WO2016034746A1 - Ciclo combinado de turbina de aire húmedo y ciclo orgánico de rankine integrados para generación de energía eléctrica - Google Patents
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Definitions
- the invention is part of the technical sector of technologies aimed at distributed energy generation, more specifically in relation to the generation of gas microturbine plants and their integration with other generation technologies.
- a simple HAT cycle for low-scale power production is based on a simple regenerative cycle with compressor, combustion chamber, turbine and regenerator, to which a saturator is added between the compressor and the combustion chamber.
- a second exchanger or economizer is included to preheat the inlet water to the saturator before injection, from the energy contained in the gas turbine outlet gas stream [1].
- the main advantage of this cycle for low power generation lies in the increase in performance and power obtained in the microturbine by adding the saturation unit. Its operating principle facilitates the recovery of low temperature residual heat, which does not depend on the work operation of the cycle but on the partial pressures of water vapor in the air stream. The stream of drained water from the saturator could even be used with cogeneration application [2].
- Rankine cycle can be carried out by making the evolving fluid an organic fluid of high molecular weight instead of water vapor, in this case facing an organic Rankine cycle (ORC).
- ORC organic Rankine cycle
- thermodynamic cycle in each of which a different thermodynamic cycle can be carried out is a trend that has its maximum exponent in the combined gas and steam cycles, this being the engine thermal of greater performance at commercial level and great power.
- Patent documents PCT / US08 / 62361 and PCT / US07 / 22820 propose the use of ORC cycles for the generation of electricity from thermal energy from solar and geothermal resources or with a fuel cell.
- the present invention focuses on different possibilities of integrating a Wet Air Gas Turbine (HAT) as a head cycle coupled with one or several Rankine Organic (ORC) cycles integrated as a tail cycle.
- HAT Wet Air Gas Turbine
- ORC Rankine Organic
- the present invention relates to a simple integration system that mixes streams in existing regenerative gas microturbine designs with an added saturator (HAT cycle) and one / two organic Rankine cycles (ORC cycle) in tail, with the corresponding exchangers: regenerator (Rl) and economizer (R2) in the HAT cycle and two exchangers (H and RE) in each ORC cycle, so that according to the integration configuration and the organic fluid chosen, the thermal efficiency of the combined cycle reaches higher values to 52%.
- HAT cycle added saturator
- ORC cycle organic Rankine cycles
- HAT humid air gas turbine
- the working fluid of the ORC cycles can be different and depending on your choice and the parameters of the HAT cycle, turbine inlet temperature, compression ratio, the interchange train will have a configuration that maximizes the performance of the whole, maximizing the use of the heat available in the exhaust by adjusting the heat exchange with the different exchangers at different temperature ranges: at high temperature with the HAT cycle regenerator and at medium / low temperature with the ORC cycles and the HAT cycle economizer .
- the characteristics of the organic fluid of the ORC cycle allow to reach higher performance values than the steam cycle when low / medium temperature sources are available.
- toluene, benzene, sopentane, R245fa, carbon dioxide, siloxanes, R134a, R1234y are preferably considered, although other organic fluids can be used.
- the use of the regenerator in the ORC cycle will depend on the working fluid being the economic condition that the temperature difference between currents is greater than 40 e C.
- the maximum yields reached exceed 52% of overall performance for parameters reached in commercial microturbines, compression ratios of 3 and turbine inlet temperatures of 1050 9 C, with Toluene being the working fluid in the ORCl cycle and R245fa in the ORC2 cycle .
- the fraction of the optimum flow of turbine exhaust gases that is derived to the ORCl cycle is 16%. This value that maximizes performance varies depending on the operating conditions and the configuration of the ORC cycles.
- the system has a performance only slightly lower than that obtained in existing high-power plants. According to the integration scheme and the organic fluid chosen, the thermal efficiency of the combined cycle operating with a regenerative gas microturbine exceeds 52%.
- Figure 1 shows the configuration considered with two ORC cycles: ORCl in parallel to the regenerator of the gas turbine Rl and recovers heat at medium temperature from a fraction of the exhaust gases; ORC2 in series after the R2 regenerator that recovers heat at low temperature before the exhaust gas stream enters the economizer of the HAT cycle.
- ORCl and ORC2 cycles may be present in the design or only one of them.
- the ORG cycle can employ different working fluids, preferably toluene, benzene, sopentane, R245fa, carbon dioxide, siloxanes, R134a, R1234y.
- the figure shows the general scheme of the cycle with the two locations of the organic cycle, which can be simultaneous or independent depending on configuration.
