WO1996021800A1 - Procedimiento de mejora para plantas de ciclo combinado con aporte termico paralelo al ciclo de vapor - Google Patents
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Definitions
- the invention object of the present specification refers to an improvement procedure applicable to power generation or cogeneration plants of medium power and thermal power based on a Bryton-Rankine combined cycle scheme, with two energy contributions parallel to the steam cycle: one in the boiler of J ⁇ .
- recovery of the exhaust gases from the gas turbine and another in a combustion boiler based on optimizing the economizers of the recovery boiler and the combustion boiler, deriving part of the feedwater flow of the combustion boiler through the economizer of the recovery boiler and reduce exergy losses due to heat transmission in both boilers, as well as to facilitate the recovery of energy from the gas turbine's exhaust gases, thereby improving plant performance .
- This type of plant uses a suitable fuel in the gas turbine (natural gas, LPG,
- the solution now advocated consists of a simultaneous improvement of the thermal exchange conditions in the economizers of both boilers, based on the integration of the high pressure economizers of both boilers, so that in each of them the water is not heated of feed required by the corresponding boiler but the total flow of feed water to both boilers is divided into the appropriate proportions 15. between both economizers, circulating less than the corresponding one by that of the combustion boiler, to increase the slope of the absorption curve and approximate that of the gases, and more than that corresponding to that of the recovery boiler, to decrease the slope of the absorption curve and also approximate that of the gases. That is, a part of the feed water flow rate of the combustion boiler is derived to the economizer of the recovery boiler. This derived flow must be returned to the boiler of the 25. combustion boiler, either from the economizer outlet of the recovery boiler or from the boiler thereof, by means of regulating valves or pumps.
- the derived flow whose proportion will depend on 20. the relationships between the flows demanded by each boiler, allows to reduce the exergy losses due to heat transmission in the combustion boiler, without damaging the energy recovery of the gases, and improving the energy recovery in the boiler of 5 recovery, making the transfer and absorption curves in the economizer more parallel or even being able to change the ratio of slopes that would have with the flow of feedwater corresponding exclusively to this boiler.
- the economizer zone favors the use of turbine intakes for heating condensates in deaerators or heaters, in order not to excessively cool the gases in the recovery boiler, except in cases where the condensate temperature
- the energy recovery of the gas turbine's exhaust gases in the zone with the highest thermal level would be carried out by vaporizing water at the upper pressure of the cycle and overheating the generated steam, as a simpler and more conventional way of recovery. It would also be possible to complete the recovery of higher thermal level by reheating the main flow of the steam cycle, optimally arranged with the indicated superheater (before, after, parallel, interleaved, etc.) or by any other known recovery procedure.
- Figure 1 shows a cycle scheme adopted for this example, which includes the proposed improvement procedure.
- FIGS 2 and 3 show the heat-exchanged temperature-power diagrams in the combustion and recovery boilers respectively.
- an electric generation plant of about 50 MWe which uses natural gas as fuel d 5 the gas turbine and agricultural waste as fuel d the combustion boiler.
- the gas turbine is a commercial model with an electric power of 24 MWe.
- the flow derived to the economizer of the recovery boiler, from the discharge of the feed pump, is returned in this example from the exit of the aforementioned economizer to the boiler of the combustion boiler, regulated by the corresponding control valves.
- the scheme in this figure 1 includes the following elements:
- the exhaust gas from the gas turbine (1) is used in the recovery boiler (2) to heat all the condensate in the cycle from the conditions of the condensate heater (7) to the inlet to the deaerator (9) ), heat the feedwater at high pressure (that required by its boiler plus the part derived from the flow corresponding to the combustion boiler) from the discharge temperature of the pump feed (10) to the boiler inlet, vaporize high pressure water and overheat the generated steam.
- the gases heat the combustion air, heat the rest of the feed water, vaporize high pressure water (part in convection zone and part in radiation zone) and overheat the generated steam .
