Un sistema para aumentar la salida de potencia de una turbina de gas,

comprendiendo el sistema:

(a) una unidad de bomba (201);

(b) una unidad de control (202) conectada a la unidad de bomba (201), regulando la unidad de control(202) el funcionamiento de la unidad de bomba (201) según una función de transferencia deanálisis de la dinámica de fluido computacional predeterminada en base a al menos un parámetrodefinido para formar un modelo de control;

(c) una unidad de lavado conectada a la unidad de bomba (201), comprendiendo la unidad de lavadoal menos una boquilla y al menos una válvula para controlar un caudal de agua suministrado a laal menos una boquilla;

(d) al menos una unidad de inyección de agua que se conecta a la unidad de bomba (201),comprendiendo la al menos una unidad de inyección de agua al menos una boquilla y al menosuna válvula para controlar un caudal de agua suministrado a la al menos una boquilla; y

(e) una unidad de monitorización de las condiciones meteorológicas (203) conectada a la unidad decontrol (202), en la cual la unidad de monitorización de las condiciones meteorológicas indica almenos uno de al menos un parámetro definido.

Sistema y método para aumentar la salida de potencia de una turbina.

CAMPO

La presente invención se refiere en general al campo de las turbinas de gas. En particular, la presente invención se refiere a un sistema y un método para lavar un compresor a alta presión en combinación con un aparato de suministro de agua para incrementar el flujo másico y, de este modo, la salida de potencia de una turbina de gas, con lo cual el sistema se controla utilizando un modelo de transferencia dinámica de fluido computacional predeterminada.

ANTECEDENTES

La generación de potencia requiere que las turbinas de gas consuman grandes cantidades de aire. Las turbinas de gas son fuertemente dependientes de las condiciones del aire ambiental para su rendimiento. Las condiciones del aire ambiental tales como la temperatura, la presión y el contenido de agua afectan a la capacidad del compresor de la turbina de gas para comprimir el aire y, de este modo, afectan a su rendimiento. En otras palabras, la potencia de una turbina de gas está en función del flujo másico total disponible para compresión, en combinación con el combustible y la expansión para impulsar una sección de turbina. El flujo másico es directamente proporcional a la salida de potencia del motor. Las turbinas de gas son máquinas de volumen constante (es decir, operan según geometrías fijas) y, de este modo, la densidad del aire es un parámetro que desempeña un papel importante en la capacidad de una turbina de gas para generar potencia. La temperatura del aire y la densidad del aire están correlacionadas directamente entre sí. A medida que la temperatura del aire aumenta, la densidad del aire disminuye, dando como resultado de este modo una disminución del potencial global para el flujo másico. A medida que el flujo másico disminuye, la salida de potencia de la turbina de gas también disminuye. Otros parámetros clave que presenta un fuerte impacto sobre el rendimiento de la turbina de gas incluyen la relación de presión y la eficiencia de compresión.

El flujo másico puede gestionarse manipulando el contenido de vapor de agua en la toma de aire de la turbina de gas. De este modo, el aire puede estar saturado con vapor de agua para devolver el flujo másico global al nivel máximo del diseño de la turbina. La saturación puede ser el resultado de simplemente saturar el aire que rodea a la turbina de gas. Como alternativa, una estrategia más agresiva para aumentar el flujo másico global es inyectar agua en el compresor o la cámara de combustión de la turbina para sobresaturar el aire. La sobresaturación permite que el calor de fusión presurice adicionalmente el fluido de trabajo y aumente la salida de potencia de la turbina hasta un nivel por encima de niveles de salida de aire saturado.

