MXPA98006482A - Aparato y metodo para producir energia utilizando un fluido geotermico - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a la producción de potencia o energía a partir de un fluido geotérmico que es una mezcla de vapor de alta presión y salmuera, utilizando un separador para separar el fluido geotérmico en una corriente de vapor y una corriente de salmuera. Una turbina de vapor acoplada o conectada a un generador expande el vapor e impulsa al generador produciendo potencia y vapor libre de calor. Un condensador de vapor suministrado con un fluido orgánico condensa el vapor libre de calor y produce una corriente de fluido orgánico vaporizado y una corriente de condensado de vapor. El fluido orgánico vaporizado es suministrado al sobrecalentador el cual funciona en respuesta a la corriente de salmuera para sobrecalentar el fluido orgánico vaporizado y producir una corriente de vapor orgánico sobrecalentado y una corriente de salmuera enfriada. Una turbina de vapor orgánica acoplada o conectada a un generador, expande el vapor orgánico sobrecalentado e impulsa el generador que produce la potencia y un fluido orgánico libre de calor. Un condensador de vapor orgánico condensa el fluido orgánico libre de calor y produce un condensado orgánico el cual es suministrado a un precalentador que funciona en respuesta al condensado del vapor. El precalentador precalienta el condensado orgánico y produce una corriente del fluido orgánico precalentado que es suministrado al condensador de vapor asícomo una corriente del condensado de vapor enfriado. Un recuperador es provisto para transferir el calor desde el fluido orgánico libre de calor producido por la turbina de vapor orgánica hasta el condensado orgánico producido por el condensador del vapor orgánico. El condensado orgánico caliente producido por el recuperador es suministrado al precalentador mientras que el vapor orgánico libre de calor, enfriado, producido por el recuperador, es suministrado al condensador del vapor orgánico. La corriente de salmuera enfriada es combinada con la corriente del condensado de vapor enfriado para formar una corriente combinada de salmuera enfriada diluida que es menos susceptible a la precipitación de los minerales.

Description

APARATO Y MÉTODO PARA PRODUCIR ENERGÍA UTILIZANDO UN FLUIDO GEOTÉRMICO 1. Campo Técnico Esta invención se refiere a un aparato y método para producir energia utilizando un fluido geotérmico, y más particularmente a un aparato y método para producir energia utilizando un fluido geotérmico en donde una cantidad substancial de calor está disponible en el vapor geotérmico separado de la salmuera presente en el fluido geotérmico.

Antecedentes de la Invención En muchas fuentes geotérmicas en uso habitual, el vapor en el fluido geotérmico que sale de los pozos de producción es separado de la salmuera, y expandido en una turbina de vapor para producir energia y electricidad. Frecuentemente, la salmuera es simplemente desechada a causa de que la misma contiene una cantidad relativamente pequeña de calor. Sin embargo, las cantidades relativas de vapor y salmuera producidas en una localización dada Ref.28129 dependerá de la temperatura a la cual la separación se lleva a cabo. Recientemente, el calor presente en la salmuera ha sido utilizado para producir energia empleando un ciclo binario en el cual, por ejemplo, el vapor en el fluido geotérmico es utilizado en una turbina de vapor, y el vapor de escape y la salmuera en el fluido geotérmico son utilizados para suministrar calor para vaporizar un fluido orgánico que es expandido en una turbina de vapor para generar energia. También, frecuentemente el calor en la salmuera ha sido utilizado solamente para precalentar el fluido de trabajo que opera el ciclo de potencia binario. Los sistemas de ciclo binario son revisados por V.K. Jonnson et al., en una publicación Timari t VFI de 1969, titulada "Optimisation of Geothermal Power Plant by use of Freon Vapour Cycle" el cual describe varios arreglos para la utilización del fluido geotérmico compuesto de una mezcla de salmuera y vapor. El esquema 4 propuesto en este articulo describe la separación del vapor de la salmuera, y luego se hace pasar el vapor directamente a una turbina de vapor. El vapor salido de esta turbina se condensa en un vacio ligero en un condensador de vapor enfriado con Neón. La salmuera pasa directamente a un primer intercambiador de calor el cual calienta el Freon del condensador de vapor antes de que el Freon caliente se haga pasar a una turbina de Freon. El Freon salido de esta turbina es condensado utilizando agua de enfriamiento a temperatura ambiente. La salmuera agotada del primer intercambiador de calor es combinada con el condensado del vapor del condensador de vapor para suministrar una mezcla que pasa a través del segundo intercambiador de calor para precalentar el Freon condensado antes de que el mismo se recicle suministrándolo al condensador de vapor. La mezcla enfriada del segundo intercambiador de calor es desechada entonces. Aunque el condensador de vapor en el esquema 4 opera a un vacio ligero, y el arreglo de los intercambiadores de calor hace posible un uso relativamente eficiente del calor disponible, la eficiencia total real de este esquema no es lo suficientemente elevada a causa de que la salmuera no es utilizada eficientemente. Es un objeto de la presente invención, por lo tanto, proporcionar un nuevo método y aparato mejorado para utilizar el mismo, en el cual la eficiencia completa será relativamente elevada debido al uso eficiente del vapor de temperatura relativamente elevada y la salmuera presente en el fluido geotérmico.

