Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor.

Ciclo combinado que contiene:

- dos ramales (7) y (8) por los que circula el flujo de escape de la turbina (1);

- una caldera de recuperación de calor (14) dividida en dos cuerpos: de alta temperatura y menor temperatura;

que permiten que el ciclo de gas (1) sea regenerativo sin perder temperatura en la parte más caliente de la caldera de recuperación ni reducir la temperatura del fluido del ciclo de baja temperatura (18).

También puede incluirse una instalación solar o de otro tipo (20) que transfiera energía térmica al ciclo de baja temperatura (18).

El sistema actúa para mejorar el rendimiento del ciclo combinado, a plena carga o a cargas parciales y, si existe hibridación con otra fuente de energía, para mejorar además el rendimiento de la turbina de vapor.

SISTEMA DE REGENERACiÓN PARCIAL EN TURBINAS DE GAS DE

CICLOS COMBINADOS CON UNA O VARIAS FUENTES DE CALOR

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de las centrales térmicas de ciclo combinado, cuya aplicación principal es la generación de trabajo mecánico o energía eléctrica. Los componentes básicos de este tipo de centrales son, generalmente, una turbina de gas y un ciclo de vapor, acoplados mediante una caldera de recuperación de calor, la cual transfiere la energía térmica del gas de escape de la turbina de gas al fluido que va a circular por la turbina de vapor.

La fuente térmica habitual de este tipo de centrales es la combustión de un combustible fósil, generalmente gas natural, gasóleo o fuel, aunque cuando se trata de plantas integradas de gasificación se emplean combustibles sólidos como el carbón, coque o cualquier otro de otra procedencia. El combustible, cualquiera que sea, se suministra a la cámara de combustión de la turbina de gas.

Actualmente, se están desarrollando ciclos combinados cuya fuente térmica es la radiación solar, de forma única o conjunta con las anteriores, caso este último en el que es usual denominar ese tipo de centrales como "híbridas". La invención también prevé la hibridación del ciclo combinado; de forma particular con una instalación solar de alta temperatura y de forma general con cualquier tecnología capaz de suministrar energía térmica al sistema.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN Y PROBLEMA TÉCNICO QUE SE RESUELVE CON ELLA

Los ciclos termodinámicos en los que se basa el funcionamiento de una central de ciclo combinado son, generalmente, de tipo Joule-Brayton en el caso de la turbina de gas, que constituye el ciclo de alta temperatura, y de tipo Rankine en el caso del ciclo de vapor, que es el ciclo de baja temperatura. En el caso, poco habitual, de que el ciclo de vapor tenga por fluido de trabajo una mezcla de sustancias de distinta volatilidad, el ciclo se materializa generalmente con un ciclo de Kalina o alguna de sus variantes.

En el estado actual de la técnica, se conocen y se utilizan distintas variantes de ambos ciclos, de alta y baja temperatura, para una conversión altamente eficiente de la energía térmica en energía mecánica y, posteriormente, eléctrica. Asimismo, se conocen distintas formas de integración de ambos ciclos

por medio de calderas de recuperación de calor, utilizando distintos niveles de presión de producción de vapor para reducir las pérdidas exergéticas en la caldera e, incluso, aprovechando el calor procedente de la refrigeración de la turbina de gas en el ciclo de vapor, que de otra forma se pierde.

Las configuraciones más conocidas de los ciclos y de las calderas de recuperación de calor están bien documentadas en textos de referencia relativos a ciclos combinados, como pueden ser los de J. H. Horlock (Combined power plants, 18 ed., 1992, Pergamon Press) o R. Kehlhofer (Combined cycle gas

steam turbine power plants, ed., 1999, PennWell) . En ellos también se describen y discuten configuraciones menos usuales. En otros documentos de la literatura técnica, como los de A. Franco (Applied Thermal Engineering 22 (2002) 1501-1518) o A. L. Polyzakis (Energy Conversion and Management 49 (2008) 551-563) , se muestran esquemas y resultados termodinámicos de diversas configuraciones, entre las que se incluyen ciclos de gas regenerativos, de combustión secuencial, con compresiones escalonadas y refrigeradas y con calderas con post-combustión. Y. S. H. Najjar (Applied Thermal Engineering 21 (2001) 407-438) realiza un exhaustivo repaso y enumera las ventajas de numerosas tecnologías asociadas los sistemas que emplean turbinas de gas y ciclos combinados. En otras invenciones como las presentadas en los documentos ES 2.168.986 o US 4.896.499 se proponen mejoras que resultan de aprovechar el calor de refrigeración entre distintas etapas de compresión.

