que sale del truboexpansor 1 3 es intercambiado contra el fluido presurizado frío en el estado l íquido entregado por la bomba de circulación 7.
En la modalidad ejemplar ilustrada en la Fig . 2, el turboexpansor 13 es usado como un accionamiento mecánico para impulsar una carga. El turboexpansor 13 puede ser conectado mecánicamente por medio de una transmisión mecánica 19 a una turbomáquina impulsada 21 . Por ejemplo, la turbomáquina impulsada 21 puede ser un compresor, por ejemplo, un compresor centrífugo o un compresor axial. En otras modalidades, la turbomáquina 21 puede ser una bomba u otra turbomáquina impulsada.
En algunas modalidades ejemplares, no mostradas, el primer circuito cerrado 4 puede ser omitido. En este caso, el calor es
transferido directamente de la descarga de turbina de gas al ciclo orgánico de Rankine. El calentador 9 y el supercalentador 1 1 pueden ser integrados en el intercambiador de calor 3. Se obtiene una instalación más compacta, con pérdidas de calor reducidas y eficiencia global incrementada del sistema.
En algunas modalidades, el turboexpansor 1 3 puede ser un turboexpansor integralmente engranado, de múltiples etapas. En la Fig. 2, el turboexpansor 13 es representado como un turboexpansor integralmente engranado, de dos etapas.
Una fracción del calor contenida en los gases de combustión descargados de la turbina de gas 1 es transformada así en potencia mecánica útil que incrementa la eficiencia global del sistema y la potencia global producida por ello.
El sistema de recuperación de calor antes descrito ha sido descrito para mejorar la eficiencia de una instalación de turbina de gas, donde los gases de combustión calientes de la turbina de gas son enfriados antes de ser descargados en la atmósfera. El rango de temperatura de los gases de combustión es adecuado para transformar el calor en potencia mecánica usando un ciclo orgánico de Rankine. El ciclo termodinámico no requiere agua y por lo tanto puede usarse donde el agua no está disponible y un ciclo de vapor común no podría ser usado.
La turbomáquina impulsada 21 , por ejemplo, un compresor centrífugo, puede ser usado por ejemplo, para procesar un fluido refrigerante en un sistema de LNG o puede usarse para hacer avanzar
un gas en una tubería.
Las Fígs. 3 y 4 ¡lustran esquemáticamente las principales características de un turboexpansor de dos etapas 1 3, el cual puede ser usado en el ciclo ORC 5 en la Fig . 2. El turboexpansor 13 comprende una primera etapa de alta presión 13A y una segunda etapa de baja presión 1 3B. El fluido de trabajo entra a la primera etapa de alta presión 13A del turboexpansor 1 3, sale de la primera etapa de turboexpansor 13A a ser entregado a través de una tubería 24 a la entrada de la segunda etapa de baja presión 1 3B del turboexpansor 1 3.
Una transmisión mecánica 19 es provista entre el turboexpansor de dos etapas 13 y la turbomáquina impulsada 21 .
En la modalidad ejemplar de la Fig. 3, la transmisión mecánica 19 comprende una caja de cambios 20 con dos flechas de entrada accionadoras y una flecha de salida accionada. Dichas flechas de entrada accionadoras son las flechas del turboexpansor de múltiples etapas, integralmente engranado 1 3. La flecha de salida es conectada a la flecha de la turbomáquina impulsada 21 . El número de referencia 31 A designa la primera flecha de entrada sobre la cual un primer impulsor de la primera etapa de alta presión 1 3A del turboexpansor 13 es conectado. La primera flecha de entrada 31 A, por lo tanto, gira a la velocidad rotatoria del impulsor de la primera etapa de alta presión del turboexapnsor 13. El impulsor de la segunda etapa de baja presión 1 3B del turboexpansor 1 3 es conectado sobre una segunda segunda flecha de entrada 31 B, la cual rota a la velocidad rotatoria del impulsor de la segunda etapa de baja presión 1 3B del turboexpansor 1 3.
Como se muestra mejor en la Fig . 4, la cual ¡lustra una representación esquemática de la transmisión mecánica 1 9 en una vista frontal de acuerdo con la línea IV-IV de la Fig. 3, la caja de cambios 20 comprende un primer eng rane 33A montado sobre la primera flecha de entrada 31 A y u n segundo eng rane 33B montado sobre la segunda flecha de entrada 31 B. Los dos engranes 33A y 33B eng ranan con una rueda de corona central 34. Un tercer engrane 33C de la caja de cambios 20 es montado sobre una flecha de salida 1 9A, la cual es conectada, por ejem plo, a través de juntas 22 , a la flecha de la turbomáquina accionada 21 .
El primer, segundo y tercer engranes 33A, 33 B y 33C tienen ventajosamente un diámetro más pequeño q ue el d iámetro de la rueda de corona central 34.
En alg unas modalidades , el tercer eng rane 33C tiene un diámetro más pequeño que el diámetro de la rueda de corona central 34, con el fin de aumentar la velocidad rotatoria de flecha de sal ida 1 9A conectada a la turbomáq uina impulsada 21 .
Una mayor velocidad de la flecha de salida 1 9A permite im pulsar fácilmente un compresor centrífugo 21 que requiere g irar a una velocidad rotatoria mayor.