Breve Descripción de la Invención El aparato de conformidad con la presente invención para producir energia o potencia utilizando un fluido geotérmico que es una mezcla de vapor de alta presión y salmuera, incluye un separador para separar el fluido geotérmico en una corriente de vapor y una corriente de salmuera. Una turbina de vapor acoplada a un generador expande el vapor e impulsa el generador produciendo potencia o energia y vapor agotado o libre de calor. Un condensador da vapor suministrado con un fluido orgánico condensa el vapor libre de calor y produce una corriente de fluido orgánico vaporizado y una corriente de condensado de vapor. El fluido orgánico vaporizado es suministrado a un sobrecalentador el cual funciona en respuesta a la corriente de salmuera para sobrecalentar el fluido orgánico vaporizado y produce una corriente de vapor orgánico sobrecalentado y una corriente de salmuera enfriada. Una turbina de vapor orgánico acoplada o conectada a un generador expande el vapor orgánico sobrecalentado e impulsa el generador produciendo energia y el fluido orgánico agotado o libre de calor. Un condensador de vapor orgánico condensa el fluido orgánico agotado o libre de calor y produce un condensado orgánico el cual es suministrado a un precalentador en respuesta al condensado de vapor el cual precalienta el condensado orgánico y produce una corriente del fluido orgánico precalentado que es suministrado al condensador de vapor y una corriente del condensado de vapor enfriado. La invención proporcione un recuperador que funciona en respuesta al fluido orgánico libre de calor producido por la turbina de vapor orgánica, para calentar el condensado orgánico producido por el condensador del vapor orgánico. El recuperador produce un fluido orgánico libre de calor, adicional, el cual es suministrado al condensador y el condensado de fluido orgánico caliente el cual es suministrado el precalentador. A causa de que el vapor orgánico libre de vapor salido de la turbina de vapor orgánico (aunque a una temperatura y presión inferiores que el vapor suministrado a la turbina) será altamente sobrecalentado, el recuperador sirve para recuperar algo de este sobrecalentamiento en lugar de rechazar este calor al agente de enfriamiento para el condensador de vapor orgánico. La corriente de la salmuera enfriada es combinada con la corriente del condensado de vapor enfriado, para formar una corriente combinada de salmuera enfriada diluida que es menos susceptible a la precipitación de los minerales. Además, sobrecalentando el vapor del fluido de trabajo orgánico de acuerdo con la presente invención, algo del calor transferido puede ser utilizado para producir más potencia o energía de la expansión del vapor en la turbina de vapor orgánica. Además, el uso de un recuperador permite que una cantidad substancial del resto del calor transferido realmente a una temperatura relativament elevada de la salmuera al vapor orgánico en el sobrecalentador, sea utilizada para calentar el condensado del fluido orgánico que sale del condensador de fluido orgánico a una temperatura relativamente baja. En una modalidad adicional de la presente invención, se puede utilizar una turbina con ciclo de Rankine orgánico, con un módulo de presión alta y un módulo de presión baja, de dos etapas. En esta modalidad, el sobrecalentamiento puede ser llevado a cabo ventajosamente tanto antes de la turbina del módulo de presión elevada como antes de la turbina de presión baja. Adicionalmente, la corriente combinada de salmuera enfriada y el condensado de vapor enfriado puede ser suministrada a un pozo de reinyección e inyectada en el suelo. El condensado de vapor enfriado producido por el precalentador seré más caliente en virtud de la presencia del recuperador, que el condensado producido sin el recuperador, con el resultado de que la corriente combinada de la salmuera enfriada diluida también estará más caliente sirviendo asi para suprimir la precipitación de minerales en la tubería que lleva la salmuera enfriada diluida.

