Procedimiento para hacer funcionar un grupo de turbinas de gas.

Procedimiento para el funcionamiento de un grupo de turbinas de gas, en el que: se comprime un medio de trabajo

(11) en por lo menos un compresor, (1, 1a, 1b); el medio de trabajo comprimido (13,13a) se calienta en por lo menos una pieza constructiva para la aportación de calor (2a) mediante aportación de una cantidad de calor a una temperatura de entrada en la turbina; el medio de trabajo (15,15a,15b) es despresurizado en por lo menos una turbina (3,3a, 3b); al efectuarse la despresurización del medio de trabajo se produce una potencia en el árbol; por lo menos una primera parte de la potencia en el árbol se utiliza para la propulsión del compresor; y una parte de la potencia del árbol que sobrepasa a la primera parte se utiliza como potencia útil (PACT) para la propulsión de un dispositivo consumidor de potencia (5) siendo ajustable la potencia a plena carga (PVL) del grupo de turbinas de gas mediante el enfriamiento del medio de trabajo antes de o durante el proceso de compresión con una potencia de enfriamiento; y siendo regulada la potencia útil real (PACT) del grupo de turbinas de gas a una potencia útil nominal; caracterizado por que la potencia de enfriamiento es ajustada de tal manera que la potencia a plena carga actual (PVL) es mayor que la potencia útil real (PACT), de tal manera que el grupo de turbinas de gas se hace funcionar con una potencia relativa real (PREL), referida a la potencia a plena carga actual (PVL), de menos que 100 % y porque a unas rápidos demandas de potencia se reacciona prácticamente sin retraso inmediatamente mediante una elevación de la aportación de calor al medio de trabajo comprimido.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2004/050086.

Solicitante: ALSTOM TECHNOLOGY LTD.

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: BROWN BOVERI STRASSE 7 5400 BADEN SUIZA.

Inventor/es: HOFFMANN, JURGEN, MCKAY,TOM ALEXANDER ODIN, KURZ,NIKOLAUS HERBERT, SPITZMUELLER,TOBIAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES... > PLANTAS MOTRICES DE TURBINAS DE GAS; TOMAS DE AIRE... > Características, partes constitutivas, detalles... > F02C7/143 (antes o entre las etapas del compresor)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES... > PLANTAS MOTRICES DE TURBINAS DE GAS; TOMAS DE AIRE... > Control de las plantas motrices de turbinas de gas;... > F02C9/28 (Sistemas de regulación que responden a parámetros establecidos o de ambiente, p. ej. temperatura, presión, velocidad del rotor (F02C 9/30 - F02C 9/38, F02C 9/44 tienen prioridad))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES... > PLANTAS MOTRICES DE TURBINAS DE GAS; TOMAS DE AIRE... > Características, partes constitutivas, detalles... > F02C7/057 (Control o regulación (conjuntamente con el control de alimentación de combustible F02C 9/50, con el control en el área de la tobera F02K 1/16))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES... > PLANTAS MOTRICES DE TURBINAS DE GAS; TOMAS DE AIRE... > Control de las plantas motrices de turbinas de gas;... > F02C9/54 (por estrangulamiento del fluido energético, regulando las paletas o álabes)

PDF original: ES-2547641_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento para hacer funcionar un grupo de turbinas de gas

Campo técnico

El presente invento se refiere a un procedimiento para hacer funcionar un grupo de turbinas de gas de acuerdo con el concepto de prefacio de la reivindicación 1.

Estado de la técnica

A partir del documento de patente de los EE.UU. US 5.353.585 se ha conocido un procedimiento para incorporar dentro de la corriente de aire de aspiración el agua que ha sido nebulizada delante del compresor de un grupo de turbinas de gas. Mediante un enfriamiento por evaporación, aumentan la densidad del aire de aspiración y, por consiguiente, el caudal másico de los medios de trabajo así como la potencia conseguible como máximo del grupo de turbinas de gas.

En el documento US 6.216.443 se propone inyectar el agua de tal manera que entren en el compresor unas gotas de líquido. Las gotas se evaporan dentro del compresor, durante el proceso de compresión, lo cual conduce a un intenso enfriamiento interno del compresor. Junto al efecto elevador del caudal másico que presenta el enfriamiento por evaporación delante del compresor, se disminuye de esta manera también la absorción de potencia por el compresor y se disminuye la temperatura final del compresor, con lo que en una cámara de combustión subsiguiente se puede quemar más intensamente. En la suma resulta a partir de ello un aumento de la potencia máxima conseguible del grupo de turbinas de gas, que está limitado ciertamente en primer término por el caudal másico del medio de trabajo y por la temperatura admisible de entrada en las turbinas.

A partir del documento US 6.012.279 es conocido por lo demás inyectar un líquido entre dos compresores parciales. Esto da lugar asimismo a un enfriamiento del medio de trabajo, por un lado, entre las etapas de compresión en los compresores parciales primero y segundo y, por otro lado, también durante la segunda etapa de compresión.

