Ciclo combinado con ciclo Brayton cerrado, foco frío subambiental, con fluidos de trabajo de elevado coeficiente politrópico.

Ciclo combinado con ciclo Brayton cerrado, foco frío subambiental,

con fluidos de trabajo de elevado coeficiente politrópico.

Siendo el ciclo superior un ciclo Brayton con un fluido de trabajo de elevado coeficiente politrópico, la evolución de este fluido es la convencional en el ciclo Brayton, aumento de presión y temperatura en un compresor, adquisición de calor del foco caliente, expansión en la turbina y cesión de calor al foco frío, que será el gas natural que se pretende regasificar. Como ciclo inferior se utiliza un Rankine con agua como fluido de trabajo, su evolución es compresión en una bomba, adquisición de calor del foco caliente (que es el foco frío del Brayton), expansión en una turbina y cesión de calor al foco frío (que será el gas natural ya regasificado). Con el movimiento de las turbinas se produce energía eléctrica. Todo este proceso tiene un elevado trabajo específico y rendimiento.

CICLO COMBINADO CON CICLO BRAYTON CERRADO, FOCO FRÍO SUBAMBIENTAL, CON FLUIDOS DE TRABAJO DE ELEVADO COEFICIENTE POLITRÓPICO

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es la de aprovechamiento de la energía solar por medio de un ciclo combinado Brayton cerrado y Rankine, utilizando en el CICLO BRAYTON un fluido de elevado coeficiente politrópico, como He, Ar o Xe. Para incrementar el rendimiento y la potencia específica del ciclo combinado se aprovecha el calor desprendido del proceso de regasificación del gas natural licuado, disminuyendo la temperatura del foco frío.

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo técnico de la conversión de la energía térmica procedente de la radiación solar y de la energía fósil del gas natural licuado (GNL) en energía eléctrica mediante ciclos termodinámicos combinados Brayton-Rankine, asociados a instalaciones de regasificación de GNL.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El GNL es transportado desde su lugar de explotación hasta las plantas de regasificación, en donde se almacena, se regasifica, y se distribuye a la red de gaseoductos con un previo proceso de odorización. El GNL se almacena en tanques criogénicos, aislados del exterior, a una temperatura aproximada de -160°C y a una presión ligeramente superior a la atmosférica.

Los sistemas convencionales de regasificación, para devolver el GNL a su estado natural de gas, son mediante vaporizadores del tipo ORV (Open Rack Vaporizer), que emplean como energía térmica el agua de mar y vaporizadores del tipo SCV (Submerged Combustión Vaporizer), en donde la energía térmica de aporte se consigue con un fluido, que es calentado por los productos de la combustión del gas natural en un quemador especial sumergido en el propio baño del fluido.

Durante la regasificación del GNL se está generando 800kW de potencia frigorífica por cada kg/s de GNL, que se libera totalmente al agua de mar si se emplean vaporizadores ORV o al fluido térmico en el caso de los SCV. Ambos sistemas tienen un coste energético para poder realizar el regasificado, bien sea en energía eléctrica para el bombeo del agua de mar, o bien sea en combustible si se hace mediante la combustión sumergida.

Por tanto, existe la necesidad de un método de regasificación más eficiente y que permita recuperar la energía en forma de calor latente y sensible del GNL. Esta energía se puede emplear para enfriar el fluido de trabajo en la aspiración del compresor en un ciclo Brayton, o en el condensador de un ciclo Rankine, en ambos casos útil para generación de energía eléctrica.

En la patente número US 20060174627 Al se presenta un ciclo Brayton abierto, donde se emplea el aire de aspiración del compresor de la turbina de gas para conseguir la vaporización del GNL, al mismo tiempo que bajamos la temperatura del aire, reduciendo así el trabajo de compresión. En documento de la patente US 7398642 B2 se muestra un sistema de regasificación que se basa en la refrigeración intermedia de dos compresores de un ciclo de gas.

Por otro lado son cada vez más los ciclos solares térmicos que se están utilizando para la producción de potencia eléctrica, debido a que sus costes de explotación son menores que los ciclos que utilizan combustibles fósiles, el coste del combustibles cero, al igual que sus emisiones de gases contaminantes, por tanto no contribuyen al calentamiento global ni a la destrucción de la capa de ozono. Uno de estos casos se muestra en EP2444630 (Al) donde se presenta una instalación de ciclo combinado solar trabajando con aire en ciclo Brayton y con agua en ciclo Rankine, pudiendo este último trabajar autónomamente, siendo independiente de la radiación solar. También existen aplicaciones de la energía solar térmica para refrigeración, como por ejemplo en AU2010278676 (Al), donde se utiliza esta energía de refrigeración para reducir la temperatura de un fluido de trabajo de un ciclo de potencia por debajo de la temperatura ambiente, aumentando de este modo el rendimiento de la planta donde se aplique.