Breve Descripción de los Dibujos Las modalidades de la invención se describen a manera de ejemplo y con referencia a los dibujos que se anexan, en donde: la Figura 1 es un diagrama de bloques del aparato de conformidad con una modalidad de la presente invención; y la Figura 2 es un diagrama de bloques del aparato de conformidad con una modalidad adicional de la presente invención.

Descripción Detallada Refiriéndose ahora a los dibujos, la referencia numérica 10 en la Figura 1 designa el aparato de conformidad con una modalidad de la presente invención para producir energia utilizando el fluido geotérmico en el conducto 12 producido por el pozo de producción 14. El fluido geotérmico en el conducto 12 comprende una mezcla de vapor de alta presión y salmuera, en donde una cantidad substancial del calor está disponible en el vapor. El aparato 10 incluye el separador 16 para separar el fluido geotérmico en el conducto 12, en la corriente de salmuera 18 y la' corriente de vapor de alta presión 20. La turbina de vapor 22 acoplada o conectada al generador 24 recibe la corriente 20 y expande el vapor de alta presión por lo cual impulsa al generador y produce potencia o energía, y produciendo un vapor libre de calor en la salida 26 de la turbina. El condensador de vapor 28, que opera preferiblemente a una presión arriba de la presión atmosférica sobre el lado del vapor, es suministrado con el fluido orgánico en el conducto 30, y funciona en respuesta al vapor libre de calor para vaporizar el fluido orgánico y produciendo el vapor 32 del fluido orgánico vaporizado y la corriente 34 del condensado de vapor. El sobrecalentador 36 funciona en respuesta a la corriente de salmuera 18 para sobrecalentar la corriente 32 del fluido orgánico vaporizado y producir la corriente 38 del vapor orgánico sobrecalentado y la corriente 40 de salmuera enfriada. La corriente 38 es aplicada a la turbina de vapor orgánico 42 acoplada o conectada a un generador, preferiblemente el generador 24 (aunque la turbina 42 podría ser acoplada o conectada a un generador separado) , para expandir el vapor orgánico sobrecalentado por lo cual impulsa al generador y produce potencia o energía, y produciendo el fluido orgánico libre de calor en la salida 44 de la turbina 42. El fluido en la salida 44 es aplicado a un condensador de vapor orgánico '46 para condensar el fluido orgánico libre de calor y producir un condensado orgánico en el conducto 48. La bomba 49 del ciclo suministra el condensado orgánico en el conducto 48 al precalentador 50 el cual funciona en respuesta a la corriente 34 del condensado de vapor para precalentar el condensado orgánico y produciendo la corriente 30 del fluido orgánico precalentado que es suministrada al condensador de vapor 28, y la corriente 52 del condensado de vapor enfriado. Los medios 54 sirven para combinar la corriente 52 de la salmuera enfriada con la corriente 40 del condensado de vapor enfriado, para formar la corriente combinada 56. Preferentemente, la corriente combinada 56 es inyectada en el suelo por medio del pozo de reinyección 58. A causa de la naturaleza con forma de campana inclinada del diagrama de T-S para la mayoría de los fluidos orgánicos, y particularmente para el pentano, el cual es el fluido orgánico preferido, la expansión del fluido orgánico en la turbina 42 ocurrirá en la región de sobrecalentamiento con el resultado de que la salida 44 de la turbina 42 contendrá una cantidad considerable de sobrecalentamiento que es rechazado hacia el medio refrigerante para el condensador 46 y por consiguiente no es utilizado. Por esta razón, el recuperador 60 está interpuesto entre la salida de la turbina 42 y el condensador 46 para recuperar algo del sobrecalentamiento en la salida 44. El recuperador 60 transfiere una cantidad substancial del sobrecalentamiento en el fluido orgánico libre de calor en la salida 44, al condensado orgánico en el conducto 48 antes de que el condensado sea suministrado al precalentador 50 en el conducto 64. El fluido orgánico libre de calor, adicional, en el conducto 62, es suministrado al condensador 46. Refiriéndose ahora a la Figura 2, la referencia numérica 10A designa una modalidad adicional de la presente invención la cual es similar a la modalidad descrita con referencia a la Figura 1. En la