Sin embargo, la apropiada saturación de aire puede ser problemática debido al intervalo de temperaturas que experimenta la turbina de gas durante un periodo de tiempo dado (es decir, cambios de temperatura durante un periodo de 24 horas o durante un periodo de tiempo anual) . Como resultado de estas variaciones de temperatura, el requisito de agua para la saturación variará de una manera consecuente. Para unas condiciones climáticas y una situación de carga del motor determinadas, es necesaria una cantidad de agua correspondiente para alcanzar la saturación o la sobresaturación. De este modo, se utilizan equipos de detección de la humedad y de bombeo para proporcionar la cantidad apropiada de agua para el nivel apropiado de saturación o sobresaturación. La utilización de demasiada agua da como resultado la “sobrepulverización”, donde el aire no puede absorber / contener el exceso de agua. El exceso de agua puede dañar el funcionamiento corroyendo y/o inundando el conducto del aire de la turbina de gas. Por el contrario, demasiado poca agua no saturará el aire y no se conseguirá el efecto completo de aumento del flujo másico.

Otro asunto es la acumulación de partículas contaminantes o extrañas en la turbina, particularmente en el compresor, el cual puede afectar a la eficiencia de la turbina de gas y, por lo tanto, a su salida de potencia. Las máquinas, tales como las turbinas de gas, consumen grandes cantidades de aire. El aire contiene partículas extrañas en forma de aerosoles y partículas pequeñas, las cuales normalmente entran en el compresor y se adhieren a los componentes en la trayectoria del gas del compresor. La contaminación del compresor cambia las propiedades del chorro de aire de la capa límite de los componentes de la trayectoria de gas, dado que los depósitos aumentan la aspereza de la superficie de los componentes. A medida que el aire fluye sobre el componente, el aumento de la aspereza de la superficie da como resultado un espesamiento del chorro de aire de la capa límite. El espesamiento del chorro de aire de la capa límite afecta negativamente a la aerodinámica del compresor. En el borde de salida de la pala, el chorro de aire forma una estela. La estela es una turbulencia de tipo vórtice que origina un efecto negativo sobre el flujo de aire. Cuanto más espesa sea la capa límite, más fuerte será la turbulencia de la estela. La turbulencia de la estela junto con la capa límite más espesa presenta la consecuencia de reducir el flujo másico a través del motor. La capa límite espesa y la fuerte turbulencia de la estela dan como resultado una ganancia de presión de compresión reducida que, a su vez, da como resultado que el motor funciona a una relación de presión reducida. Una relación de presión reducida da como resultado una menor eficiencia del motor. Además, la contaminación del compresor reduce la eficiencia isentrópica y politrópica del compresor. La eficiencia reducida del compresor significa que el compresor requiere más potencia para comprimir la misma cantidad de aire. Como resultado, la potencia requerida para accionar al compresor aumenta y da como resultado que hay menos potencia excedente disponible para impulsar a la carga.

El lavado de la turbina de gas contrarresta la contaminación y puede realizarse con el motor apagado o durante su funcionamiento. En el primer caso, el árbol del motor puede ponerse en marcha utilizando su motor de arranque mientras que el agua de lavado se inyecta en el compresor. La contaminación se libera mediante la acción de los productos químicos y el movimiento mecánico durante la puesta en marcha. El agua y el material contaminante liberado son transportados al extremo de escape del motor por el flujo de aire. Este procedimiento se denomina lavado “en frío” o lavado “en estado apagado”. Una alternativa al lavado en estado apagado es el lavado “en estado de funcionamiento” en el que el motor se lava mientras está funcionando. El lavado “en estado de funcionamiento” o “en caliente” se produce mientras el motor está quemando combustible. El agua de lavado se inyecta en el compresor mientras que el rotor está girando a alta velocidad. Debido a las altas velocidades del rotor y el corto tiempo de retención para el agua, este lavado no es tan eficaz como el lavado en frío, pero permite el lavado durante el funcionamiento.

Normalmente, los intentos de aumentar la potencia de una turbina de gas han utilizando abundante instrumentación en la totalidad de la turbina para medir temperaturas, desplazamiento, presiones y niveles de carga de la máquina. Sin embargo, el aumento de potencia que depende de tal abundante instrumentación es problemático debido a su coste, su complicación de utilización, y aumento del potencial y probabilidad para la aparición de errores de funcionamiento resultantes de inconsistencias o fallos de instrumentación. Se desea eliminar tal dependencia de instrumentación compleja y abundante para aumentar la potencia de una turbina de gas.