De entre las posibles variantes en el ciclo Joule-Brayton, una de las que habitualmente se desecha a nivel comercial para su aplicación en ciclos combinados es, precisamente, el ciclo regenerativo. En este ciclo se incluye un intercambiador de calor llamado regenerador por el que circula todo el gas de escape que procede de la turbina y todo el aire que proviene del compresor. Al estar los dos flujos en contacto térmico, la corriente de gas de escape, a mayor temperatura, cede calor al aire procedente del turbocompresor. De esa forma, el aire que se dirige a la cámara de combustión se precalienta. Gracias al precalentamiento del aire con los gases de escape, se requiere menps aporte térmico de la fuente de energía y, por tanto, se reduce el consumo de combustible (y, con ello, se reducen las pérdidas exergéticas asociadas al proceso de combustión) . Además, se aumenta la temperatura media de aporte de calor al ciclo de gas al tiempo que se reduce la temperatura media de cesión de calor, lo que deriva en un aumento de rendimiento del ciclo. Sin embargo, la temperatura del gas que se dirige a la caldera de recuperación se reduce, debido

a la necesaria cesión de calor del gas de escape al aire que se precalienta. Esto conlleva una disminución de la exergía de flujo específica que entra en la caldera de recuperación de calor, lo que se traduce en una merma de potencia del ciclo de vapor y en un peor aprovechamiento del calor residual de la turbina de gas, que reduce el rendimiento del ciclo de vapor y tiende a reducir el rendimiento del conjunto del ciclo combinado. Esta merma puede ser incluso más acusada cuando la turbina de gas opera a cargas parciales, ya que, en ese caso, se tienen menores caudales másicos y/o menores temperaturas de escape en la turbina. Si bien la mejora del rendimiento de la turbina de gas, debido al ahorro de combustible, suele dominar, el efecto contrapuesto de la bajada de la temperatura del gas de escape con la consecuente merma de potencia en el ciclo de baja temperatura disminuye la mejora de rendimiento de la instalación. Esto, sumado al aumento en la complejidad de la instalación y a su encarecimiento, desaconseja normalmente el empleo de ciclos de gas regenerativos en plantas de potencia con ciclos combinados de turbinas de gas y vapor.

En el documento US 6.244.039 se propone un método para precalentar el aire a la salida del compresor, no con el gas de escape de la turbina sino con el vapor vivo generado en la caldera de recuperación, que de esa forma se enfría.

En este caso, la presente invención se refiere, concretamente, a los dispositivos que se deben incluir en la central, al modo de disponerlos y al modo de operar, para posibilitar la realización del ciclo de la turbina de gas de forma regenerativa, con la consecuente reducción de consumo de combustible, sin que con ello se incurra en una pérdida de temperatura en la parte más caliente de la caldera de recuperación de calor y sin reducir la temperatura del vapor antes de que entre en la turbina, como ocurría en la propuesta del documento anteriormente citado. Esto, dependiendo de las características concretas de la turbina de gas empleada, repercute en un aumento de rendimiento del ciclo combinado, a plena carga o a cargas parciales.

Por otro lado, como ya se ha dicho, en la actualidad se están desarrollando distintas formas de integración de plantas solares con plantas de ciclo combinado. La integración puede ser la mera sustitución de la combustión por energía térmica obtenida de la radiación solar, o bien conformar una central híbrida. Debido al interés de esta última tecnología, la integración de plantas solares con ciclos combinados se toma, para desarrollar la idea, como ejemplo otras posibles formas de hibridación del ciclo combinado con otras fuentes de calor. En el caso de una hibridación con energía solar, existen diferentes formas de aprovechar la energía térmica procedente de la radiación solar. El campo solar, que recibe la radiación solar y la concentra, transforma dicha radiación en energía térmica que se transfiere a un fluido, denominado en adelante fluido calorífero. Dicho fluido puede ser el propio fluido de trabajo de cualquiera de los ciclos de potencia u otro distinto, en cuyo caso se dispondrá un intercambiador de calor entre ambos fluidos. Asimismo, dicha energía térmica se puede almacenar para ser aprovechada posteriormente.

La forma de aprovechar la energía térmica procedente del Sol, haya sido

o no almacenada, depende de la temperatura alcanzada por el fluido...

1 -Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, dispuesto o dispuestos un conjunto de ellos en una central de tipo ciclo combinado provista de una o varias turbinas de gas (1) , de un ciclo de vapor (18) y, para cada turbina de gas, de un regenerador (4) para la turbina de gas y una caldera de recuperación de calor (14) , y que está alimentado con una única fuente de calor, caracterizado por que, para cada turbina de gas (1) presente en la central:

- comprende dos ramales (8) y (7) , conectados al escape de la turbina de gas (1) que, gracias a la acción de las válvulas de regulación (10) y (9) , dividen el flujo de gas de escape en dos caudales y los dirigen, respectivamente, hacia el regenerador (4) y hacia la caldera de recuperación de calor (14) en la zona que se describe posteriormente;

- el regenerador (4) recoge solamente la parte de los gases de escape de la turbina de gas (1) que circula por el ramal (8) y aprovecha calor sensible de solo dicha parte del gas para precalentar el fluido de trabajo procedente de la compresión en la turbina de gas (3) , después de su paso por la válvula (12) , y que se dirige hacia la cámara de combustión (5) ,

