Sistema que comprende un circuito hidráulico (1, 28, 32) que contiene y conecta:

- al menos un cuerpo de la turbina (4, 35);

- un turbocompresor (12, 44) que comprime parte o la totalidad del fluido de trabajo;

- unos ramales (8, 11, 15 ,19, 33, 39) por los que circula fluido de trabajo;

- intercambiadores de calor (20, 29, 41, 47);

- un depósito (16) que contiene fluido de trabajo en estado líquido;

- un refrigerador, que puede coincidir con el foco frío (23) de la central;

- válvulas de corte (3, 7 ,9, 22, 34, 38, 40, 49), de regulación (18, 52), divisores (10) y bombas (17, 24, 25, 51) en el circuito hidráulico y en los diversos ramales.

El sistema actúa para que, durante la parada de la central, la turbina trabaje en una carga de consigna y no sufra pérdida de vida por fatiga.

Sistema de prolongación de la vida de las turbinas de plantas termosolares.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de las centrales térmicas cuya principal fuente térmica es la radiación solar, concentrada por algunos de los posibles modos de concentración óptica y, particularmente, mediante campos de colectores cilindro-parabólicos con tubo absorbedor en el eje focal, o mediante espejos de concentración de la radiación sobre un colector central ubicado en una torre. Estas centrales están dedicadas a la generación de electricidad, o de energía mecánica de rotación, mediante un ciclo termodinámico, y suelen usar un ciclo tipo Rankine, con un vapor que se condensa en el foco frío del ciclo, o un ciclo tipo Joule-Brayton, con un gas que no se condensa, como fluido de trabajo.

En concreto, la invención se refiere a los dispositivos que se deben incluir en la central termosolar, al modo en que se tienen que estructurar y a un modo de funcionamiento que permita reducir el esfuerzo a fatiga al que están sometidos los componentes de la turbina (o las turbinas) de la central a causa de los arranques y las paradas que experimentan diariamente este tipo de centrales debido a que la fuente térmica no se encuentra disponible por la noche.

En particular la invención tiene en cuenta la variación horaria de la potencia de la irradiación solar y la pertinencia, por tanto, de disponer de un almacenamiento térmico. Este almacenamiento puede ser de diversos tipos, pero en todo caso estará alimentado con el excedente de energía solar que se capta en determinados momentos del día cuando la energía total captada es mayor que la energía requerida para el funcionamiento de la planta. La finalidad del almacenamiento es que la central pueda trabajar, incluso en condiciones cercanas a las nominales, durante períodos de tiempo con escasa radiación solar y/o en ausencia de ésta. No obstante, el almacenamiento nunca cubrirá las necesidades para que la central esté trabajando las 24 horas del día, por lo que será necesario parar la producción diariamente. Asimismo, la invención tiene en cuenta la naturaleza tanto mecánica como térmica de las solicitaciones que causan los esfuerzos de fatiga en las turbinas y que reducen su vida operativa.

Con la invención se pretende minimizar el efecto que producen los esfuerzos a fatiga a los que está sometida la turbina, haciéndola trabajar en una carga de consigna mínima empleando una serie de sistemas, distintos de los empleados en la operación normal de la central. Estos sistemas, que necesariamente demandan energía para su funcionamiento, se alimentan, en términos energéticos, de la energía acumulada en el sistema de almacenamiento. Aunque no será lo deseable, en caso de necesitarse un aporte adicional de energía eléctrica, ésta podría tener lugar en horas valle de consumo, con las ventajas que eso conlleva desde el punto de vista de la red de distribución de energía eléctrica. Asimismo, si la central consta de cierta hibridación, de apoyo a la energía solar captada, con aporte de calor mediante una fuente fósil o de biomasa, en caso de necesitar para los sistemas de prolongación de vida un aporte adicional de energía, éste se podría obtener de dicha hibridación.

