CONJUNTO ALINEADO GENERADOR-TURBINA DE VAPOR-TURBOCOMPRESOR Y PROCEDIMIENTO PARA OPERAR EL MISMO.

Conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) con un generador

(2) de frecuencia variable, una turbina de vapor (3) y un turbocompresor (4) que puede accionarse mediante el generador (2) y la turbina de vapor (3), acoplados formando un conjunto alineado en un eje (5), pudiendo acoplarse eléctricamente el generador (2) a una red eléctrica (6) para alimentar la red y pudiendo conectarse la turbina de vapor (3) a un equipo de aportación de vapor vivo (7) para aportar vapor vivo a la turbina de vapor (3), tal que el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) puede regularse en velocidad de giro variando la alimentación de la red y mediante la aportación de vapor vivo, presentando el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) un convertidor de frecuencia (9), con el que el generador puede acoplarse a la red eléctrica (6) para alimentar la red y siendo regulable la potencia del generador (2), con lo que puede regularse la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) mediante el convertidor de frecuencia

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E07019475.

Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2,80333 MUNCHEN.

Inventor/es: SCHMIDT, OLAF, BERENDT,OLIVER, HAMPEL,JENS,DR.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 4 de Octubre de 2007.

Fecha Concesión Europea: 2 de Junio de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > Adaptaciones de las máquinas o motores para usos... > F01D15/10 (Adaptaciones para accionar o combinaciones con generadores eléctricos)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > F01D19/00 (Arranque de las máquinas o motores; Dispositivos de regulación, control o de seguridad en relación con los órganos de arranque (precalentamiento antes del arranque F01D 25/10; virador o dispositivo de marcha lenta F01D 25/34))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > F01D1/00 (Máquinas o motores con desplazamiento no positivo, p. ej. turbinas de vapor (con flujos del fluido de trabajo en direcciones axialmente opuestas para compensar el empuje axial F01D 3/02; teniendo un movimiento diferente de simple rotación F01D 23/00; turbinas caracterizadas por su empleo en sistemas especiales de vapor, ciclos o procesos, dispositivos para su regulación F01K))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > Adaptaciones de las máquinas o motores para usos... > F01D15/08 (Adaptaciones para accionar o combinaciones con bombas)

Clasificación PCT:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > Adaptaciones de las máquinas o motores para usos... > F01D15/10 (Adaptaciones para accionar o combinaciones con generadores eléctricos)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > F01D19/00 (Arranque de las máquinas o motores; Dispositivos de regulación, control o de seguridad en relación con los órganos de arranque (precalentamiento antes del arranque F01D 25/10; virador o dispositivo de marcha lenta F01D 25/34))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > F01D1/00 (Máquinas o motores con desplazamiento no positivo, p. ej. turbinas de vapor (con flujos del fluido de trabajo en direcciones axialmente opuestas para compensar el empuje axial F01D 3/02; teniendo un movimiento diferente de simple rotación F01D 23/00; turbinas caracterizadas por su empleo en sistemas especiales de vapor, ciclos o procesos, dispositivos para su regulación F01K))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > Adaptaciones de las máquinas o motores para usos... > F01D15/08 (Adaptaciones para accionar o combinaciones con bombas)

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.

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CONJUNTO ALINEADO GENERADOR-TURBINA DE VAPOR-TURBOCOMPRESOR Y PROCEDIMIENTO PARA OPERAR EL MISMO.

Fragmento de la descripción:

Conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor y procedimiento para operar el mismo.

La invención se refiere a un conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor y a un procedimiento para operar el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor.

Un turbocompresor se utiliza por ejemplo en una instalación de aplicación de la industria química. En la instalación existe tradicionalmente energía térmica disponible en forma de vapor de proceso. El vapor del proceso está a disposición en un sistema de vapor de proceso, del que puede tomarse el vapor de proceso para accionar una turbina de vapor. La turbina de vapor se utiliza tradicionalmente para accionar el turbocompresor.

Tradicionalmente se opera el turbocompresor en distintos estados de servicio, que implican distintas velocidades de giro del turbocompresor. Tradicionalmente influye sobre la velocidad de giro del turbocompresor la potencia de accionamiento absorbida por el turbocompresor, siendo tradicionalmente la potencia térmica proporcionada por el sistema de vapor de proceso mayor que la potencia necesaria para accionar el turbocompresor. Este excedente de potencia aumenta cuando desciende el consumo de potencia del turbocompresor.