Existen otras estrategias para incrementar el rendimiento térmico y la potencia especifica de las plantas de producción de potencia, una de ellas puede ser utilizar un fluido de trabajo con elevado coeficiente politrópico, como puede ser el caso de algunos gases nobles como el helio o el xenón. De estos dos el más utilizado es el helio, porque es el fluido con mejores condiciones termodinámicas para producción de potencia. Son numerosos los trabajos en los que se utiliza para este objetivo, entre los que destacan GB1525525 (A), en este caso el helio se utiliza como fluido refrigerante de un reactor nuclear, de manera que se incrementa su temperatura y se utiliza esta circunstancia para producir potencia mecánica en un ciclo Brayton. Por otro lado en la patente KR20110048747 (A) se produce electricidad, hidrogeno o agua destilada a partir de un ciclo similar al explicado en la patente anterior, con la diferencia que en este caso el reactor es de alta temperatura y el aprovechamiento energético es mayor. Los autores de la patente US7028481 (Bl) realizaron un trabajo similar a los dos anteriores, con la salvedad de que como foco frío del sistema utilizan gas natural licuado, con este procedimiento consiguen reducir la temperatura media de cesión de calor, incrementando el rendimiento térmico y la potencia especifica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una planta térmica constituida por un ciclo combinado, un Brayton y un Rankine, conjuntamente con una instalación de regasificación de gas natural licuado, que comprende:

Un ciclo Brayton cerrado, no regenerativo, de alta temperatura, formado por:

- Un enfriador del fluido de trabajo, en la aspiración del compresor, mediante la energía de vaporización que se genera con la regasificación del GNL.

- Un compresor.

- Un homo solar y una cámara de combustión para calentar el fluido de trabajo con la energía solar o bien por la combustión del propio GNL que se regasifica en la planta anexa.

- Turbinas de gas.

Un ciclo Rankine regenerativo de baja temperatura operando con fluido de trabajo vapor de agua, formado por:

- Un condensador de vapor, utilizando la energía de refrigeración que se genera con la regasificación del GNL, produciendo el cambio de estado del vapor de agua.

- Una caldera de recuperación de calor residual, en varias etapas de presión, donde se vaporiza y calienta el agua con economizadores, sobrecalentadores y recalentadores, gracias al fluido de trabajo del ciclo Brayton.

- Bombas de alimentación de alta, media y baja presión.

- Turbina de vapor de alta, media y baja presión.

El fluido de trabajo del ciclo Brayton atraviesa el homo solar o bien una cámara de combustión donde se consume el GNL regasificado en la instalación, en cualquiera de los dos elementos el fluido de trabajo absorbe calor, constituyendo así el foco caliente del ciclo, en el ciclo Brayton se extrae parte de la energía absorbida por el fluido. El resto de la energía ganada se le extrae en la caldera de recuperación de calor residual, por parte del agua que evoluciona en el ciclo Rankine. Gracias al buen acoplamiento térmico entre ambos ciclos por tener el ciclo Rankine varios niveles de presión no se produce un gran rechazo de calor por parte del gas del ciclo Brayton.

Como fluido de trabajo del ciclo Brayton se puede emplear helio, argón o xenón. El enfriamiento hasta temperaturas subambientales del fluido de trabajo del ciclo Brayton cerrado se realiza por el refrigerante constituido por el gas natural licuado al ser regasificado para su distribución y usos energéticos en plantas de regasificación. Aprovechando de esta manera la energía fría disponible en el GNL en el proceso de regasificación para aumentar el rendimiento de la conversión de energía térmica, en energía eléctrica mediante la planta objeto de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para iniciar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una clara comprensión de las características del invento, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integral de la misma, una figura en la que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se representa lo siguiente:

Figura 1. Esquema de la instalación de ciclo combinado con ciclo Brayton cerrado y Rankine, con calentamiento en homo solar de alta concentración. Enfriamiento subambiental del fluido de trabajo del ciclo de gas y fluido de condensación del ciclo Rankine con GNL.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La planta térmica objeto de la presente invención...

1. CICLO COMBINADO CON CICLO BRAYTON CERRADO, FOCO FRÍO SUBAMBIENTAL, CON FLUIDOS DE TRABAJO DE ELEVADO COEFICIENTE POLITROPICO, caracterizado por que comprende:

a. Un foco caliente por homo solar, por la combustión del propio GNL que se regasifica o ambos sistemas en serie.

b. Un ciclo Brayton cerrado no regenerativo.

c. Una caldera de recuperación de calor para aprovechar el calor desechado del ciclo Brayton y aprovecharlo en el ciclo Rankine.

d. Un ciclo de Rankine funcionando con agua como fluido de trabajo.

e. Un sistema de refrigeración por GNL para enfriar el fluido de trabajo de elevado exponente politrópico (He, Ar o Xe) antes de la entrada al compresor del ciclo Brayton y a continuación enfriar el condensador del ciclo de Rankine.

2. CICLO COMBINADO CON CICLO BRAYTON CERRADO, FOCO FRÍO SUB AMBIENT AL, CON FLUIDOS DE TRABAJO DE ELEVADO COEFICIENTE POLITROPICO, según reivindicación primera, caracterizado por la utilización de helio como fluido de trabajo de elevado exponente politrópico en el ciclo Brayton y a alta temperatura conseguida en el homo solar, y utilización de una muy baja temperatura en el foco frío, lo que eleva de forma sustancial el rendimiento térmico del mismo, gracias a esa gran diferencia de temperaturas entre los focos caliente y frío.

3. CICLO COMBINADO CON CICLO BRAYTON CERRADO, FOCO FRÍO SUBAMBIENTAL, CON FLUIDOS DE TRABAJO DE ELEVADO COEFICIENTE POLITROPICO, según reivindicación primera, caracterizado por la utilización para refrigeración en el foco frío del ciclo Rankine del GNL que se pretende regasificar.