PROCEDIMIENTO QUE USA UN SISTEMA DE COGENERACIÓN CON UN SISTEMA AUXILIAR DE AIRE ENRIQUECIDO EN OXÍGENO.

Un procedimiento que usa un sistema (100) de cogeneración que incluye:

- un motor de turbina (5) de gas y una chimenea principal (70); - un horno (50) que incluye una cámara (50b) de combustión y un quemador (50a) de conducto conectado a un suministro de combustible (F); y - al menos un intercambiador de calor (20), formando dicho horno (50) y dicho intercambiador de calor (20) un generador de vapor de recuperación de calor; haciéndose funcionar dicho sistema (100) de cogeneración bien en modo de cogeneración, en el que se hace funcionar dicho motor de turbina (5) de gas, o bien en modo de aire fresco, en el que se desconecta dicho motor de turbina (5) de gas, dicho generador de vapor de recuperación de calor (20, 50) se hace funcionar usando una fuente de combustible alternativa y dicho horno (50) proporciona una fuente alternativa (25d) de gas caliente para generación de vapor, comprendiendo adicionalmente dicho modo de aire fresco las siguientes etapas: - mezclar una primera corriente de gas de escape (25a) con una corriente (A) de aire fresco, de modo que se forma una primera mezcla (25b); - se inyecta dicha primera mezcla (25b), junto con una corriente de combustible (F) y una corriente de gas enriquecido en oxígeno (0 2), a dicho quemador (50a) de conducto; - mezclar y quemar dicha primera mezcla (25b) con dicha corriente de combustible (F) y dicha corriente de gas enriquecida en oxígeno (0 2), de modo que se forma una segunda corriente de gas de escape (25d), produciéndose sustancialmente el mezclado y la combustión en dicha cámara (50b) de combustión y produciéndose posiblemente algo de mezclado y combustión en dicho quemador (50a) de conducto; - extraer energía calorífica de dicha segunda corriente de gas de escape (25d) en dicho intercambiador (20) de calor para producir vapor; y -dividir dicha segunda corriente de gas de escape (25d) al menos en dicha primera corriente de gas de escape (25a) y una tercera corriente de gas de escape (25e), siendo liberada dicha tercera corriente de gas de escape (25e) a la atmósfera en dicha chimenea principal (70)

Antecedentes

La comunidad para la investigación y el desarrollo de la generación de energía se enfrenta a un importante reto en los años venideros: producir mayores cantidades de energía con unas restricciones cada vez más rigurosas de mayor eficiencia y menor contaminación. Los mayores costes asociados al combustible en los últimos años enfatizan adicionalmente esta exigencia.

Las turbinas de gas ofrecen ventajas significativas para la generación de energía porque son compactas, ligeras, fiables y eficientes. Son capaces de un arranque rápido, siguen bien la carga momentánea, y se pueden hacer funcionar a distancia o se pueden dejar desatendidas. Las turbinas de gas tienen vida de servicio prolongada, intervalos de servicio prolongados, y costes de mantenimiento bajos. Habitualmente no se requieren fluidos refrigerantes. Estas ventajas dan como resultado un amplio catálogo de motores de turbina de gas para generación de energía. Una instalación básica de turbina de gas incluye un compresor para introducir y comprimir un gas de trabajo (habitualmente aire), un combustor donde se mezcla un combustible (es decir, metano, propano, o gas natural) con aire comprimido y a continuación se quema la mezcla para añadir energía a la misma, y una turbina para extraer la energía mecánica de los productos de combustión. La turbina se acopla a un generador para convertir la energía mecánica generada por la turbina en electricidad.

Una característica de los motores de turbina de gas es el incentivo de que funcionan a una temperatura de entrada a la turbina tan alta como permita la tecnología vigente. Este incentivo se deriva del beneficio directo tanto de la potencia de salida específica como de la eficiencia del ciclo. Con la alta temperatura de entrada se asocia una alta temperatura de escape que, si no se utiliza, representa calor excedente que se disipa a la atmósfera. En las aplicaciones industriales de las turbinas de gas están extendidos los sistemas para capturar este calor excedente a alta temperatura.