Antecedentes de la invención y Problema técnico a resolver

La invención pretende solucionar los previsibles problemas o daños que las turbinas pueden sufrir debido a los esfuerzos de fatiga que conllevan los arranques y las paradas diarias así como las variaciones de potencia que experimentan este tipo de centrales a lo largo de su operación diaria. En la actualidad, solo existen plantas de pequeña o mediana potencia, de demostración o enfocadas al desarrollo de la tecnología termosolar, en las que la vida de los componentes de la central no ha sido el objetivo primordial del diseño. Por tal motivo, no existen antecedentes conocidos de dispositivos específicos comercialmente explotados que pretendan minimizar el impacto de las cargas cíclicas a las que van a estar sometidas este tipo de centrales.

En el estado de la técnica se conocen diversos desarrollos para combatir o predecir el efecto de la fatiga en turbomáquinas, si bien no se conocen otras referencias similares en el sentido de las que se proponen en la presente invención. Así, por ejemplo, el documento US 7419361 B1 describe una serie de álabes que pueden añadirse en determinadas etapas de una turbina de gas con objeto de reducir la fatiga de la turbina. Por otro lado, el documento CA 2604118 A1 plantea un método para pronosticar la vida restante de una turbina en base a diversos parámetros de funcionamiento. Éstos y otros ejemplos muestran diversos campos de actuación en los que se han venido trabajando para reducir la fatiga o determinar la vida útil de los dispositivos que están sometidos a sus efectos; sin embargo, dichas propuestas están muy alejadas de las actuaciones que se plantean en esta invención.

A pesar del pequeño número de instalaciones existentes de este tipo y de la poca experiencia, es de esperar que se presenten problemas de acortamiento de vida por fatiga, principalmente en las turbinas, por el tipo de solicitaciones a las que están sometidas (que se comentan más adelante) y que son de naturaleza cíclica, debido al modo de operar de las centrales termosolares. No obstante, sí existe algún antecedente a nivel experimental en el que lo que se hace es mantener vapor de cierres mediante una caldera auxiliar, con el consumo de combustible que ello conlleva, de manera que la turbina no llega a enfriarse completamente, paliando parte de las cargas cíclicas térmicas, aunque quedaría por asegurar la mitigación de los efectos de fatiga que podrían ocasionar los gradientes térmicos y otros tipo de solicitaciones mecánicas.

Para concretar el problema que se pretende resolver con la invención, es conveniente presentar el estado actual de las centrales termosolares y centrarse posteriormente en la problemática de la pérdida de vida por fatiga.

Existe una amplia variedad de sistemas para estructurar las centrales termosolares. Una alternativa esencial es si se utiliza el mismo fluido en el ciclo termodinámico y en la batería de captadores, entendiendo por ésta el conjunto de colectores o el colector central donde se produce la absorción de la radiación solar para su posterior aprovechamiento. En esta invención se puede utilizar el mismo fluido o fluidos distintos para la batería de captadores y para el ciclo.

En la tecnología convencional actual de colectores cilindro-parabólicos, el fluido que extrae el calor de la batería de captadores solares, o fluido calorífero, es un aceite térmico, por ejemplo el Therminol VP, mientras que el fluido que evoluciona en el ciclo termodinámico, o fluido de trabajo, es agua, que sigue un ciclo de tipo Rankine. En ocasiones, se emplean como fluidos de trabajo fluidos orgánicos, como el n-pentano, configurando un ciclo tipo Rankine denominado ORC (Organic Rankine Cycle). Estos ciclos presentan ciertas peculiaridades, que pueden tener influencia en la invención, en comparación con los ciclos tipo Rankine de agua a causa de las diferencias que existen en la forma de la curva de saturación en el ramal de vapor saturado. En el caso del agua, la entropía del vapor saturado crece conforme desciende la temperatura de saturación, y se alcanzan temperaturas relativamente bajas a la salida de la turbina con un estado ligeramente húmedo. En este caso, no es posible un enfriamiento por calor sensible del fluido a la salida de la turbina por encontrarse el agua en estado bifásico (por ejemplo, no pueden existir regeneraciones o precalentamientos del líquido subenfriado con el vapor de salida de la turbina). Para disponer de enfriamientos sensibles es necesario efectuar extracciones a presiones mayores que la de condensación. En el caso de muchos fluidos orgánicos, la entropía del vapor saturado permanece más constante al disminuir la temperatura de saturación, o incluso es en tramos decreciente, por lo que el fluido a la salida de la turbina siempre puede ser enfriado para que ceda calor sensible antes de llegar al equilibrio bifásico gas-líquido. En estos casos, el enfriamiento sensible es también posible en cualquier extracción a cualquier presión, y es posible en mayor medida cuanto mayor sea la entropía del fluido en expansión.