modalidad 10A, el módulo de la turbina de presión alta 42A y el módulo de la turbina de presión baja 42B son utilizados para expandir el fluido orgánico vaporizado de una manera similar a aquella mostrada en la Patente U.S. No. 5,531,073 (la descripción de la cual es' incorporada por la presente para referencia) . Estas turbinas usualmente operan a velocidades bajas, por ejemplo, 1500 o 1800 RPM. Preferentemente, los sobrecalentadores 36A y 36B son provistos para sobrecalentar el fluido orgánico vaporizado que se introduce respectivamente al módulo de la turbina de presión alta 42A y al módulo de la turbina de presión baja 42B. El sobrecalentador 36A, en respuesta a la corriente de salmuera de entrada 18 y a la corriente de fluido orgánico vaporizado 32 de entrada, produce la corriente de salida 38A del fluido orgánico sobrecalentado el cual es suministrado al módulo de la turbina de alta presión 42A, y la corriente de salida 39 de la salmuera libre de calor. El sobrecalentador 36B, en respuesta a la corriente de entrada 39 de la salmuera libre de calor y a la corriente de entrada 44 del vapor orgánico libre de calor salido de la turbina de alta presión 42A, produce la corriente de salida 38B del vapor orgánico sobrecalentado, la cual es suministrada al módulo de la turbina de presión baja 42B, y la corriente de salida 40 de la salmuera libre de calor adicional. Preferentemente, el generador eléctrico común 43 está interpuesto entre y acoplado a las turbinas 42A y 42B; y el generador eléctrico separado 24A está acoplado o conectado solamente a la turbina de vapor 22. Además, bajo algunas condiciones, solamente el sobrecalentador 36B podría ser utilizado. Operando el lado de vapor del condensador de vapor 28 a presiones arriba de la presión atmosférica en un sistema de la planta de potencia o energía del fluido binario, todos los componentes del sistema operarán a presiones arriba de la presión atmosférica. Esto facilitará, por ejemplo, la extracción de gases no condensables desde el lado de vapor del condensador 28, así como permitirá la explotación del beneficio del clima frío sin la necesidad de operar bajo las condiciones de un gran vacio. Las ventajas y los resultados mejorados provistos por el método y el aparato de la presente invención son evidentes de la descripción precedente de la modalidad preferida de la invención. Se pueden hacer varios cambios y modificaciones sin apartarse del espíritu y alcance de la invención como se describió en las reivindicaciones anexas.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato para producir potencia o energía utilizando un fluido geotérmico que es una mezcla de vapor de alta presión y salmuera, el aparato está caracterizado porque comprende; a) un separador para separar el fluido geotérmico en una corriente de salmuera y una corriente de vapor; b) una turbina de vapor acoplada o conectada a un generador para expandir la corriente de vapor de alta presión por lo cual se impulsa el generador y se produce potencia, y produciendo un vapor libre de calor, c) un condensador de vapor que funciona en respuesta a una corriente suministrada de fluido orgánico y al valor libre de calor, para producir una corriente de fluido orgánico vaporizado y una corriente de condensado de vapor; d) un sobrecalentador que funciona en respuesta a la corriente de salmuera y a la corriente de fluido orgánico vaporizado, para producir una corriente de vapor orgánico sobrecalentado y una corriente de salmuera enfriada; e) una turbina de vapor orgánico acoplada o conectada a un generador para expandir el vapor orgánico sobrecalentado, por lo cual se impulsa el generador mencionado al último y se produce energía, y produciendo un fluido orgánico libre de calor; f) un condensador de vapor orgánico para condensar el fluido orgánico libre de calor y producir un condensado orgánico; g) un precalentador que funciona en respuesta al condensado de vapor y al condensado orgánico, para producir una corriente de fluido orgánico precalentado y una corriente de condensado de vapor enfriado; h) medios para suministrar el fluido orgánico precalentado al condensador de vapor; e i) medios para combinar la corriente de salmuera enfriada con la corriente del condensado del vapor enfriado, para formar una corriente combinada.

2. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque incluye un recuperador que funciona en respuesta al fluido orgánico libre de calor y al condensado orgánico, para producir un fluido orgánico libre de calor adicional y un fluido orgánico caliente, medios para suministrar el fluido orgánico caliente al precalentador, y medios para suministrar el fluido orgánico libre de calor, adicional, al condensador.

3. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque incluye medios para inyectar la corriente combinada en el suelo.

4. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la turbina de vapor y la turbina de vapor orgánico están acopladas o conectadas al mismo generador.

5. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la turbina de vapor es una turbina de contrapresión que produce un vapor de presión baja a una presión arriba de la presión atmosférica.

6. Un método para producir potencia o energía utilizando un fluido geotérmico que es una mezcla de vapor de alta presión y salmuera, el método está caracterizado porque comprende'; a) separar el fluido geotérmico en una corriente de salmuera y una corriente de vapor; b) expandir la corriente de vapor de alta 5 presión para producir potencia y vapor de presión baja; c) condensar el vapor de presión baja con una corriente de fluido orgánico suministrado, para producir una corriente de fluido 10 orgánico vaporizado y una corriente de condensado de vapor; d) sobrecalentar la corriente de fluido orgánico vaporizado utilizando el calor contenido en la corriente de salmuera para 15 producir una corriente de vapor orgánico sobrecalentado y una corriente de salmuera enfriada; e) expandir el vapor orgánico sobrecalentado para producir potencia y vapor orgánico de 20 presión baja; f) transferir el calor en el vapor orgánico de presión baja al condensado orgánico y producir una corriente de condensado del fluido orgánico, caliente, y una corriente 25 de vapor orgánico de presión baja, enfriada; g) condensar la corriente de vapor orgánico de presión baja, enfriada, y producir el condensado orgánico; y h) precalentar la corriente de condensado del fluido orgánico caliente para producir la corriente de fluido orgánico suministrada y una corriente del condensado de vapor enfriado.

7. Un método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque incluye combinar la corriente de salmuera enfriada con la corriente de condensado de vapor enfriada para formar una corriente combinada.

8. Un método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque incluye inyectar la corriente combinada en el suelo.

9. Un método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la corriente de vapor es expandida en una turbina de vapor y el vapor orgánico sobrecalentado es expandido en una turbina de vapor orgánico, y ambas turbinas están acopladas o conectadas a un solo generador.

10. Un método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la presión del vapor de presión baja está arriba de la presión atmosférica.