La patente US-A-6 250 064 B1 se refiere a un sistema de refrigeración de aire de combustión de una turbina de gas que satura y sobresatura el aire de entrada.

La patente EP-A-0 933 502 A2 se refiere a un método de lavado para un compresor de turbina de gas, pulverizando gotas de un primer tamaño sustancialmente uniforme en o sobre la trayectoria de fluido durante un primer periodo y a continuación pulverizando gotas de un segundo tamaño sustancialmente uniforme en la trayectoria de fluido durante un segundo periodo.

La patente EP-A-1 203 866 A2 se refiere a un método de pulverizar bruma en un compresor de turbina de gas aguas arriba del aire para rebajar la temperatura de termómetro de bulbo seco del aire que entra en la entrada del compresor. El agua es suministrada a la entrada por una... [Seguir leyendo]

1. Un sistema para aumentar la salida de potencia de una turbina de gas, comprendiendo el sistema:

(a) una unidad de bomba (201) ;

(b) una unidad de control (202) conectada a la unidad de bomba (201) , regulando la unidad de control

(202) el funcionamiento de la unidad de bomba (201) según una función de transferencia de análisis de la dinámica de fluido computacional predeterminada en base a al menos un parámetro definido para formar un modelo de control;

(c) una unidad de lavado conectada a la unidad de bomba (201) , comprendiendo la unidad de lavado al menos una boquilla y al menos una válvula para controlar un caudal de agua suministrado a la al menos una boquilla;

(d) al menos una unidad de inyección de agua que se conecta a la unidad de bomba (201) , comprendiendo la al menos una unidad de inyección de agua al menos una boquilla y al menos una válvula para controlar un caudal de agua suministrado a la al menos una boquilla; y

(e) una unidad de monitorización de las condiciones meteorológicas (203) conectada a la unidad de control (202) , en la cual la unidad de monitorización de las condiciones meteorológicas indica al menos uno de al menos un parámetro definido.

2. El sistema según la reivindicación 1, que comprende además un sistema de red de inyección (900) conectado a la unidad de control (202) , estando el sistema de red de inyección pre-llenado antes del aumento de potencia de la turbina de gas.

3. El sistema según la reivindicación 1 o 2,

a) que comprende además una unidad de recogida de agua conectada a dicha unidad de bomba (201) mediante un conducto y adaptada para recoger agua que sale del motor de la turbina de gas, y una unidad de procesamiento de agua conectada a la unidad de recogida de agua, en el que la unidad de procesamiento de agua está adaptada para purificar dicha agua recogida; y/o b) en el cual la unidad de monitorización de las condiciones meteorológicas (203) comprende al menos un miembro seleccionado entre el grupo constituido por un dispositivo de medición de temperatura de termómetro de bulbo seco, un dispositivo de medición de la humedad del aire, un dispositivo de medición de temperatura de termómetro de bulbo húmedo y un dispositivo de medición de la presión barométrica.

4. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, a) en el cual dicha unidad de control (202) controla un miembro seleccionado entre el grupo constituido por la al menos una válvula de la unidad de lavado, la al menos una válvula de la unidad de inyección de agua y tanto la al menos una válvula de la unidad de lavado como la al menos una válvula de la unidad de inyección de agua; y/o b) en el cual el al menos un parámetro es un miembro seleccionado entre el grupo constituido por condiciones climáticas ambientales, especificaciones de la turbina de gas, demanda de potencia de la turbina de gas y aspectos de diseño de limitación de carga de la turbina de gas; y/o c) en el cual el al menos un parámetro es un miembro seleccionado entre el grupo constituido por temperatura, humedad, presión, geometría de la turbina y el campo de velocidad del movimiento del aire; y/o, d) en el cual la unidad de control (202) comprende un control, un medio de almacenamiento y un controlador lógico programado, cada uno conectado a la unidad de control (202) mediante una alimentación de señal, en el cual el controlador lógico programado regula la unidad de bomba (201) para programar una cantidad de agua para lavado o aumento de potencia; y/o e) en el cual la unidad de control (202) está conectada a una unidad operativa mediante una alimentación de señal.

5. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, a) en el cual la al menos una boquilla de la unidad de lavado emite un pulverizado de agua atomizada para impactar en la al menos una pala del compresor, comprendiendo el pulverizado gotas que varían entre aproximadamente 80 !m a aproximadamente 250 !m, sobre una base de masa media, obteniendo de este modo una liberación de material contaminante de la al menos una pala; y/o b) en el cual la unidad de lavado funciona durante el funcionamiento del motor de la turbina de gas, en el cual la al menos una boquilla de la unidad de lavado está situada aguas arriba del compresor y emite un pulverizado de agua atomizada para penetrar en un chorro de aire de la entrada de la turbina de gas producido durante el funcionamiento de la turbina de gas; y/o c) en el cual el pulverizado comprende gotas cuyo tamaño varía entre aproximadamente 80 !ma aproximadamente 250 !m; y/o d) en el cual el caudal para la al menos una unidad de inyección varía entre aproximadamente 4 a aproximadamente 80 litros / minuto; y/o e) en el cual el caudal para la unidad de lavado varía entre aproximadamente 3, 5 litros por minuto a aproximadamente 225 litros por minuto o aproximadamente 240 litros por minuto.

6. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, a) en el cual la unidad de lavado funciona cuando la turbina de gas está apagada y en el cual la al menos una boquilla de la unidad de lavado está situada aguas arriba del compresor y está dirigida al interior de una entrada del compresor; y/o b) en el cual la al menos una boquilla de la al menos una unidad de inyección de agua inyecta un pulverizado de agua atomizada en un chorro de aire del conducto de entrada de la turbina o en la turbina, comprendiendo el pulverizado gotas que varían entre aproximadamente 10 a aproximadamente 50 !m o de aproximadamente < 10 a aproximadamente 25 !m, incrementando de este modo un flujo másico del flujo de aire, en el cual la salida de potencia desde tal motor de la turbina de gas aumenta; y/o c) en el cual la al menos una boquilla de la al menos una unidad de inyección de agua se acopla a un soporte de la boquilla (21) , estando situado el soporte de la boquilla (21) aguas arriba de una cara de entrada del compresor, y una válvula conectada al soporte de la boquilla (21) mediante un conducto, y en el cual la al menos una boquilla inyecta un pulverizado de agua atomizada en un chorro de aire del conducto de entrada de la turbina, de tal modo que sustancialmente todas las gotas del pulverizado se evaporan antes de entrar en el compresor; y/o d) en el cual las gotas de pulverizado se inyectan a una presión que varía entre aproximadamente 1000 kPA (10 bares) a aproximadamente 8000 kPA (80 bares) o entre aproximadamente 6000 kPA (60 bares) y aproximadamente 14500 kPA (145 bares) ; y/o e) en el cual las gotas de pulverizado varían en tamaño entre aproximadamente 10 a aproximadamente 50 !m o entre aproximadamente 10 a aproximadamente 20 !m.

7. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, a) en el cual la al menos una unidad de inyección de agua comprende al menos una boquilla situada adyacente al compresor; y/o b) en el cual la al menos una boquilla está situada aguas arriba de una entrada del compresor; y/o c) en el cual la al menos una boquilla atomiza dicha agua en gotas a una presión que varía entre aproximadamente 1000 kPA (10 bares) a aproximadamente 8000 kPA (80 bares) o entre aproximadamente 6000 kPA (60 bares) a aproximadamente 14000 kPA (140 bares) ; y/o d) en el cual la al menos una boquilla atomiza el agua en gotas que varían entre aproximadamente 10 a aproximadamente 50 !m o entre aproximadamente 10 a aproximadamente 20 !m

8. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, a) en el cual la al menos una unidad de inyección de agua comprende al menos una boquilla situada adyacente a la cámara de combustión; y/o b) en el cual la al menos una boquilla atomiza el agua en gotas a una presión que varía entre aproximadamente 1000 kPA (10 bares) a aproximadamente 8000 kPA (80 bares) o entre aproximadamente 6000 kPA (60 bares) a aproximadamente 14000 kPA (140 bares) ; y/o c) en el cual la al menos una boquilla atomiza el agua en gotas que varían entre aproximadamente 10 a aproximadamente 50 !m o entre aproximadamente 10 a aproximadamente 20 !m.

9. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, a) en el cual la al menos una boquilla de la unidad de lavado presenta un flujo volumétrico total que varía entre aproximadamente 3, 5 a aproximadamente 225 litros / minuto o entre aproximadamente 3, 5 a aproximadamente 240 litros / minuto; y/o b) en el cual la al menos una boquilla de la al menos una unidad de inyección presenta un flujo volumétrico total que varía entre aproximadamente 4 a aproximadamente 80 litros / minuto; y/o c) en el cual la unidad de lavado comprende además una unidad de ósmosis inversa; y/o d) en el cual la unidad de ósmosis inversa proporciona una cantidad de agua que presenta una cantidad total de sólidos disueltos que varía entre aproximadamente 1 a aproximadamente 5 ppm; y/o e) en el cual la unidad de lavado funciona a aproximadamente 1000 kPA (10 bares) a aproximadamente 8000 kPA (80 bares) .

10. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, a) en el cual la unidad de control (202) calcula un caudal de agua para una saturación completa en base a un cálculo de caudal de aire y humedad relativa diana en una base de bucle abierto para converger hacia un caudal específico determinado por la plataforma de ciclo (cycle deck) ; y/o b) en el cual el soporte de la boquilla (21) es un dispositivo de fijación, en el cual el dispositivo de fijación está contenido completamente con una disposición de barra encajada fijada en el exterior de las paredes de la carcasa del filtro para impedir que se libere material extraño; y/o c) en el cual la al menos una boquilla está situada entre tirantes de una sección de bomba impelente de entrada de la turbina de gas; y/o d) en el cual el sistema de red de inyección (900) está soportado por un sistema de soporte enchavetado; y/o e) en el cual el sistema de red de inyección (900) comprende una red de boquillas, en el cual la red de boquillas está pre-llenada antes del inicio del aumento de potencia.

11. Un método para aumentar la salida de potencia de un motor de turbina de gas que comprende un conducto de entrada y una turbina de gas que comprende una cámara de combustión y un compresor que presenta al menos una pala del compresor, comprendiendo el método las etapas de:

(1) incrementar una presión del agua que utiliza una unidad de bomba (201) que comprende al menos una bomba de velocidad variable;

(2) controlar una velocidad de la unidad de bomba (201) utilizando una unidad de control (202) conectada a la unidad de bomba (201) mediante un alimentación de señal, en el cual la unidad de control (202) regula la unidad de bomba (201) según un análisis de la dinámica de fluido computacional predeterminado en base a la introducción de al menos un parámetro definido para formar un modelo de control;

(3) suministrar agua a:

(a) una unidad de lavado conectada a la unidad de bomba (201) mediante una tubería de alimentación, o

(b) al menos una unidad de inyección conectada a la unidad de bomba (201) mediante la tubería de alimentación,

en el cual el suministro de agua es controlado utilizando un controlador lógico programado;

(4) controlar un caudal de agua que se está suministrando a al menos una boquilla de la unidad de lavado o a al menos una unidad de inyección utilizando una válvula;

(5) emitir un pulverizado de gotas de agua atomizada desde la al menos una boquilla de la unidad de lavado para impactar en y humedecer la al menos una pala del compresor, obteniendo de este modo una liberación de material contaminante de la al menos una pala del compresor;

(6) inyectar un pulverizado de agua atomizada desde al menos una boquilla de la al menos una unidad de inyección de agua en un chorro de aire del conducto de entrada de la turbina o en la turbina de gas, incrementando de este modo un flujo másico del chorro de aire, en el cual la salida de potencia del motor de la turbina de gas aumenta; y

(7) monitorizar las condiciones ambientales utilizando una unidad de monitorización de las condiciones climáticas (203) , en el cual las condiciones monitorizadas se comunican a la unidad de control (202) mediante una segunda señal.