- the general scheme includes compressor, saturator, combustion chamber, turbine as well as a heat exchanger as a regenerator (Rl) in the gas turbine that raises the temperature of the humid air before entering the combustion chamber, an economizer (R2) which heats the liquid water before entering the saturator and two ORC cycles, one for medium temperature heat recovery (ORCl) parallel to Rl and another for low temperature heat recovery (ORC2) in series after Rl
- ORCl First organic cycle of Rankine medium temperature. Arrangement in parallel to Rl ORC2: Second organic cycle of Rankine low temperature. Series arrangement Rl. R2: Economizer
- the figure shows the configuration of the ORC cycles with the following elements:
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Abstract
El objeto de la invención es un ciclo combinado compuesto por una turbina de aire húmedo (HAT) en cabeza y ciclos orgánicos de Rankine (ORC) en cola con una disposición que maximiza la recuperación de calor de los gases de escape de la turbina. Para ello se integran ciclos ORC tanto en paralelo al flujo principal que evoluciona en el regenerador de la turbina de gas como en serie a continuación de éste. El ciclo de producción de potencia resultante es de aplicación en rangos de potencia de generación distribuida, con unos valores de eficiencia equiparables a los alcanzados en rangos de potencia de producción centralizada por encima del 50% de rendimiento y un menor coste que a otras opciones de generación eléctrica distribuida con rendimientos similares.
Description
Ciclo combinado de turbina de aire húmedo y ciclo orgánico de Rankine integrados para generación de energía eléctrica
Sector de la técnica
La invención se encuadra en el sector técnico de las tecnologías orientadas a la generación distribuida de energía, más concretamente en el relativo a la generación en plantas de microturbina de gas y su integración con otras tecnologías de generación.
Estado de la técnica
Dentro de las tecnologías orientadas a la generación distribuida se encuentra la generación en plantas de microturbina de gas. La conversión de este tipo de plantas para trabajar con un ciclo de aire húmedo (HAT) resulta fácil de ejecutar, ajustada en costes y conlleva un incremento en sus prestaciones.
Un ciclo HAT simple para producción de potencia a baja escala está basado en un ciclo simple regenerativo con compresor, cámara de combustión, turbina y regenerador, al que se añade un saturador entre el compresor y la cámara de combustión. Un segundo intercambiador o economizador se incluye para precalentar el agua de entrada al saturador antes de su inyección, a partir de la energía contenida en la corriente de gases de salida de la turbina de gas [1].
La principal ventaja de este ciclo para la generación a baja potencia, del orden de 100 kW, reside en el incremento del rendimiento y la potencia obtenidos en la microturbina al añadir la unidad de saturación. Su principio de operación facilita la recuperación de calor residual de baja temperatura, que no depende de la operación de trabajo del ciclo sino de las presiones parciales de vapor de agua en la corriente de aire. La corriente de agua drenada del saturador podría incluso utilizarse con aplicación de cogeneración [2].
De entre las patentes relacionadas con el ciclo HAT destaca la línea de patentes desarrollada por Hitachi sobre diferentes aspectos del ciclo relacionados con el desarrollo de la cámara de combustión [3], [4] y [5]. Se encuentran otras patentes relacionadas con el ciclo húmedo en la cual se condensa agua en el escape para usarla en el ciclo húmedo [6] y relacionadas con el ciclo húmedo de la turbina de gas y la captura de dióxido de carbono [7].
Además de patentes relacionadas de manera indirecta con aplicaciones para refrigeración como el caso de la patente de General Electric [8].
La factibilidad de estos ciclos ha sido estudiada en diversas aplicaciones y su integración con otras tecnologías de generación ha sido descrita en los últimos años. Desde su combinación con pila de combustible [9], con reactores químicos solares [10], y con motores de combustión externa que queman biomasa [11].
Por otro lado una variante del ciclo de Rankine puede realizarse haciendo que el fluido que evolucione sea un fluido orgánico de elevado peso molecular en vez de vapor de agua, encontrándonos en este caso ante un ciclo orgánico de Rankine (ORC). Estos ciclos presentan unas prestaciones superiores al ciclo de Rankine de vapor a media y baja temperatura. De ahí su interés en aplicaciones de baja y media temperatura con una adecuada selección del fluido de trabajo. [12], [13]. Su integración con diversas tecnologías ha sido estudiada en diferentes aplicaciones: entre otras con biomasa [14], motores de combustión interna alternativos [15], plantas de potencia solares [16], [17], microturbinas de gas o pilas de combustible [18].