La inyección de un líquido en un compresor es ilustrada actualmente en el mundo técnico con diferentes conceptos tales como "High Fogging = alto empañamiento", "Overfogging = empañamiento superior", "Wet Compression = compresión en húmedo", "Overspray Cooling = enfriamiento por pulverización superior". Queda por comprobar que los efectos positivos son de por sí ya son conocidos desde hace mucho tiempo en cualquier caso, tal como lo muestra por ejemplo el documento de patente francesa FR 1.563.749. La evaporación de un líquido en el medio de trabajo durante la compresión ofrece, al mismo tiempo que un gasto en aparatos comparativamente pequeño, una aproximación muy buena a una compresión isotérmica.

Para efectuar el enfriamiento del medio de trabajo, se conoce por lo demás la utilización de unos intercambiadores de calor como dispositivos enfriadores intermedios, o también la utilización de unas máquinas frigoríficas para enfriar el aire de aspiración.

Los dispositivos enfriadores intermedios en compresores se hacen funcionar con frecuencia con pleno rendimiento de enfriamiento en toda la zona de funcionamiento. Los modernos grupos de turbinas de gas funcionan entonces en amplios intervalos de carga muy lejos del punto de dimensionamiento que de por si es favorable.

El documento US 6.216.443 propone poner en funcionamiento la inyección de un líquido tan sólo cuando el grupo de turbinas de gas se hace funcionar ya a plena carga sin inyección de agua, y la potencia nominal siempre es todavía más alta que la potencia útil que se entrega en realidad. Esto quiere decir que el grupo de turbinas de gas propiamente dicho se hace funcionar con el máximo caudal volumétrico de entrada del compresor, y que la temperatura de entrada en la turbina está en el valor máximamente admisible. Para el aumento ulterior de la potencia, se utiliza el enfriamiento del medio de trabajo mediante la inyección de un líquido en el compresor. De acuerdo con el procedimiento que allí se propone, en primer lugar se determina y se inyecta el necesario caudal másico del agua para inyección en función de la potencia útil que se ha de aportar adicionalmente. Por consiguiente el grupo de turbinas de gas se aparta del punto a plena carga y la aportación del material combustible se aumenta sucesivamente hasta que el grupo de turbinas de gas trabaje nuevamente en funcionamiento a plena carga, es decir con una temperatura de entrada en la turbina máximamente admisible y eventualmente estando completamente abierta la fila de lamas dirigibles previamente.

Sin embargo, en la práctica se pone de manifiesto que pueden transcurrir alrededor de 0, 5 a 2 segundos hasta que las gotas de agua hayan llegado desde el sitio de la inyección hasta la entrada en el compresor. Asimismo, al mismo tiempo, en el caso de los mecanismos de regulación y control que con frecuencia se usan en los grupos de turbinas de gas, los períodos de tiempo de circulación de los componentes retrasan a la determinación de las modificaciones de la temperatura que se ocasionan mediante la inyección de agua, y por consiguiente también el efecto de las

mismas sobre la aportación del material combustible. Se muestra, por lo tanto, que la inyección de agua es eficaz solamente de un modo retardado. Asimismo, no es realizable una conexión adicional arbitrariamente rápida ni tampoco un aumento de la cantidad de agua inyectada. A esto se añade el hecho de que los tiempos muertos y los tiempos de retardo de un tramo de regulación, que más arriba se han descrito, disminuyen la estabilidad de un circuito de regulación, de tal manera que se disminuye grandemente la velocidad de reacción que es posible. En resumen, por lo tanto, la utilización de unas medidas técnicas para el enfriamiento del medio de trabajo durante la compresión, y en especial la inyección de agua delante del compresor, no no son utilizables ilimitadamente para obtener rápidos aumentos de la potencia.

A partir del documento US-B1-6.357.236 se conocen una turbina de gas, una central energética combinada y un compresor, en cuyos casos corriente arriba del compresor está previsto un dispositivo para la inyección de gotitas de un líquido, que se utiliza para el enfriamiento del aire de aspiración. Con el fin de elevar la potencia siempre en primer lugar se aumenta el enfriamiento del aire de aspiración y tan sólo a continuación se aumenta la cantidad de material combustible. De esta manera, es limitada a su vez la velocidad de reacción al efectuar la adaptación de la potencia.

El documento de solicitud de patente de los EE.UU. US-A1-2002/0139105 describe en términos generales la elevación de la potencia (en inglés "power augmentation") de una turbina de gas mediante la inyección de agua en el canal de aspiración del compresor. También en este caso, la reacción de la instalación a unas demandas de potencia modificadas es determinada por medio del enfriamiento del aire de aspiración.