En los receptores de torre, el fluido calorífero puede ser una sal fundida, agua o un gas (que puede ser el aire). Los fluidos de trabajo más adecuados son, en los dos primeros casos, agua que...

1. Sistema de prolongación de vida frente a desgaste por fatiga de turbinas de plantas termosolares, dispuesto o dispuestos un conjunto de ellos en una central termosolar con colectores solares de concentración de la radiación, que calientan un fluido calorífero y éste, a su vez, un fluido de trabajo de un ciclo termodinámico que comprende al menos una turbina estructurada en al menos un cuerpo, y que posee un sistema de almacenamiento térmico, de cualquier tipo, caracterizado por que comprende un circuito hidráulico (1, 28, 32) que contiene y conecta los siguientes elementos:

- al menos un cuerpo de la turbina (4, 35) de la central, por el que pasa el fluido de trabajo y que produce energía mecánica, y que puede estar acoplado a un alternador eléctrico (5, 36) mediante un eje (6, 37);

- un compresor (12, 44) y su sistema de accionamiento, seleccionado entre un motor eléctrico (13, 45) unido al compresor por un eje (14, 46) y un embrague, o un acoplamiento mecánico con la turbina mediante un embrague, o variante similar, y que comprime parte o la totalidad del fluido de trabajo que procede del cuerpo de la turbina;

- un ramal de aporte de caudal por el que se añade fluido de trabajo en estado líquido desde un depósito de fluido líquido (16) que conecta dicho depósito con el circuito del sistema de prolongación de vida en la zona de salida del compresor (12);

- un ramal de aporte de vapor (19) desde el cuerpo de turbina inmediatamente anterior (en caso de no tratarse del primer cuerpo), al circuito del sistema de prolongación de vida en la zona de salida del compresor (12);

- un ramal de cesión de caudal (11) que conecta el sistema de prolongación de vida (1) con el sistema de prolongación de vida del cuerpo siguiente o al foco frío en el caso de tratarse del sistema del último cuerpo de la turbina;

- un intercambiador de calor (20, 47), que es alimentado por el sistema de almacenamiento de la central y que calienta el fluido de trabajo que proviene del compresor y se dirige al cuerpo de la turbina;

- un refrigerador-regenerador (29, 41) que enfría el fluido de trabajo previamente al paso al compresor (12);

- un depósito de fluido líquido (16) que contiene fluido de trabajo en estado líquido;

- un refrigerador final, que puede coincidir con el foco frío de la central (23);

- un conjunto de válvulas de corte de interconexión de entrada y salida de fluido con los cuerpos de turbina inmediatamente anterior y posterior, de válvulas de entrada y salida regulación del sistema de prolongación de vida en los extremos del circuito hidráulico, de válvulas de tres vías de división de la corriente que sale del cuerpo de la turbina (10), y de bombas de impulsión desde los depósitos antedichos y desde el condensador.

2. Sistema de prolongación de vida frente a desgaste por fatiga de turbinas de plantas termosolares según reivindicación primera, caracterizado por que el fluido de trabajo sigue un ciclo de tipo Rankine y el sistema de prolongación de vida frente a la fatiga comprende los siguientes elementos:

- el propio cuerpo de la turbina (4), por el que pasa el fluido de trabajo previo paso por la válvula de interconexión anterior (3) o por la válvula de salida del sistema de prolongación de vida;

- un compresor (12) y su sistema de accionamiento, seleccionado entre un motor eléctrico (13) unido al compresor por un eje (14) y un embrague, o un acoplamiento mecánico con la turbina mediante un embrague, o variante similar, donde el compresor recoge la mayor parte del flujo que sale de la turbina cuando la central esté en el modo de no producción y prolongación de vida de la turbina, haciéndolo circular por las válvulas de tres vías de división de la corriente que sale del cuerpo de la turbina (10) y comprimiéndolo hasta una presión que garantiza la presión de consigna de prolongación de vida de los cuerpos de la turbina; y el gasto másico restante se dirige hacia el siguiente cuerpo de la turbina (4) a través de un ramal de cesión de caudal (11) previa división en una válvula de tres vías de división de la corriente;