Actualmente, la combinación en un único motor térmico de dos o más ciclos, en cada uno de los cuales puede llevarse a cabo un ciclo termodinámico distinto es una tendencia que tiene su máximo exponente en los ciclos combinados de gas y vapor, siendo éste el motor térmico de mayor rendimiento a nivel comercial y gran potencia.
Uno de los aspectos más estudiados es la evaluación de las posibilidades de hibridación de sistemas ORC [19], [20], así como la evaluación de los fluidos más adecuados para las distintas condiciones de la energía a recuperar [21].
En lo relativo a la hibridación del ciclo de aire húmedo de turbinas de gas, en los últimos años se han publicado artículos científicos que tratan su hibridación con otras tecnologías como pilas de combustible [22], reactores químicos solares [23], sistemas de combustión externa con biomasa como combustible [24] o incluso para la captura de dióxido de carbono.
En los documentos de patentes PCT/US08/62361 y PCT/US07/22820 se proponen el uso de ciclos ORC para la generación eléctrica a partir de energía térmica procedente de recurso solar y geotérmico o con pila de combustible.
La patente "Power producction process with gas turbine from solid fuel and waste heat and the equipment for the performing of this process, [US2010/0199631]" hace referencia a ciclo combinado con turbina de gas de aire húmedo en cabeza y ciclo de Clausius- Rankine en cola con altos rendimientos.
Sería por lo tanto deseable obtener la integración de ambos ciclos resultando un rendimiento más elevado debido al adecuado acople de ambos ciclos y la optimización del conjunto en cuanto a la recuperación de calor por el formato de intercambio de calor resultante.
Para ello, la presente invención se centra en diferentes posibilidades de integración de una Turbina de Gas de Aire Húmedo (HAT) como ciclo de cabeza acoplada con uno o varios ciclos Orgánicos de Rankine (ORC) integrados como ciclo de cola.
Referencias
[I] Nyberg, B., Thern, M., Thermodynamic studies of a HAT cycle and its components, Journal of Applied Energy 2012; 89: 315-319.
[2] Szargut, J., 2000, Cogeneration of network heat ¡n the set of a humid air turbine, Journal of Energy 2002; 27: 1-15
[3] Advanced Humid Air Turbine Power Plant" [US2009/0293493]
[4] Combustor and the method of fuel supply and coverting fuel nozzle for advanced humid air turbine" [US 2012/0031103]
[5] "Suction air spray type gas turbine, and advanced humid air gas turbine" JP2013024079 (A) o "Humidification structure of advanced humid air turbine system" [JP2012159212 (A) [6] Arrangement in a gas turbine process [WO 2011/076973]
[7] PCT: WO 2004/083615], "Humid air turbine cycle with carbón dioxide recovery", [US 2006/0260290A1]
[8] System to improve gas turbine output and hot gas path component life utilizing humid air for nozzle over cooling [US2014/0123666A1]
[9] Chacartegui, R., Blanco, M.J., Muñoz de Escalona, J.M., Sánchez, D., Sánchez, T., 2013, Performance assessment of Molten Carbonate Fuel Cell-Humid Air Turbine Hybrid systems, Journal of Applied Energy 2013; 102: 687-699
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[20] Al-Sulaiman, F. A., Dincer, I., Hamdullahpur, F., Energy analysis of a trigeneration plant based on solid oxide fuel cell and organic Rankine cycle, Journal of Hydrogen Energy 2010; 35: 5104-5113.
[21] Hung, T.C., Wank, S.K., Kuo, C.H., Pei, B.S., Tsai, K.F., A study of organic fluids on system efficiency of an ORC using low-grade energy sources, Journal of Energy 2010, 35: 1403-1411.
[22] Chacartegui, R., Blanco, M.J., Muñoz de Escalona, J.M., Sánchez, D., Sánchez, T., 2013, Performance assessment of Molten Carbonate Fuel Cell-Humid Air Turbine Hybrid systems, Journal of Applied Energy 2013; 102: 687-699.
[23] Zhao, H., Yue, P., Performance analysis of humid air turbine cycle with solar energy for methanol decomposition, Journal of Energy 2011; 36: 2372-2380.
[24] Zhao, H., Pengxiu, Y., Study of humid air turbine cycle with external heat source for air humidification, International Journal for Energy Research 2010; 34: 523-534.
Descripción detallada de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de integración sencilla que mezcla corrientes en diseños de microturbina de gas regenerativa existentes con un saturador añadido (ciclo HAT) y uno/dos ciclos orgánicos de Rankine (ciclo ORC) en cola, con los correspondientes intercambiadores : regenerador (Rl) y economizador (R2) en el ciclo HAT y dos intercambiadores (H y RE) en cada ciclo ORC, de tal manera que según la configuración de integración y el fluido orgánico elegido, el rendimiento térmico del ciclo combinado alcanza valores superiores al 52%.