- the steam flows generated in both boilers are mixed and are taken to the steam turbine (4) where they expand to the condensation pressure achieved in the condenser (5), with two intermediate steam inlets, one to feed the deaerator ( 9) and one at a lower pressure to feed the condensate heater (7).
- the condensed water in the condenser (5) is pumped through the pump (6) to the condensate heater (7).
- the condensate drain in it is pumped by the pump (8) to the condensate outlet itself, mixing with the main condensate flow that feeds the recovery boiler (2).
- the condensate previously heated in the recovery boiler (2) is brought to saturation conditions by steam from the steam turbine intake (4) and under these conditions the liquid is pumped by the feed pump (10) to the economizers of both boilers.
- Table 1 shows the fundamental results of the nominal thermal balance of the application example.
- Heating water supply (economizer) 20 4. Water vaporization.
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Abstract
Utiliza una caldera de combustión y consiste en optimizar los economizadores de la caldera de recuperación y la caldera de combustión, derivando parte del caudal de agua de alimentación de la caldera de combustión a través del economizador de la caldera de recuperación; con ello se consigue reducir las pérdidas energéticas por transmisión de calor en ambas calderas, así como facilitar la recuperación de energía de los gases de escape de la turbina de gas hasta la temperatura mínima recomendable, incluso en los casos en los que el condensado final se obtenga a una temperatura relativamente elevada, mejorando el rendimiento de la planta de forma sencilla y económica.
Description
PROCEDIMIENTO DE MEJORA PARA PLANTAS DE CICLO COMBINADO CON APORTE TÉRMICO PARALELO AL CICLO DE VAPOR
5 DESCRIPCIÓN
OBJETO DE TA INVENCIÓN
La invención objeto de la presente memoria se 10 refiere a un procedimiento de mejora aplicable a plantas de generación eléctrica o de cogeneración de energía eléctrica y energía térmica de media potencia basadas en un esquema de ciclo combinado Bryton-Rankine, con dos aportes energé¬ ticos paralelos al ciclo de vapor: uno en la caldera de Jϊ. recuperación de los gases de escape de la turbina de gas y otro en una caldera de combustión, en base a optimizar los economizadores de la caldera de recuperación y de la caldera de combustión, derivando parte del caudal de agua de alimentación de la caldera de combustión a través del 20 economizador de la caldera de recuperación y reducir las pérdidas exergéticas por transmisión de calor en ambas calderas, así como a facilitar la recuperación de energía de los gases de escape de la turbina de gas, mejorando con ello el rendimiento de la planta.
25.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Este tipo de plantas utiliza en la turbina de gas un combustible adecuado para la misma (gas natural, GLP,
2 etc.) y en la caldera de combustión un combustible no adecuado para turbinas de gas (residuos, biomasa, carbón, etc.). En ambas calderas, la de recuperación y la de combustión, se genera normalmente vapor a la presión superior del ciclo de vapor, expansionándolo conjuntamente
35 en una única turbina de vapor. El calentamiento del agua de
alimentación de ambas calderas, desde la temperatura d descarga de la/s bomba/s de alimentación o de salida d calentadores de alta presión, caso de existir, hasta la d alimentación a los calderines, se realiza independientemen 15 te en el economizador de cada caldera, calentando en cad uno el caudal requerido por el calderín correspondiente.