11. Un aparato para producir potencia o energía utilizando un fluido geotérmico que es una mezcla de vapor de alta presión y salmuera, el aparato está caracterizado porque comprende; a) un separador para separar el fluido geotérmico en una corriente de salmuera y una corriente de vapor; b) una turbina de vapor acoplada o conectada a un generador para expandir la corriente de vapor de alta presión por lo cual se impulsa el generador y se produce potencia, y produciendo un vapor libre de calor; c) un condensador de vapor suministrado con un fluido orgánico y que funciona en respuesta a la corriente libre de calor para vaporizar el fluido orgánico y producir una corriente de fluido orgánico vaporizado y una corriente de condensado de vapor, d) un primer sobrecalentador que funciona en respuesta a la corriente de salmuera para sobrecalentar la corriente de fluido orgánico vaporizado y producir una 5 corriente de vapor orgánico sobrecalentado y una corriente de salmuera libre de calor; e) una primera turbina de vapor orgánico acoplada o conectada a un generador para 10 expandir el vapor orgánico sobrecalentado por lo cual se impulsa el generador mencionado al último y se produce potencia, y produciendo una corriente de fluido orgánico libre de calor; 15 f) un segundo sobrecalentador que funciona en respuesta a la corriente de salmuera libre de calor para sobrecalentar la corriente de fluido orgánico libre de calor y producir una corriente de vapor orgánico 20 resobrecalentado y una corriente de salmuera libre de calor adicional; g) una segunda turbina de vapor orgánico acoplada o conectada a un generador, para expandir la corriente del vapor orgánico 25 resobrecalentado por lo cual se impulsa el generador mencionado al último y se produce potencia, y produciendo una corriente de fluido orgánico libre de calor, adicional; h) un recuperador que funciona en respuesta 5 al fluido orgánico libre de calor, adicional, y al condensado del fluido orgánico, para producir un condensado de fluido orgánico caliente y todavia un fluido orgánico libre de calor, adicional; 10 i) un condensador de vapor orgánico para condensar el fluido orgánico libre de calor, todavía adicional, y producir el condensado del fluido orgánico; j ) un precalentador que funciona en respuesta 15 al condensado de vapor y al condensado del fluido orgánico caliente, para producir una corriente de fluido orgánico precalentado y una corriente del condensado de vapor enfriado, adicional; 20 ) medios para suministrar la corriente de fluido orgánico precalentado al condensador de vapor; y 1) medios para combinar la corriente de salmuera libre de calor, adicional, con la 25 corriente de condensado del vapor enfriado, adicional, para formar una corriente combinada.

12. El aparato de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque un solo generador está acoplado o conectado tanto a la primera como a la segunda turbinas de vapor orgánico. RESUMEN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a la producción de potencia o energía a partir de un fluido geotérmico que es una mezcla de vapor de alta presión y salmuera, utilizando un separador para separar el fluido geotérmico en una corriente de vapor y una corriente de salmuera. Una turbina de vapor acoplada o conectada a un generador expande el vapor e impulsa al generador produciendo potencia y vapor libre de calor. Un condensador de vapor suministrado con un fluido orgánico condensa el vapor libre de calor y produce una corriente de fluido orgánico vaporizado y una corriente de condensado de vapor. El fluido orgánico vaporizado es suministrado al sobrecalentador el cual funciona en respuesta a la corriente de salmuera para sobrecalentar el fluido orgánico vaporizado y producir una corriente de vapor orgánico sobrecalentado y una corriente de salmuera enfriada. Una turbina de vapor orgánica acoplada o conectada a un generador, expande el vapor orgánico sobrecalentado e impulsa al generador que produce la potencia y un fluido orgánico libre de calor. Un condensador de vapor orgánico condensa el fluido orgánico libre de calor y produce un condensado orgánico el cual es suministrado a un precalentador que funciona en respuesta al condensado deí vapor. El precalentador precalienta el condensado orgánico y produce una corriente del fluido orgánico precalentado que es suministrado al condensador de vapor asi como una corriente del condensado de vapor enfriado. Un recuperador es provisto para transferir el calor desde el fluido orgánico libre de calor producido por la turbina de vapor orgánica hasta el condensado orgánico producido por el condensador del vapor orgánico. El condensado orgánico caliente producido por el recuperador es suministrado al precalentador mientras que el vapor orgánico libre de calor, enfriado, producido por el recuperador, es suministrado al condensador del vapor orgánico. La corriente de salmuera enfriada es combinada con la corriente del condensado de vapor enfriado para formar una corriente combinada de salmuera enfriada diluida que es menos susceptible a la precipitación de los minerales.