Además, se propone en la invención la integración de un subsistema de enfriamiento en el escape del conjunto basado en un sistema de enfriamiento mediante refrigerador de absorción para conseguir la condensación de una fracción del agua contenida en los gases de escape y recuperación parcial de la misma para su reutilización en el ciclo con la consiguiente reducción del aporte de agua extemo.
Se plantea una disposición de los intercambiadores de los sistemas HAT y ORC, donde la corriente de salida de la microturbina de gas es dividida en dos corrientes paralelas, una fracción evoluciona hacia el regenerador del ciclo HAT y el resto a un primer ciclo orgánico de Rankine de (ORCl). Según la configuración ambas corrientes pueden evolucionar por separado en paralelo o bien unirse después en la corriente de entrada a un segundo ciclo orgánico de Rankine (ORC2). La corriente de salida del ciclo ORC2, así como la corriente de salida del ciclo ORCl en el caso que evolucione en paralelo, será parcialmente recuperada en el economizador para precalentar la corriente de agua de entrada al saturador. Según la configuración de parámetros en determinados casos puede ser interesante la incorporación de uno solo de los ciclos ORC indicados.
Con la turbina de gas de aire húmedo (HAT) como ciclo de cabeza, se consigue ceder calor para la regeneración y el precalentamiento de agua y con los ciclos ORC en cola se consigue recuperar parte de la energía de la corriente de salida de los gases de la microturbina para la producción adicional de energía eléctrica.
El fluido de trabajo de los ciclos ORC puede ser diferente y en función de su elección y de los parámetros del ciclo HAT, temperatura de entrada a la turbina, relación de compresión, el tren de intercambio tendrá una configuración que maximice el rendimiento del conjunto, maximizando el aprovechamiento del calor disponible en el escape al ajustar el intercambio de calor con los diferentes intercambiadores a los diferentes intervalos de temperatura: a elevada temperatura con el regenerador del ciclo HAT y a media/baja temperatura con los ciclos ORC y el economizador del ciclo HAT.
Las características del fluido orgánico del ciclo ORC (baja presión de vapor y mayor peso molecular que el agua) permiten alcanzar valores de rendimiento más alto que el ciclo de vapor cuando se dispone de fuentes de baja/media temperatura. La mayoría son refrigerantes o combustibles. Para esta aplicación se consideran preferentemente tolueno, benceno, ¡sopentano, R245fa, dióxido de carbono, siloxanos, R134a, R1234y, aunque otros fluidos orgánicos pueden emplearse. El uso del regenerador en el ciclo ORC dependerá del fluido de trabajo siendo la condición económica que la diferencia de temperatura entre corrientes sea superior a 40eC.
Los rendimientos máximos alcanzados superan el 52% de rendimiento global para parámetros alcanzados en microturbinas comerciales, relaciones de compresión de 3 y temperaturas de entrada a turbina de 10509C, siendo Tolueno el fluido de trabajo en el ciclo ORCl y R245fa en el ciclo ORC2. La fracción del flujo óptimo de gases de salida de la turbina que se deriva al ciclo ORCl es un 16%. Este valor que maximiza el rendimiento varía en función de las condiciones de operación y la configuración de los ciclos ORC.
Las ventajas que presenta esta nueva integración de ciclos son:
• A escala de pequeña y moderada potencia como la requerida para generación
distribuida, el sistema presenta un rendimiento solo levemente inferior al obtenido en las plantas de gran potencia existentes. Según el esquema de integración y el fluido orgánico elegido el rendimiento térmico del ciclo combinado funcionando con una microturbina de gas regenerativa supera el 52 %.
• Es un sistema sencillo de integrar añadiendo un saturador que mezcle corrientes a diseños de microturbina existentes y Ciclos Orgánicos de Rankine con los
correspondientes intercambiadores.
• Es un sistema económico que requiere una inversión relativamente baja comparado con otras tecnologías de generación distribuida.
• Es un sistema de generación de potencia de bajas emisiones de C02 debido al elevado rendimiento y de NOx debido al uso de aire húmedo en la cámara de combustión.
Ejemplo de realización de la invención
En la figura 1 se muestra la configuración considerada con dos ciclos ORC: ORCl en paralelo al regenerador de la turbina de gas Rl y recupera calor a media temperatura de una fracción de los gases de escape; ORC2 en serie tras el regenerador R2 que recupera calor a baja temperatura antes de que la corriente de gases de escape entre en el economizador del ciclo HAT. Según los parámetros de operación de diseño pueden estar presentes en el diseño ambos ciclos ORCl y ORC2 o sólo uno de ellos.