Ejemplos de sistemas de este tipo son los sistemas de cogeneración y sistemas de ciclo combinado. En ambos sistemas, se colocan uno o más intercambiadores de calor en el conducto de escape de la turbina para transferir el calor al agua de alimentación que circula por los intercambiadores para transformar el agua de alimentación en vapor. En el sistema de ciclo combinado, el vapor se usa para producir energía adicional usando una turbina de vapor. En el sistema de cogeneración, el vapor se transporta y se usa como fuente de energía para otras aplicaciones (habitualmente se denomina vapor de proceso).

El documento EP0884468 A2 describe un sistema de ciclo combinado.

Un sistema de cogeneración de la técnica anterior incluye típicamente un motor de turbina de gas, un generador, y un generador de vapor de recuperación de calor. Como se ha descrito anteriormente, el motor de turbina de gas incluye un compresor, un combustor (con suministro de combustible) y una turbina. El compresor funciona transfiriendo impulso al aire por la vía de un rotor de gran velocidad. La presión del aire se aumenta mediante el cambio en magnitud y radio de los componentes de la velocidad del aire cuando pasa por el rotor. Termodinámicamente hablando, el compresor transfiere al aire energía mecánica, que se suministra haciendo girar un eje acoplado al rotor, aumentando la presión y la temperatura del aire. Un combustor funciona mezclando combustible con el aire comprimido, encendiendo la mezcla combustible/aire para añadir a la misma energía calorífica primaria. Una turbina funciona de manera esencialmente opuesta con relación al compresor. La turbina expande los productos de combustión calientes y a presión a través de un rotor de álabes acoplado al eje, de modo que extrae energía mecánica de los productos de combustión. Los productos quemados se expulsan a un conducto. Se bombea agua de alimentación a través del generador de vapor situado en el conducto en el que se evapora a vapor. Por medio de este proceso se recoge la energía útil del gas de escape de la turbina. El gas de escape de la turbina se expulsa a la atmósfera por una chimenea.

Debido a la desregulación del mercado de la energía y la volatilidad en los precios de la energía, muchos operadores de cogeneración prefieren tener la opción de desconectar la instalación de la turbina al tiempo que conservan la capacidad de generación de vapor del sistema de cogeneración (lo que se conoce como funcionamiento en modo de aire fresco). Para facilitar el funcionamiento en este modo de aire fresco, se dispone un horno en el conducto de escape. El horno proporciona una fuente alternativa de gas caliente para generación de vapor. Para aumentar la eficiencia del modo de aire fresco, una porción de gas de escape se puede recircular al horno. Generalmente, la eficiencia del modo de aire fresco aumenta con el aumento en la tasa de recirculación del gas de escape. La energía calorífica perdida por la chimenea también disminuye con el aumento de la tasa de recirculación del gas de escape. Sin embargo, con el aumento de la tasa de recirculación del gas de escape, la concentración de oxígeno a la entrada del horno disminuye, lo cual eventualmente afecta adversamente a la estabilidad de la combustión (de la mezcla en el horno) y genera contaminantes. Así, es problemático mantener la combustión estable a tasas de recirculación altas del gas de escape.

Sumario

Las realizaciones de la presente invención se refieren generalmente a un sistema de recirculación de gas de escape que mantiene una concentración de oxígeno deseada para combustión estable a mayores tasas de recirculación. En un aspecto se proporciona un procedimiento para generar energía calorífica. El procedimiento incluye las acciones de mezclar una primera corriente de gas de escape con una corriente de aire fresco, de modo que se forma una mezcla; inyectar la mezcla, una corriente de combustible, y una corriente de gas enriquecido en oxígeno en un quemador; mezclar y quemar esta mezcla con la corriente de combustible y la corriente de gas enriquecido en oxígeno, de modo que se forma una segunda corriente de gas de escape; y dividir la segunda corriente del gas de escape al menos en la primera corriente de gas de escape y una tercera corriente del gas de escape.

En otra realización que no forma parte de la invención, se proporciona un generador de vapor. El generador de vapor incluye un conducto principal; un horno en comunicación fluida con el conducto principal. El horno incluye una cámara de combustión que tiene un primer extremo axial y un segundo extremo axial; y un quemador situado próximo al primer extremo axial. El generador de vapor incluye además un intercambiador de calor que tiene una primera cámara separada físicamente de una segunda cámara y en comunicación térmica con ella, la primera cámara ya sea en comunicación fluida con el conducto principal o formando parte del conducto principal, la primera cámara en comunicación térmica con el segundo extremo axial de la cámara de combustión. El generador de vapor incluye además un sistema de recirculación. El sistema de recirculación incluye un primer regulador desviador en comunicación fluida con la primera cámara del intercambiador de calor y un conducto de reciclado; el conducto de reciclado en comunicación fluida con el regulador desviador y un regulador de mezclado; y el regulador de mezclado en comunicación fluida con el conducto principal y el aire fresco. El generador de vapor incluye además un sistema de enriquecimiento en oxígeno. El sistema de enriquecimiento en oxígeno incluye una fuente de gas enriquecido en oxígeno en comunicación fluida con el quemador por la vía de una tubería de oxígeno.