Con este método de calentamiento del agua d alimentación de alta presión de cada caldera en economizá is dores independientes, es deficiente la adecuación en e diagrama temperatura-potencia térmica intercambiada de la curvas de absorción de energía del agua y de cesión d energía de los gases en los economizadores de amba calderas. En la caldera de combustión la pendiente de l J > curva de cesión es habitualmente notablemente más elevada que la de la curva de absorción, debido a la alta tempera¬ tura inicial equivalente de los gases, con lo que es posible recuperar bien los gases energéticamente pero con notables pérdidas exergéticas por transmisión de calor. En 20 la caldera de recuperación la pendiente de la curva de cesión es notablemente inferior a la de la curva de absorción, debido a la baja temperatura inicial de los gases, con lo que el problema es aún más grave ya que, además de las consiguientes pérdidas exergéticas por 25. transmisión de calor, no es posible en ocasiones recuperar adecuadamente la energía contenida en los gases, ni siquiera contando con el calentamiento de todo el condensa- do y, en su caso, del agua de alimentación hasta la temperatura de entrada en economizadores, especialmente si 30 la temperatura del condensado final es elevada, como puede ocurrir en plantas con aerorrefrigerantes, con aprovecha¬ miento del vapor final para desalinización o calefacción, etc. Ello conduce a importantes pérdidas energéticas y exergéticas en los gases de escape, a no ser que se 35 disponga de recuperación para usos externos o se realicen
vaporizaciones a otros niveles de presión para completar la recuperación, que complican y encarecen el ciclo y presen¬ tan asimismo importantes degradaciones exergéticas.
5 DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La solución ahora propugnada consiste en una mejora simultánea de las condiciones del intercambio térmico en los economizadores de ambas calderas, en base a 10 integrar los economizadores de alta presión de ambas calderas, de tal forma que en cada uno de ellos no se calienta el agua de alimentación requerida por el calderín correspondiente sino que el caudal total de agua de alimentación a ambas calderas se divide en las proporciones 15. adecuadas entre ambos economizadores, circulándose menos que el correspondiente por el de la caldera de combustión, para aumentar la pendiente de la curva de absorción y aproximarla a la de los gases, y más que el correspondiente por el de la caldera de recuperación, para disminuir la 20 pendiente de la curva de absorción y aproximarla asimismo a la de los gases. Es decir, que una parte del caudal de agua de alimentación de la caldera de combustión se deriva al economizador de la caldera de recuperación. Este caudal derivado debe retornarse al calderín de la caldera de 25. combustión, bien desde la salida del economizador de la caldera de recuperación o bien desde el calderín de la misma, mediante válvulas de regulación o bombas.
El caudal derivado, cuya proporción dependerá de 20. las relaciones entre los caudales demandados por cada caldera, permite reducir las pérdidas exergéticas por transmisión de calor en la caldera de combustión, sin perjudicar la recuperación energética de los gases, y mejorar la recuperación energética en la caldera de 5 recuperación, haciendo las curvas de cesión y absorción en
el economizador más paralelas o incluso pudiendo llegar cambiar la relación de pendientes que se tendría con e caudal de agua de alimentación correspondiente exclusiva mente a esta caldera. Como consecuencia se produce un 5 reducción de las pérdidas exergéticas por transmisión d calor y una mejora de la recuperación energética de lo gases, pudiéndose llegar generalmente a enfriar los mismos, completando la recuperación únicamente con el calentamiento de condensados y, en su caso, agua de alimentación hasta la
10. temperatura de entrada en economizadores, hasta la tempera¬ tura mínima recomendable de los gases en cada caso, sin necesidad de recurrir a vaporizaciones a otros niveles de presión o a cualquier otro tipo de recuperación externa al ciclo. Como consecuencia, la invención prepuesta conduce a
15 mejores rendimiento de transformación de la energía de los combustibles en energía eléctrica o exergía total, con unas implementaciones técnicas poco costosas, que garantizan su rentabilidad.
20 La recuperación de energía de los gases de escape de la turbina de gas en la zona de menor nivel térmico admite múltiples configuraciones utilizadas habitualmente en este tipo de plantas. El procedimiento de mejora propuesto, debido a su alta capacidad de absorción en la
25 zona del economizador, favorece sin embargo la utilización de tomas de turbina para calentamiento de condensados en desaireadores o calentadores, con objeto de no enfriar excesivamente los gases en la caldera de recuperación, salvo en los casos en que la temperatura del condensado
20. final sea relativamente elevada, por utilizar aerorrefrige- rantes o emplear el vapor para alimentar instalaciones de desalinización, calefacción, etc., en cuyo caso las tomas de turbina podrán reducirse o eliminarse, así como la necesidad de calentadores de condensado o incluso del
25 desaireador. Por contra, si la temperatura final del
condensado es excesivamente alta puede ser inevitable suministrar energía a procesos externos si se quiere enfriar los gases hasta la mínima temperatura recomendable.