Tradicionalmente no se utiliza este excedente de potencia o bien se transforma en electricidad en un turbogrupo de vapor levantado adicionalmente en la instalación, compuesto por una turbina de vapor y un generador.

En la figura 2 se muestra un turbogrupo de vapor que representa un generador 101 y una turbina de vapor 102. La turbina de vapor 102 acciona el generador 101 a través de un primer acoplamiento 104. Para accionar la turbina de vapor 102 se lleva a la turbina de vapor 102 vapor vivo procedente de una tubería de vapor vivo 106. La potencia eléctrica generada por el generador 101 se cede a una red eléctrica 107.

Además, con el vapor de la tubería de vapor vivo 106 se acciona otra turbina de vapor 108, que a su vez está acoplada a través de un acoplamiento 105 con un turbocompresor 103 para accionar el mismo. La velocidad de giro del turbocompresor 103 se regula mediante un equipo de realimentación de la velocidad de giro 109, que controla una válvula de vapor vivo 108a. Con ello y prescribiéndose una velocidad de giro previamente determinada para el turbocompresor 103, mediante el equipo de realimentación de la velocidad de giro 109 se controla la válvula de vapor vivo 108a tal que la cantidad de vapor aportada desde la tubería de vapor vivo 106 a la turbina de vapor 108 se ajusta tal que el turbocompresor 103 se regula hasta la velocidad de giro previamente determinada.

Por razones técnicas de proceso y de regulación está diseñada la turbina de vapor 108 sobredimensionada para el accionamiento del turbocompresor 103. La turbina de vapor 108 tiene que aportar, cuando los parámetros de la tubería de vapor vivo 106 son mínimos, una potencia de accionamiento máxima necesaria para el turbocompresor 103. Además, incluso con los parámetros de vapor vivo reducidos, la turbina de vapor 108 tiene que hacer posible el arranque del turbocompresor 103. Por lo tanto, en funcionamiento nominal se carga la turbina de vapor 108 sólo con aprox. un 70% del caudal máximo de vapor. Esto trae como consecuencia que la turbina de vapor 108 funciona la mayoría del tiempo de servicio con la válvula de vapor vivo 108a con estrangulamiento. Debido a ello el rendimiento de la turbina de vapor 108 se encuentra muy por debajo de su rendimiento máximo.

Mediante la turbina de vapor 102 y el generador 101, se transforma en electricidad la energía del vapor vivo excedente disponible en la tubería de vapor vivo 106. No obstante, es complejo y costoso prever adicionalmente la turbina de vapor 102 y el generador 106 en la instalación.

En la figura 3 se muestra un conjunto alineado tradicional, que presenta un generador 101, una turbina de vapor 102 y un turbocompresor 103. La turbina de vapor 102 se alimenta con el vapor vivo procedente de una tubería de vapor vivo 106 y está acoplada mediante un acoplamiento 104 con el generador 101 y mediante un acoplamiento 105 con el turbocompresor 103, para accionar los mismos.

La potencia eléctrica generada en el generador 101 se cede a una red eléctrica 107. El turbocompresor 103 funciona con una velocidad de giro constante.

La turbina de vapor 102 funciona con estrangulamiento tanto para carga nominal como para carga parcial, por las razones antes citadas, con lo que el rendimiento de la turbina de vapor 102 igualmente se encuentra por debajo de su óptimo de rendimiento. Además, no existe ninguna posibilidad de regular el turbocompresor 103 mediante la velocidad de giro, lo cual da lugar a una pérdida de rendimiento del proceso completo.

En el documento JP 58005407 A se describe un conjunto alineado compuesto por una turbina de vapor, un motor y una turbomáquina, estando conectado el motor eléctricamente a una red eléctrica. El motor está realizado como motor asíncrono y se utiliza como motor auxiliar para arrancar el conjunto alineado. Si al arrancar el motor se ha alcanzado el 100% de la velocidad de giro síncrona, se utiliza el motor como generador, con el que se cede potencia eléctrica a la red eléctrica. En el documento JP 62 099602 A se indica una bomba de aceite 12 accionada por una turbina de vapor 9 con velocidad de giro regulada. En el documento WO 2006/084809 A se describe una turbina de expansión con la que se acciona un generador. El generador está conectado eléctricamente a través de un convertidor de frecuencia con una red. El convertidor de frecuencia está previsto para un funcionamiento como motor eléctrico y asíncrono respecto a la red del generador al arrancar la turbina de expansión. En otro ramal está previsto un turbocompresor formado por un turbogrupo de gas, un generador y el turbocompresor.