En un aspecto un procedimiento para generar energía calorífica usando un sistema de cogeneración que incluye un motor de turbina de gas y un sistema de generación de vapor, en el que el procedimiento incluye las acciones de hacer funcionar el sistema de cogeneración en un primer modo en el que el motor de turbina de gas se hace funcionar para producir energía; y haciendo funcionar el sistema de cogeneración en un segundo modo en el que se desactiva el motor de turbina de gas y se hace funcionar el sistema de generación de vapor para generar energía. El funcionamiento en el modo segundo incluye las acciones de hacer que fluya una mezcla combustible a una unidad de ignición a fin de quemar la mezcla combustible y producir gas de escape; introducir una porción recirculada del gas de escape en una ubicación del sistema de generación de vapor aguas... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento que usa un sistema (100) de cogeneración que incluye:

- un motor de turbina (5) de gas y una chimenea principal (70);

- un horno (50) que incluye una cámara (50b) de combustión y un quemador (50a) de conducto conectado a un suministro de combustible (F); y

- al menos un intercambiador de calor (20), formando dicho horno (50) y dicho intercambiador de calor (20) un generador de vapor de recuperación de calor;

haciéndose funcionar dicho sistema (100) de cogeneración bien en modo de cogeneración, en el que se hace funcionar dicho motor de turbina (5) de gas, o bien en modo de aire fresco, en el que se desconecta dicho motor de turbina (5) de gas, dicho generador de vapor de recuperación de calor (20, 50) se hace funcionar usando una fuente de combustible alternativa y dicho horno (50) proporciona una fuente alternativa (25d) de gas caliente para generación de vapor, comprendiendo adicionalmente dicho modo de aire fresco las siguientes etapas:

- mezclar una primera corriente de gas de escape (25a) con una corriente (A) de aire fresco, de modo que se forma una primera mezcla (25b);

- se inyecta dicha primera mezcla (25b), junto con una corriente de combustible (F) y una corriente de gas enriquecido en oxígeno (02), a dicho quemador (50a) de conducto;

- mezclar y quemar dicha primera mezcla (25b) con dicha corriente de combustible (F) y dicha corriente de gas enriquecida en oxígeno (02), de modo que se forma una segunda corriente de gas de escape (25d), produciéndose sustancialmente el mezclado y la combustión en dicha cámara (50b) de combustión y produciéndose posiblemente algo de mezclado y combustión en dicho quemador (50a) de conducto;

- extraer energía calorífica de dicha segunda corriente de gas de escape (25d) en dicho intercambiador (20) de calor para producir vapor; y

- dividir dicha segunda corriente de gas de escape (25d) al menos en dicha primera corriente de gas de escape (25a) y una tercera corriente de gas de escape (25e), siendo liberada dicha tercera corriente de gas de escape (25e) a la atmósfera en dicha chimenea principal (70).

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que

la corriente de combustible (F) se inyecta a través de una boquilla (310f); y

la corriente de gas enriquecido en oxígeno (O2) se inyecta a través de una boquilla (310º) que se sitúa próxima a la boquilla de combustible (310f).

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el control del caudal de la corriente de gas enriquecido en oxígeno (O2) se hace para enriquecer solamente una porción de la mezcla próxima a la boquilla de combustible (310f).

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el control del caudal de la corriente de gas enriquecido en oxígeno (O2) se hace para mantener una concentración de oxígeno predeterminada solamente en un volumen próximo a una llama encendida del combustible.

5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que el volumen tiene una longitud (Lo), la llama tiene una longitud (Lf), y la relación (Lo/Lf) de la longitud del volumen (Lo) a la longitud de llama (Lf) oscila desde tres décimas a la unidad.

6. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que el espesor máximo (X) del volumen oscila desde cinco hasta veinte centímetros.