La recuperación de energía de los gases de escape de la turbina de gas en la zona de mayor nivel térmico se realizaría mediante vaporización de agua a la presión superior del ciclo y sobrecalentamiento del vapor generado, como forma más sencilla y convencional de recuperación. También sería posible completar la recuperación de mayor nivel térmico mediante un recalentamiento del flujo principal del ciclo de vapor, dispuesto en forma óptima con el sobrecalentador indicado (antes, después, paralelos, intercalados, etc.) o mediante cualquier otro procedimiento conocido de recuperación.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está llevando a efecto y con objeto de facilitar la mejor y más fácil comprensión de las características del invento, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un juego de planos en donde con carácter ilustrativo y nunca limitativo se ha procedido a representar lo siguiente:
La Figura 1 muestra un esquema del ciclo adoptado para este ejemplo, que incluye el procedimiento de mejora propuesto.
Las figuras 2 y 3 muestran los diagramas tempera¬ tura-potencia térmica intercambiada, en las calderas de combustión y de recuperación respectivamente.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de estas figuras comentadas, puede
observarse como según el preconizado invento, en este ejemplo de aplicación del procedimiento de mejora propues to, se ha seleccionado una planta de generación eléctric de unos 50 MWe, que utiliza gas natural como combustible d 5 la turbina de gas y residuos agrícolas como combustible d la caldera de combustión. La turbina de gas es un model comercial con una potencia eléctrica de 24 MWe.
El caudal derivado hacia el economizador de la 10 caldera de recuperación, desde la descarga de la bomba de alimentación, se retorna en este ejemplo desde la salida del economizador citado al calderín de la caldera de combustión, regulándose mediante las correspondientes válvulas de control. El esquema de esta figura 1 incluye 5 los siguientes elementos:
Figura 1
1. Turbina de gas 0 2. Caldera de recuperación
3. Caldera de combustión
4. Turbina de vapor
5. Condensador
6. Bomba de condensado 5 7. Calentador de condensado
8. Bomba de drenaje
9. Desaireador
10. Bomba de alimentación.
__ Los gases de escape de la turbina de gas (1) se aprovechan en la caldera de recuperación (2) para calentar todo el condensado del ciclo desde las condiciones de salida del calentador de condensado (7) hasta las de entrada al desaireador (9), calentar el agua de alimentᬠs ción a alta presión (el requerido por su calderín más la parte derivada del caudal correspondiente a la caldera de combustión) desde la temperatura de descarga de la bomba de
alimentación (10) hasta la de entrada al calderín, vapori¬ zar agua a alta presión y sobrecalentar el vapor generado.
En la caldera de combustión (3) los gases calientan el _ aire de combustión, calientan el resto del agua de alimen¬ tación, vaporizan agua a alta presión (parte en zona de convección y parte en zona de radiación) y sobrecalientan el vapor generado.
Los caudales de vapor generados en ambas calderas se mezclan y son conducidos a la turbina de vapor (4) donde se expansionan hasta la presión de condensación conseguida en el condensador (5), con dos tomas intermedias de vapor, una para alimentar el desaireador (9) y otra a menor presión para alimentar el calentador de condensado (7).
El agua condensada en el condensador (5) es bombeada mediante la bomba (6) hacia el calentador de condensado (7). El drenaje del vapor condensado en éste lo bombea la bomba (8) hacia la propia línea de salida de condensado mezclándose con el flujo principal de condensado que alimenta la caldera de recuperación (2).
En el desaireador (9) el condensado calentado previa- mente en la caldera de recuperación (2) se lleva a condi¬ ciones de saturación mediante el vapor de la toma de la turbina de vapor (4) y en estas condiciones el líquido es bombeado por la bomba de alimentación (10) hacia los economizadores de ambas calderas.