Exposición del invento El invento desea proporcionar remedio a esto. El invento caracterizado en las reivindicaciones se basa en la misión de presentar un procedimiento del tipo mencionado al comienzo, que evite las desventajas del estado de la técnica. El procedimiento debe de hacer posible en particular reaccionar, desde muy rápidamente hasta de un modo prácticamente sin retraso, a las demandas de potencia que se establecen para un grupo de turbinas de gas, que propiamente están situadas por encima de su potencia a plena carga de base. Por el concepto de la "potencia a plena carga de base" del grupo de turbinas de gas hay que entender en este contexto la potencia útil, que es capaz de aportar el grupo de turbinas de gas en las respectivas condiciones del medio ambiente, teniendo una gran influencia precisamente la temperatura del medio ambiente y la presión del medio ambiente, sin... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para el funcionamiento de un grupo de turbinas de gas, en el que: se comprime un medio de trabajo (11) en por lo menos un compresor, (1, 1a, 1b) ; el medio de trabajo comprimido (13, 13a) se calienta en por lo menos una pieza constructiva para la aportación de calor (2a) mediante aportación de una cantidad de calor a una temperatura de entrada en la turbina; el medio de trabajo (15, 15a, 15b) es despresurizado en por lo menos una turbina (3, 3a, 3b) ; al efectuarse la despresurización del medio de trabajo se produce una potencia en el árbol; por lo menos una primera parte de la potencia en el árbol se utiliza para la propulsión del compresor; y una parte de la potencia del árbol que sobrepasa a la primera parte se utiliza como potencia útil (PACT) para la propulsión de un dispositivo consumidor de potencia (5) siendo ajustable la potencia a plena carga (PVL) del grupo de turbinas de gas mediante el enfriamiento del medio de trabajo antes de o durante el proceso de compresión con una potencia de enfriamiento; y siendo regulada la potencia útil real (PACT) del grupo de turbinas de gas a una potencia útil nominal; caracterizado por que la potencia de enfriamiento es ajustada de tal manera que la potencia a plena carga actual (PVL) es mayor que la potencia útil real (PACT) , de tal manera que el grupo de turbinas de gas se hace funcionar con una potencia relativa real (PREL) , referida a la potencia a plena carga actual (PVL) , de menos que 100 % y porque a unas rápidos demandas de potencia se reacciona prácticamente sin retraso inmediatamente mediante una elevación de la aportación de calor al medio de trabajo comprimido.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la potencia a plena carga es definida como la potencia útil, en cuyo caso por lo menos uno de los parámetros temperatura del proceso y presión del proceso, en el caso de un caudal volumétrico de entrada máximo del compresor, está en un valor máximo admisible.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la potencia a plena carga es definida como la potencia útil, en cuyo caso todas las temperaturas de entrada en la turbina, en el caso de un caudal volumétrico de entrada máximo del compresor, han alcanzado un valor límite máximamente admisible.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado por que el caudal volumétrico de entrada es determinado mediante la posición (IGV) de una fila de lamas dirigibles rápidamente (22) del compresor.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado por que el compresor aspira aire del medio ambiente, y la potencia a plena carga se calcula a partir de una potencia de referencia (PISO) , de la presión del aire del medio ambiente, de la temperatura del aire del medio ambiente, de la humedad del aire del medio ambiente y de la potencia de enfriamiento.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado por que el compresor aspira aire del medio ambiente, y la potencia a plena carga se calcula a partir de una potencia de referencia (PISO) , de la presión del aire de aspiración, de la temperatura del aire de aspiración y de la potencia de enfriamiento.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado por que la potencia de enfriamiento se regula de tal manera que una magnitud característica de funcionamiento, que es apropiada para la descripción del punto de funcionamiento del grupo de turbinas de gas en relación con un punto de funcionamiento a plena carga, que se aprovecha como magnitud de guía de la regulación, se regula a un valor objetivo o dentro de un intervalo objetivo.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que la magnitud de guía se mantiene en torno al valor objetivo por variación de la potencia de enfriamiento en funcionamiento estacionario dentro de una banda muerta.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que la potencia relativa se aprovecha como magnitud de guía de la regulación.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que una distancia de la potencia útil real con respecto de la potencia a plena carga actual se aprovecha como magnitud de guía de la regulación.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que la posición de una fila ajustable de lamas dirigibles previamente se aprovecha como magnitud de guía.

12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que una presión de entrada en la turbina se aprovecha como magnitud de guía para la regulación.

13. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 hasta 12, caracterizado por que, en el caso de una modificación de la potencia útil nominal, la potencia real se modifica con un primer gradiente de potencia desviándose la magnitud de guía desde su valor nominal o abandonando su intervalo objetivo, y mediante un ajuste

de la potencia de enfriamiento se modifica la potencia a plena carga con un segundo gradiente de potencia, de tal manera que la magnitud de guía se regula de nuevo al valor objetivo o en el intervalo nominal, siendo el segundo gradiente de potencia más pequeño que el primer gradiente de potencia.

14. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado por que la potencia de enfriamiento se ajusta mediante la modificación de un caudal másico de líquido (K, K, 1, K, 2) incorporado en el medio de trabajo antes de o durante el proceso de compresión.

15. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado por que se aprovecha, como medida para la potencia de enfriamiento, un caudal másico de líquido (K, K, 1, K, 2) introducido en un dispositivo de inyección (4, 4a, 4b) .