12. El método según la reivindicación 11, a) que comprende además: (8) recoger agua que sale del motor de la turbina de gas utilizando una unidad de recogida de agua conectada a la unidad de bomba (201) mediante un conducto y purificar el agua utilizando una unidad de procesamiento de agua; y/o b) en el cual la etapa (7) comprende al menos uno de:

b1) medir una temperatura con el dispositivo de termómetro de bulbo seco;

b2) medir una presión del aire;

b3) medir una humedad del aire; y b4) medir una temperatura de termómetro de bulbo húmedo; y/o c) en el cual la etapa (6) comprende inyectar un pulverizado de agua atomizada en un chorro de aire del conducto de entrada de la turbina de modo que sustancialmente todas las gotas del pulverizado se evaporan antes de entrar en el compresor; y/o d) en el cual la etapa (5) comprende inyectar un pulverizado de agua atomizada a una velocidad que es suficientemente alta para penetrar en dicho chorro de aire producido durante el funcionamiento de tal motor; y/o e) en el cual la unidad de lavado es accionada cuando el motor de la turbina de gas está apagado y en el cual la al menos una boquilla de la unidad de lavado está en posición aguas arriba del compresor y está dirigida al interior de una entrada del compresor; y/o f) en el cual la etapa (6) comprende la etapa de inyectar agua en la trayectoria de gas del compresor; y/o g) en el cual la al menos una unidad de inyección de agua comprende al menos una boquilla situada adyacente a la cámara de combustión y una válvula conectada a la boquilla a través de un conducto y adaptada para controlar un caudal de agua que es suministrado a la boquilla.

13. El método según la reivindicación 11 o 12, comprendiendo el método además la etapa de (9) pre-llenar un sistema de red conectado a la unidad de control (202) para permitir el inicio de la inyección del aumento de potencia, en el cual la inyección de aumento de potencia está libre de una sobretensión.

14. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, a) que comprende además (10) recoger el agua que sale del el motor de la turbina de gas utilizando una unidad de recogida de agua conectada a la unidad de bomba (201) mediante un conducto y purificar el agua utilizando una unidad de procesamiento de agua; y/o b) en el cual la etapa (7) comprende al menos una de: b1) medir una temperatura con el dispositivo de termómetro de bulbo seco; b2) medir una presión del aire; b3) medir una humedad del aire; y b4) medir una temperatura de termómetro de bulbo húmedo; y/o c) en el cual la etapa (6) comprende inyectar un pulverizado de agua atomizada en un chorro de aire del conducto de entrada de la turbina de modo que sustancialmente todas las gotas del pulverizado se evaporan antes de entrar en el compresor; y/o d) en el cual una condición de avería es detectada utilizando una relación entre el flujo predicho y el flujo real para detectar una boquilla bloqueada y/o fugas en el sistema; y/o

DOCUMENTOS INDICADOS EN LA DESCRIPCIÓN

En la lista de documentos indicados por el solicitante se ha recogido exclusivamente para información del lector, y no es parte constituyente del documento de patente europeo. Ha sido recopilada con el mayor cuidado; sin embargo, la EPA no 5 asume ninguna responsabilidad por posibles errores u omisiones.

Documentos de patente indicados en la descripción

•US 6250064B1 A [0007] • EP 1489269 A2 [0007]

•EP 0933502 A2 A [0007] • US 5868860 A, Asplund [0044] 10 • EP 1203866A2 A [0007] • US 6718771 B, Kopko [0048]

•EP 1205640 A2 [0007] • US 6644935 B, Ingistov [0049]

•US 5622044A A [0007] • US 3976661 A, Cheng [0050]

•US 20060060218 A1 A [0007]