El. primer y segundo engranes 33A y 33B tienen diferentes diámetros con el fin de proporcionar velocidad rotatoria óptima para cada impulsor de dicha primera y segunda etapa del turboexpansor 1 3.
Ventajosamente , esta solución integralmente engranada es particularmente útil en sistemas LNG o estaciones de compresión de
tubería.
Adicionalmente, la modalidad de las Figs. 3 y 4 mejora la eficiencia de la fase de expansión, debido a que cada impulsor puede girar a su velocidad rotatoria óptima.
Más aún, la modalidad comprendiendo una pluralidad de impulsores permite explotar la caída de presión completa del fluido de trabajo supercalentado, de alta presión.
Aunque las modalidades descritas de la materia descrita en la presente han sido mostradas en los dibujos y descritas completamente antes con particularidad y detalle en relación a varias modalidades ejemplares, será evidente para aquéllos de habilidad ordinaria en la técnica que muchas modificaciones, cambios y omisiones son posibles sin apartarse materialmente de las novedosas enseñanzas, los principios y conceptos expuestos en la presente, y ventajas de la materia declarada en las reivindicaciones anexas. De ahí, el alcance apropiado de las innovaciones descritas debería ser determinado solo mediante la interpretación más amplia de las reivindicaciones anexas con el fin de abarcar tales modificaciones, cambios y omisiones. Además, el orden o secuencia de cualquier paso de proceso o método puede variarse o re-secuenciarse de acuerdo con modalidades alternativas.
Claims (13)
1 . Un sistema termodinámico combinado para la producción de potencia mecánica, que comprende: una turbina de gas; una turbomaquinaria impulsada por dicha turbina de gas; un ciclo de Rankine orgánico termodinámico, comprendiendo un turboexpansor de múltiples etapas, integralmente engranado; un arreglo de transferencia de calor para transferir calor a partir de gases de combustión de escape de dicha turbina de gas a dicho ciclo de Rankine orgánico termodinámico; una turbomáquina impulsada, impulsada por dicho turboexpansor.
2. El sistema de la reivindicación 1 , en donde dicha turbomáquina impulsada es un compresor, y de preferencia un compresor centrífugo.
3. El sistema de la reivindicación 1 o 2, en donde dicho arreglo de transferencia de calor comprende un circuito de transferencia de calor cerrado, un fluido de transferencia de calor que circula en dicho circuito de transferencia de calor que transfiere calor a partir de dichos gases de combustión de escape a dicho ciclo de Rankine orgánico termodinámico.
4. El sistema de la reivindicación 1 , 2 o 3, en donde dicha turbomaquinaria impulsada por dicha turbina de gas comprende un compresor o un tren de compresor.
5. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende una transmisión mecánica para acoplar mecánicamente el turboexpansor de múltiples etapas, integralmente engranado, con la turbomáquina impulsada por el turboexpansor.
6. El sistema de la reivindicación 5, en donde la transmisión mecánica comprende una caja de cambios con dos flechas de entrada accionadoras y una flecha de salida accionada.
7. El sistema de la reivindicación 6, en donde una primera flecha de entrada de dichas dos flechas de entrada accionadoras es conectada a un primer impulsor de una primera etapa del turboexpansor de múltiples etapas íntegramente engranado.
8. El sistema de la reivindicación 6 o 7, en donde una segunda flecha de entrada de dichas dos flechas de entrada accionadoras es conectada a dicho impulsor de una segunda etapa del turboexpansor de múltiples etapas integralmente engranado.
9. El sistema de la reivindicación 7 u 8, en donde la primera etapa es la etapa de alta presión del turboexpansor de múltiples etapas integralmente engranado.
10. El sistema de la reivindicación 8 o 9, en donde la segunda etapa es la etapa de baja presión del turboexpansor de múltiples etapas integralmente engranado.
1 1 . El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en donde dicha flecha de salida es conectada a la flecha de la turbomáquina impulsada.
12. Un método para producir potencia mecánica y turbomaquinaria accionadora, que comprende los pasos de: proporcionar una turbina de gas; producir potencia mecánica con dicha turbina de gas y accionar una turbomaquinaria con la misma; transferir calor a partir de gases de combustión de escape de dicha turbina de gas a un ciclo de Rankine orgánico; producir potencia mecánica con dicho ciclo de Rankine orgánico por medio de un turboexpansor de múltiples etapas integralmente engranado, de múltiples etapas, y accionar una turbomáquina con ella.
13. El método de la reivindicación 12, que comprende además los pasos de: proporcionar un arreglo de transferencia de calor comprendiendo un circuito de transferencia de calor cerrado; circular un fluido de transferencia de calor que circula en dicho circuito de transferencia de calor; transferir calor desde dichos gases de combustión de escape a dicho ciclo Rankine orgánico termodinámico por medio de dicho fluido de transferencia de calor. RES U M E N Se describe un sistema termodinámico combinado, para la producción de potencia mecánica. El sistema comprende una turbina de gas (1 ) y una turbomaquinaria (2) accionada por la turbina de gas ( 1 ). El sistema comprende además un ciclo de Rankine orgánico termodinámico (5) con un turboexpansor (1 3). Un arreglo de transferencia de calor (9a, 9, 1 1 ) transfiere calor desde los gases de combustión de escape de la turbina de gas al ciclo de Rankine orgánico termodinámico, en donde el calor es convertido en potencia mecánica usada para impulsar una turbomáquina accionada.
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