El ciclo ORG puede emplear diferentes fluidos de trabajo, preferentemente tolueno, benceno, ¡sopentano, R245fa, dióxido de carbono, siloxanos, R134a, R1234y.
La presente invención se ¡lustra adicionalmente mediante el siguiente ejemplo que no pretende ser limitativo del alcance de otras combinaciones y aplicaciones.
El flujo de gases de escape se divide justo a la salida de la turbina del ciclo HAT, una fracción de gases evoluciona hacia el ciclo ORCl operando con tolueno y la salida del ciclo ORCl y del regenerador Rl evolucionan hacia el ciclo ORC2 con R245fa como ciclo de trabajo. Se tienen los siguientes parámetros de los ciclos:
Ciclo HAT
relación de compresión de 3
condiciones ambiente de 152C y 1 bar
rendimientos isentrópico de turbina 0,87
rendimientos isentrópico de compresor 0,87
Temperatura de entrada a turbina 1050 9C
Ciclo ORC
rendimientos isentrópico de turbina 0,9
rendimientos isentrópico de bomba 0,85
- Temperatura máxima de entrada a turbina 212 9c la fracción de gases que lleva a un rendimiento más elevado está entre el 10 y el 20% del total de los gases de escape y se alcanza un rendimiento global (sin incluir accionamiento de auxiliares aparte de bomba de ciclo HAT) del 52%, con un rendimiento del ciclo HAT del 33%, donde el 62% de la potencia del ciclo combinado es producida por el ciclo HAT.
Descripción de las figuras
Figura 1.- Configuración general con dos ciclos ORC
En la figura se muestra el esquema general del ciclo con las dos ubicaciones del ciclo orgánico, que pueden ser simultáneas o independientes según configuración. El esquema general incluye compresor, saturador, cámara de combustión, turbina así como un intercambiador de calor como regenerador (Rl) en la turbina de gas que eleva la temperatura del aire húmedo antes de entrar en la cámara de combustión, un economizador (R2) que calienta el agua líquida antes de entrar en el saturador y dos ciclos ORC, uno para recuperación de calor a media temperatura (ORCl) paralelo a Rl y otro para recuperación de calor a baja temperatura (ORC2) en serie tras Rl
Rl: Regenerador
ORCl: Primer ciclo orgánico de Rankine media temperatura. Disposición en paralela a Rl ORC2: Segundo ciclo orgánico de Rankine baja temperatura. Disposición en serie Rl.
R2: Economizador
Pl: Bomba de alimentación de agua al circuito del saturador
Ml:Mezclador de corrientes salida saturador, aporte de agua
Figura 2. Configuración de ciclo ORC
En la figura se muestra la configuración de los ciclos ORC con los siguientes elementos:
P2: Bomba de circulación
H: Intercambiador del calor principal.
RE: regenerador del ciclo ORC
T: Turbina
Claims
1. Ciclo combinado para generación de energía eléctrica caracterizado por la integración de turbina de gas de aire húmedo, ciclo HAT, como ciclo de cabeza y ciclo orgánico de Rankine como ciclo de cola, con un elevado rendimiento para sistemas de generación de pequeña y mediana potencia.
2. Ciclo combinado para generación de energía eléctrica según reivindicación anterior, caracterizado por integrar en el escape del ciclo HAT la configuración de ciclo ORC1 en paralelo a regenerador Rl, evolucionando una fracción de los gases de escape hacia ORC1 maximizando el rendimiento del conjunto con recuperación de calor a media temperatura.
3. Ciclo combinado para generación de energía eléctrica según reivindicación anterior, caracterizado por integrar en el escape del ciclo HAT la configuración de ciclo ORC2 en serie tras regenerador Rl, recuperando calor a baja temperatura. Opcional según parámetros de diseño de conjunto.
4. Ciclo combinado para generación de energía eléctrica según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los fluidos orgánicos de trabajo en el ciclo de cola, son refrigerantes o combustibles, preferentemente tolueno, benceno, isopentano, R245fa, dióxido de carbono, siloxanos, R134a, R1234y.
5. Ciclo combinado para generación de energía eléctrica según reivindicaciones anteriores, caracterizado por la integración opcional de un subsistema de enfriamiento en el escape del conjunto basado en un sistema de enfriamiento mediante refrigerador de absorción para conseguir la condensación de una fracción del agua contenida en los gases de escape y recuperación parcial de la misma para su reutilización en el ciclo con la consiguiente reducción del aporte de agua externo.
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