- un conjunto de bombas de impulsión de aporte de líquido (17) que circulan el fluido desde el depósito de fluido líquido (16) hacia el circuito principal del sistema de prolongación de vida por la zona de descarga del compresor (12), un conjunto de ramales de aporte de vapor (19) procedentes del sistema de prolongación de vida inmediatamente anterior, que recogen fluido de trabajo respectivamente en estado líquido y vapor para ser adicionados al flujo que sale del compresor (12), hasta llegar al gasto másico de consigna;

- un intercambiador de calor (20), alimentado por el sistema de almacenamiento de la central, que calienta la mezcla de fluidos anterior hasta conseguir la temperatura de consigna;

- y, en el sistema de prolongación de vida que incluya el último cuerpo de la turbina (4), un refrigerador final, que puede coincidir con el sistema de condensación de la central (23), que condensa el vapor que sale del último cuerpo de la turbina y la bomba de llenado del depósito (24) que le hace circular hasta llevarlo al depósito de fluido líquido (16).

3. Sistema de prolongación de vida frente a desgaste por fatiga de turbinas de plantas termosolares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que:

- cuando la central opera en condiciones de producción, las válvulas de interconexión de entrada y salida de fluido (3 y 7) están abiertas, las válvulas de entrada y salida del sistema de prolongación de vida (9 y 22) en los extremos del circuito están cerradas, y las bombas de impulsión de aporte líquido (17), la de llenado del depósito líquido (24) y los compresores (12) están parados;

- y, en el modo de prolongación de vida de la turbina, estando la central sin producción, las válvulas de interconexión de entrada y salida de fluido (3 y 7) están cerradas, las válvulas de entrada y de salida del sistema de prolongación de vida (9 y 22) están abiertas y las bombas de aporte de líquido (17), de llenado del depósito (24) y los compresores (12) están operando según lo descrito en la reivindicación 2, de manera que el gasto másico que circule por el compresor (12), gobernado por la válvula de tres vías de división de flujo (10), es tal que la potencia eléctrica consumida por el propio compresor (12), las bombas antedichas y el accionamiento de las válvulas y sensores es producida por la turbina (4).

4. Sistema de prolongación de vida frente al desgaste por fatiga debido a las paradas de la central según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el circuito del sistema de prolongación de vida (28) comprende un refrigerador-regenerador (29) que enfría, por calor sensible, el gasto másico de fluido que va a ser dirigido al compresor cuando la central opera en el modo de prolongación de vida según la reivindicación 3, de manera que el refrigerador-regenerador (29) puede ser refrigerado por aire exterior, por un fluido refrigerante o bien por el fluido de trabajo, que sería de esa forma precalentado para ser introducido en el cuerpo de la turbina (4) inmediatamente posterior, a modo de un regenerador, de manera que la circulación del fluido de trabajo a través del refrigerador-regenerador (29) es provocada por la acción de succión del compresor (12), contando además con los elementos de circulación y regulación (válvulas y ventiladores o bombas) que hagan circular el fluido refrigerante.

5. Sistema de prolongación de vida frente al desgaste por fatiga debido a las paradas de la central según reivindicación primera, caracterizado por que el fluido de trabajo sigue o un ciclo de tipo Joule-Brayton o un ciclo tipo Rankine y el sistema de prolongación de vida frente a la fatiga comprende los siguientes elementos:

- el propio cuerpo de la turbina (35), por el que pasa el fluido de trabajo previo paso por las válvulas de interconexión anterior (34) o de salida del sistema de prolongación de vida (49), y que se expande a su paso;