En la tabla 1 se muestran los resultados fundamentales del balance térmico nominal del ejemplo de aplicación.
Tabla i
CALDERA COMBUSTIÓN
Consumo de residuos: 15.200 kg/h
P.C.I. medio de los residuos: 13.104 kJ/kg Potencia térmica en residuos: 55.330 kW Caudal de aire de combustión:100.044 kg/h - Caudal de gases: 115.244 kg/h
Temperatura salida gases del economizador:
278 °C Potencia térmica absorbida por el fluido:
48.879 kW - Temperatura salida gases del cal. aire:
140 "C Temperatura entrada aire al cal. aire:
15 °C Temperatura salida aire del cal. aire: 200 °C
- Potencia térmica cedida al aire en cal. aire:
5.165 kW
TURBINA DE GAS
Potencia eléctrica bornas: 23.767 kWe
Potencia térmica gas consumido:71.434 kW
Caudal gases de escape: 282.660 kg/h
Temperatura gases de escape: 549 °C
CALDERA RECUPERACIÓN
Temperatura salida gases: 100 'c
Potencia térmica absorbida por el fluido: 38.628 kW
CICLO DE VAPOR
Presión entrada turbina vapor: 85 bar - Temperatura entrada turbina de vapor:
510 *C Caudal entrada turbina de vapor:
103.399 kg/h Presión condensación: 0,06 bar
Presión toma desaireador: 2,0 bar
Presión toma calentador agua: 0,3 bar - Temp. entrada condensado a cald. recup. :
65 ° C Temp. salida condensado cald. recup. :
98 'C Temp. entrada agua alim. a economizadores: 122 °C
Temp. salida economizador cald. recup. :
276 °C Temp. salida economizador cald. combust. :
260 °C - Caudal de condensado: 100.073 kg/h
Caudal total agua alimentación:104.432 kg/h Caudal economizador cald. recup:73.735 kg/h Caudal economizador cald. comb.:30.697 kg/h Caudal derivado de agua alim.: 40.000 kg/h - Caudal vapor cald. recup.: 33.401 kg/h Caudal vapor cald. comb. : 69.998 kg/h Potencia cedida por fluido en turbina vapor:
32.534 kW Potencia eléctrica bornas turb. vapor: 30.655 kWe
PLANTA DE GENERACIÓN
Potencia eléctrica generada en bornas alternadores: 54.421 kWe
Potencia eléctrica consumida en auxiliares:
1.270 kWe Potencia eléctrica neta generada:
53.152 kWe - Potencia térmica total combustibles:
126.764 kW Rendimiento eléctrico bruto planta: 42,93 %
Rendimiento eléctrico neto planta: 41,93 %
Los procesos representados en las figuras 2 y 3 son respectivamente:
5
Figura 2
1. Enfriamiento de gases
2. Calentamiento aire.
1_ 3. Calentamiento agua alimentación (economizador)
4. Vaporización de agua (zona convección)
5. Sobrecalentamiento vapor
6. Vaporización de agua (zona de radiación)
15 Figura 3
1. Enfriamiento gases
2. Calentamiento condensado
3. Calentamiento agua alimentación (economizador) 20 4. Vaporización de agua.
5. Sobrecalentamiento vapor.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, asi como una forma de llevarla a la
¿5. práctica, es preciso señalar que en el conjunto y detalles de la misma es posible introducir cambios de forma y disposición siempre y cuando dichas modificaciones no varíen sustancialmente las características de la invención que se reivindican a continuación.
20
No se hace mas extensa esta descripción, en el buen entender de que cualquier experto en esta materia tendría suficiente información para comprender el alcance de la invención y sus ventajas derivadas, así como para proceder
25 a reproducir la misma.
Los términos utilizados durante la descripción y el
sentido de la misma deberán ser considerados siempre de manera no limitativa.
10
15
20
25
20.