- la caldera de recuperación de calor (14) está dividida funcionalmente en dos zonas, una de alta temperatura (15) , constituida exclusivamente por sobrecalentadores y recalentadores, que recoge solamente el caudal másico de gases de escape de la turbina de gas (1) que circula por el ramal (7) y que aprovecha el calor sensible de solo dicha parte del gas para sobrecalentar el vapor en distintos niveles de presión y recalentarlo en el caso de que el ciclo de vapor (18) sea con recalentamiento, y otra parte de menor temperatura (16) , que alimenta de vapor al cuerpo de alta temperatura (16) y por la que circula la mezcla de las corrientes de gases de escape de la turbina de gas (1) que provienen, respectivamente, del regenerador (4) y del cuerpo de alta temperatura (15) ;

2. Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicación primera, caracterizado por que cuando la central opera en condiciones de producción, la válvula (12) está totalmente abierta y conduce el fluido de trabajo del ciclo de gas hacia el regenerador (4) y las válvulas de regulación (9) y (10) están posicionadas de forma que una de ellas está totalmente abierta y la otra en la posición en la que se dirige una proporción del caudal másico de gas de escape por el ramal (7) , tal que las temperaturas del vapor sobrecalentado y recalentado de los distintos niveles de presión que salen del cuerpo de alta temperatura (15) alcanzan los valores de consigna, que son mayores que la temperatura del gas de escape de la turbina a la salida del regenerador (4) .

3. Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicación primera, caracterizado por que contiene un ramal de derivación (11) que comunica el sistema de compresión (3) con la primera cámara de combustión (5) de la turbina de gas (1) , en el que se incluye una válvula de de baipás (13) .

4. Sistema de regeneración parcial en para turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en situaciones de arranque o emergencia, la válvula (12) está cerrada y la válvula (13) está abierta, por lo que el fluido proveniente del compresor (3) se dirige por el ramal de derivación (11) hacia la cámara de combustión (5) , mientras que la válvula (9) está totalmente abierta y la (10) totalmente cerrada, por lo que se dirige todo el caudal másico de escape al cuerpo de alta temperatura (15) de la caldera de recuperación de calor (14) .

5. Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicación primera, / dispuesto o dispuestos un conjunto de ellos en una central de tipo ciclo

'" combinado provista de una o varias turbinas de gas (1) , un ciclo de vapor (18) y, para cada turbina de gas, de un regenerador (4) para la turbina de gas y una caldera de recuperación de calor (14) , y que está alimentado al menos con dos fuentes de calor, caracterizado por que comprende al menos una instalación alimentada con una fuente secundaria de calor (20) que transforma la energía primaria de dicha fuente en energía térmica y la transfiere al fluido del ciclo de vapor, de forma que contribuye en la producción total de vapor generado.

6. Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicaciones primera y quinta, caracterizado por que cuando la central opera en condiciones de producción, la válvula (12) está totalmente abierta y dirige el fluido de trabajo del ciclo de gas hacia el regenerador (4) y las válvulas de regulación (9) y (10) están posicionadas de forma que una está totalmente abierta y la otra en la posición en la que se dirige una proporción del caudal másico de gas de escape por el ramal

(7) tal que:

- el calor cedido en el regenerador (4) es igual a la energía térmica que procede de la segunda fuente de energía, que se transfiere al ciclo de vapor en la instalación (20) ;

- las temperaturas del vapor sobrecalentado y recalentado de los distintos niveles de presión que salen del cuerpo de alta temperatura (15) alcanzan los valores de consigna.

7. Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según reivindicaciones primera, tercera y quinta, caracterizado por que en situaciones de arranque o emergencia, la válvula (12) está cerrada y la válvula (13) está abierta, por lo que el fluido proveniente del compresor (3) se dirige por el ramal de derivación (11) hacia la cámara de combustión (5) , la válvula (9) está totalmente abierta y la (10) totalmente cerrada, por lo que se dirige todo el caudal másico de escape al cuerpo de alta temperatura (15) de la caldera de recuperación de calor (14) , mientras que la instalación o las instalaciones (20) siguen el protocolo de arranque o emergencia que haya sido diseñado a tal efecto.

8. Sistema de regeneración parcial en turbinas de gas (1) de ciclos combinados con una o varias fuentes de calor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que incluye una pluralidad de válvulas de corte o cierre (12, 13) Y de regulación (9, 10) en los diversos ramales de los circuitos de conexión entre los componentes de compresión (3) , de combustión (5) y de intercambio de calor (4, 14) Y de la turbina (6) , estando cerradas todas las válvulas y abriéndose cada una de ellas, individualizadamente, cuando recibe la orden electromagnética o mecánica correspondiente, dándose estas órdenes a válvulas concretas (9, 10, 12, 13) en función de las condiciones funcionamiento de la central y de las temperatura en los diversos fluidos relevantes, de manera que mediante estas órdenes se configura el sistema en disposiciones estructurales y funcionales distintas, cumpliendo el objetivo propuesto.