- un refrigerador-regenerador (41) que enfría la totalidad del flujo saliente de la turbina y que es dirigido al compresor (44) y que, en caso de tratarse de un fluido condensable, éste está seco (sin fracción húmeda) a su salida, donde el refrigerador-regenerador (41) puede ser refrigerado por aire exterior, por un fluido refrigerante o bien por el fluido de trabajo que es precalentado para ser introducido en el cuerpo de la turbina inmediatamente posterior, a modo de un regenerador, y la circulación del fluido de trabajo a través del refrigerador-regenerador (41) es provocada por la acción de succión del compresor (44), incluyendo, además, los elementos de circulación y regulación (válvulas y ventiladores o bombas) que hagan circular fluido el refrigerante;

- un compresor (44), que puede ser el propio del ciclo Joule-Brayton, y su sistema de accionamiento, seleccionado entre un motor eléctrico (45) unido al compresor por un eje (46) y un embrague, o un acoplamiento mecánico directo con la turbina con o sin embrague, o variante similar, que recoge el flujo que sale de la turbina (35) cuando la central esté en el modo de no producción y prolongación de vida de la turbina (35), haciéndolo circular por las válvulas entrada y salida del sistema de prolongación de vida (40 y 49) y comprimiéndolo hasta que se obtenga la presión de consigna de prolongación de vida de la turbina (35);

- un intercambiador de calor (47), alimentado por el sistema de almacenamiento de la central, que calienta el fluido que sale del compresor (12, 44) hasta conseguir la temperatura de consigna.

6. Sistema de prolongación de vida frente al desgaste por fatiga debido a las paradas de la central según las reivindicaciones 1 y 5, caracterizado por que

- cuando la central opera en condiciones de producción, las válvulas de interconexión anterior y posterior (34 y 38), las válvulas de entrada y salida del sistema de prolongación de vida (40 y 49), en los extremos del circuito del sistema de prolongación de vida, cerradas, y los compresores (44) están parados en caso de no ser los propios del ciclo Joule-Brayton;

- y, en el modo de prolongación de vida, estando la central sin producción, las válvulas de interconexión anterior y posterior (34 y 38) están cerradas, las válvulas de entrada y de salida del sistema de prolongación de vida (40 y 49) en los extremos del sistema de prolongación están abiertas y los compresores (44) están operando según reivindicación 5, y el estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida del refrigerador-regenerador (41), gobernado por el fluido refrigerante que circula por el circuito secundario del propio refrigerador-regenerador (43), es tal que la potencia eléctrica consumida por el compresor y por los distintos elementos de la central, es generada por la turbina (35).

7. Sistema de prolongación de vida frente al desgaste por fatiga debido a las paradas de la central, según las reivindicaciones 1, 5 y 6, caracterizado por que el fluido de trabajo es un fluido condensable que, a la salida del refrigerador-regenerador (41) existente inmediatamente después de la salida de turbina (35), se encuentra con una cierta fracción húmeda y, por tal motivo, comprende de:

- un separador de vapor (50) que separa las fases líquida y vapor a la salida de refrigerador-regenerador (41);

- un compresor (44), por el que circula solamente fase de vapor que se obtiene del separador de vapor (50), donde el gasto de vapor es de una magnitud tal que la potencia para accionar el compresor (44) y el resto de elementos de la central, en el modo de funcionamiento de prolongación de vida de la turbina puede ser generada por la turbina (35) bajo las condiciones de carga de consigna, y se controla por medio del fluido refrigerante que circula por el circuito secundario (43) del refrigerador-regenerador (41) y por la válvula de regulación de fase líquida (52), también incluida;

- una bomba de impulsión de fase líquida (51) que eleva la presión del líquido obtenido en el separador de vapor (50) y le haga pasar por la válvula de regulación de fase líquida (52) antes de mezclarlo con el gas comprimido a la salida del compresor (44).

8. Sistema de prolongación de vida frente a desgaste por fatiga de turbinas de plantas termosolares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, en caso de necesitarse una aporte adicional de energía a añadir a la producida por la turbina (4, 35) o la suministrada por el sistema de almacenamiento (21, 48), ésta se obtiene en forma de energía eléctrica o, si la central consta de cierta hibridación de apoyo a la energía solar captada, se obtiene con el aporte de calor al fluido de trabajo o de almacenamiento en el equipo pertinente (el generador de vapor o la caldera de la central), mediante una fuente fósil o de biomasa.