25
Claims
REIVINDICACIONES
l4.- Procedimiento de mejora para plantas de ciclo combina do con aporte térmico paralelo al ciclo de vapor caracteri zado porque parte del agua de alimentación de la caldera d combustión se calienta, a la presión superior del ciclo d vapor y hasta las condiciones de alimentación al calderí de dicha caldera, en la caldera de recuperación de lo gases de escape de la turbina de gas, junto con el agua d alimentación de la caldera de recuperación.
2a.- Procedimiento de mejora para plantas de ciclo combina do con aporte térmico paralelo al ciclo de vapor de acuerd con la reivindicación 1*, en el que el caudal de agua d alimentación de la caldera de combustión derivado a través del economizador de la caldera de recuperación se desvía desde la salida de dicho economizador hacia el calderín de la caldera de combustión.
34.- Procedimiento de mejora para plantas de ciclo combina¬ do con aporte térmico paralelo al ciclo de vapor de acuerdo con la reivindicación 1*, en el que el caudal de agua de alimentación de la caldera de combustión derivado a través del economizador de la caldera de recuperación se incorpora directamente al calderín de la caldera de recuperación, junto con el caudal de agua de alimentación propio de ésta, y es bombeado desde este calderín al calderín de la caldera de combustión.
4*.- Procedimiento de mejora para plantas de ciclo combina¬ do con aporte térmico paralelo al ciclo de vapor de acuerdo con la reivindicación l4, en el que se realiza un recalen¬ tamiento del flujo principal del ciclo de vapor aprovechan¬ do parte de la energía térmica de los gases de escape de la caldera de recuperación.
54.- Procedimiento de mejora para plantas de ciclo combina-
do con aporte térmico paralelo al ciclo de vapor.
10
15
20
25
30
35
REIVINDICACIONES MODIFICADAS
[recibidas por la oficina internacional el 4 de junio de 1996 (04.06.96) reivindicaciones 1-5 remplazadas por las reivindicaciones 1-4 modificadas
(1 pagina)]
Ia .- Procedimiento de mejora para plantas de ciclo combina do con aporte térmico paralelo al ciclo de vapor en l 5 caldera de recuperación de los gases de escape de l turbina de gas y en una caldera de combustión con economi¬ zador, caracterizado porque parte del agua de alimentació de la caldera de combustión se calienta a la presió superior del ciclo de vapor y hasta las condiciones d lfl alimentación al calderín de dicha caldera, en la caldera d recuperación de los gases de escape de la turbina de gas, junto con el agua de alimentación de la caldera de recupe¬ ración.
15 2*.- Procedimiento de acuerdo con la reivindicación Ia, e el que el caudal de agua de alimentación de la caldera d combustión, derivado a través del economizador de la caldera de recuperación, se desvia desde la salida de dicho economizador hacia el calderín de la caldera de combustión. 0
3a.- Procedimiento según la reivindicación Ia en el que el caudal de agua de alimentación de la caldera de combustión, derivado a través del economizador de la caldera de recuperación, se incorpora directamente al calderín de la 5 caldera de recuperación, junto con el caudal del agua de alimentación propio de ésta, y es bombeado desde este calderín al calderín de la caldera de combustión.
4".- Procedimiento de acuerdo con la reivindicación Ia en 0 el que se realiza un recalentamiento del flujo principal del ciclo de vapor, aprovechando parte de la energía térmica de los gases de escape de la caldera de recupera¬ ción.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| ES9500033A ES2123358B1 (es) | 1995-01-11 | 1995-01-11 | Procedimiento de mejora para plantas de ciclo combinado con aporte termico paralelo al ciclo de vapor. |
| ESP9500033 | 1995-01-11 |
Publications (1)
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|---|---|
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Family Applications (1)
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| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 17, no. 208 (M - 1401) 23 April 1993 (1993-04-23) * |
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 17, no. 263 (M - 1415) 24 May 1993 (1993-05-24) * |
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 18, no. 628 (M - 1713) 30 November 1994 (1994-11-30) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2123358A1 (es) | 1999-01-01 |
| ES2123358B1 (es) | 1999-08-16 |
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