Es tarea de la invención lograr un conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor, así como un procedimiento para operar el mismo, en el que el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor tenga un elevado rendimiento, una buena posibilidad de regulación y reducidos costes de inversión.

El conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor correspondiente a la invención presenta un generador de frecuencia variable, una turbina de vapor y un turbocompresor que puede accionarse mediante el generador y la turbina de vapor, acoplados conjuntamente para formar una conjunto alineado en un eje, pudiendo acoplarse eléctricamente el generador a una red eléctrica para alimentar la red y pudiendo conectarse la turbina de vapor a una tubería de entrada de vapor vivo para aportar vapor vivo a la turbina de vapor, con lo que puede regularse la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor variando la alimentación de la red y mediante la aportación de vapor vivo, presentando el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor un convertidor de frecuencia, con el que puede acoplarse el generador a la red eléctrica para la alimentación eléctrica de la red y puede regularse la potencia del generador, con lo que el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor puede regularse en velocidad de giro mediante el convertidor de frecuencia.

El procedimiento correspondiente a la invención para operar el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor presenta las siguientes etapas:

preparación del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor; variación de la alimentación de la red del generador y/o variación de la aportación de vapor vivo a la turbina...

 


Reivindicaciones:

1. Conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) con un generador (2) de frecuencia variable, una turbina de vapor (3) y un turbocompresor (4) que puede accionarse mediante el generador (2) y la turbina de vapor (3), acoplados formando un conjunto alineado en un eje (5), pudiendo acoplarse eléctricamente el generador (2) a una red eléctrica (6) para alimentar la red y pudiendo conectarse la turbina de vapor (3) a un equipo de aportación de vapor vivo (7) para aportar vapor vivo a la turbina de vapor (3), tal que el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) puede regularse en velocidad de giro variando la alimentación de la red y mediante la aportación de vapor vivo, presentando el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) un convertidor de frecuencia (9), con el que el generador puede acoplarse a la red eléctrica (6) para alimentar la red y siendo regulable la potencia del generador (2), con lo que puede regularse la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) mediante el convertidor de frecuencia.

2. Conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) según la reivindicación 1,

en el que la turbina de vapor (3) presenta una válvula de vapor vivo (8) para aportar el vapor vivo desde el equipo de aportación de vapor vivo (7) a la turbina de vapor (3), pudiendo regularse con la válvula de vapor vivo (8) la aportación de vapor vivo, con lo que puede regularse la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) mediante la válvula de vapor vivo (8).

3. Conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) según la reivindicación 1 ó 2,

en el que el generador (2) puede funcionar tanto como generador como también como motor de accionamiento.

4. Conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3,

en el que el generador (2) es un generador de alta velocidad de giro.

5. Procedimiento para operar un conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 4, que presenta las etapas:

- preparar el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1);
- variar la alimentación de la red mediante el generador (2) y variar la aportación de vapor vivo a la turbina de vapor (3) para regular la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1);
- preparar el conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1) con el convertidor de frecuencia (9);
- variar la potencia del generador (2) con el convertidor de frecuencia (9) para regular la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1).

6. Procedimiento según la reivindicación 5, con las etapas:

- preparar la turbina de vapor (3) con la válvula de vapor vivo (8);
- variar la posición de la válvula de vapor vivo (8) para regular la velocidad de giro del conjunto alineado generador-turbina de vapor-turbocompresor (1);
- en funcionamiento normal: operar la turbina de vapor (3) con la válvula de vapor vivo (8) totalmente abierta.

7. Procedimiento según la reivindicación 5 ó 6, con las etapas:

- preparar el generador (2) para funcionar tanto en servicio como generador como también en servicio como motor de accionamiento;
- en funcionamiento en arranque: operar el generador (2) en servicio como motor de accionamiento.