Procedimiento para aumentar el grado de eficacia de una instalación de turbina de gas, así como instalación de turbina de gas apropiada para ello.

Procedimiento para aumentar el grado de eficacia de una instalación de turbina de gas (1),

en donde enprimer lugar una parte del calor de los gases de escape (AG) de una turbina de gas (2) se transmite a un ciclo deagua-vapor (4) de una turbina de gas (2) y después una parte del calor de los gases de escape (AG) de la turbina degas (2) a un medio de trabajo, que presenta al menos dos materiales con vaporización y condensación no isotermas,de un proceso de circulación termodinámico, para la generación adicional de corriente.

Procedimiento para aumentar el grado de eficacia de una instalación de turbina de gas, así como instalación de turbina de gas apropiada para ello.

La invención se refiere a un procedimiento para aumentar el grado de eficacia de una instalación de turbina de gas conforme a la reivindicación independiente 1, así como a una instalación de turbina de gas apropiada para ello conforme a la reivindicación independiente 6.

A causa de intensos trabajos de desarrollo en los últimos años pueden conseguirse con turbinas de gas actualmente grados de eficacia, es decir la potencia eléctrica o mecánica que puede generarse con relación a los combustibles usados, de aproximadamente un 40%. Las instalaciones de turbina de gas y vapor (instalaciones GuD) , como las que se conocen por ejemplo del documento EP 0898 641 A1, hacen posible además grados de eficacia superiores al 55%. A pesar de esto existe la necesidad de aumentar ulteriormente el grado de eficacia de tales instalaciones.

Esto es válido en especial para las instalaciones de turbina de gas erigidas en el pasado sin generación de vapor, así como instalaciones GuD que se hayan erigido en márgenes de potencia pequeños, medios y grandes. Tales instalaciones GuD se dotan, respectivamente se han dotado, parcialmente de desacoplamiento térmico a distancia para mejorar el aprovechamiento de combustible. A pesar de esto estas instalaciones más antiguas presentan grados de eficacia bastante inferiores a las instalaciones de turbina de gas modernas. A causa de la enorme presión de los costes, por lo tanto, en especial los explotadores de instalaciones antiguas con grados de eficacia reducidos se ven obligados a mejorar la rentabilidad de sus instalaciones.

El documento “El proceso Kalina”, Gajewski W et al., VGB Kraftwerkstechnik, tomo 69, Nº 5, 1989, páginas 477-483, hace patente un proceso de circulación termodinámico con dos materiales y vaporización no isoterma para generar corriente.

El documento US 6173563 B1 hace patente un ciclo termodinámico con una mezcla de amoniaco-agua como medio de trabajo, que está post-conectado a un ciclo de agua-vapor que sirve para refrigerar el aire de vaporización.

Los explotadores de instalaciones de turbina de gas sin generación de vapor amplían por ello en parte su proceso, respectivamente su instalación, en una porción de generación de vapor. Mediante la generación de energía eléctrica o mecánica adicional, que es posible a causa de esto, obtienen un mejor aprovechamiento de los combustible usados y de este modo una mejora del grado de eficacia de la instalación. Sin embargo, para el explotador de tales instalaciones es deseable mejorar todavía más el grado de eficacia de sus instalaciones de turbina de gas. En especial, un aumento así del grado de eficacia debería poder materializarse también en el caso de instalaciones de turbina de gas, respectivamente instalaciones GuD, existentes.

Por ello la tarea de la invención consiste en indicar un procedimiento para aumentar el grado de eficacia de una instalación de turbina de gas así como una instalación de turbina de gas apropiada para ello, que hagan posible un aumento del grado de eficacia de la instalación, en donde el aumento del grado de eficacia debe ser posible, en el caso de instalaciones ya existentes, en especial sin grandes intervenciones en la instalación ya existente.

La solución de la tarea dirigida al procedimiento se consigue mediante un procedimiento conforme a la reivindicación 1. Configuraciones ventajosas del procedimiento son objeto de las reivindicaciones subordinadas 2 a 5. La solución de la tarea dirigida a la instalación de turbina de gas se consigue mediante una instalación de turbina de gas conforme a la reivindicación 6. Configuraciones ventajosas de la instalación de turbina de gas son objeto de las reivindicaciones subordinadas 7 a 15.

La invención se basa en el reconocimiento de que muchas turbinas de gas o instalaciones GuD presentan gases de escape (por ejemplo gases de humo) con temperaturas superiores a 100ºC. Esto significa que estas instalaciones no aprovechan el calor residual todavía valorable, contenido en los gases de escape. Esto tiene como consecuencia elevadas pérdidas de calor de gases de escape y con ello elevados costes de funcionamiento. En especial muchas instalaciones GuD se hacen funcionar con temperaturas de gases de escape de entre 120 ºC y 150 ºC, ya que temperaturas inferiores de los gases de escape sólo pueden materializarse con una elevada complejidad.

Una mejora del grado de eficacia de la instalación de turbina de gas es posible, de este modo, por medio de que al menos una parte del calor de los gases de escape de una turbina de gas se siga aprovechando todavía ulteriormente. Esto es posible por medio de que el calor de los gases de escape se transmita a un medio de trabajo, que presente al menos dos materiales con vaporización y condensación no isotermas, de un proceso de circulación termodinámico. Con ayuda de un proceso de circulación termodinámico de este tipo puede generarse energía mecánica o eléctrica, con un elevado grado de eficacia y una reducción de las temperatura de los gases de escape de hasta 50 a 70 ºC, que contribuya a una mejora del grado de eficacia de la instalación de turbina de gas y con ello mejore la rentabilidad de la instalación.

Una instalación de turbina conforme a la invención presenta una instalación de gas con todas las particularidades técnicas de la reivindicación independiente 6.

Para mejorar el grado de eficacia en el caso de instalaciones existentes sólo es necesario, de este modo, reequipar al menos un intercambiador de calor post-conectado y el dispositivo para ejecutar el proceso de circulación termodinámico. Esto puede realizarse en el caso de instalaciones de turbina de gas existentes, por ejemplo en el marco de una ampliación a una instalación GuD. También en el caso de instalaciones de turbina de gas existentes en combinación con generación de vapor (es decir, post-combustión de los gases de escape de la turbina de gas en un generador de vapor) y en el caso de instalaciones GuD con temperaturas de gases de humo superiores a 100 ºC, puede aprovecharse el calor residual de los gases de escape mediante un sencillo reequipamiento del dispositivo para ejecutar el proceso de circulación termodinámico, para generar potencia eléctrica o mecánica. En el caso de una cantidad de combustible igual es posible de este modo una mayor potencia eléctrica o mecánica y con ello un mayor grado de eficacia de la instalación de turbina de gas. Asimismo esto conduce a una reducción de la emisión de CO2 por cada kilovatio/hora de energía eléctrica.

En el caso de instalaciones de turbina de gas en combinación con generación de vapor así como de instalaciones GuD, el aumento del grado de eficacia es posible sin intervenir en la instalación principal, ya que solamente es necesario instalar al menos un intercambiador de calor adicional en el lado de los gases de escape, es decir, en el ramal de gases de escape. El reequipamiento de al menos un intercambiador de calor adicional así como del dispositivo para ejecutar el proceso de circulación termodinámico es por ello posible, con una complejidad reducida, en el marco de una revisión de la instalación principal.

Mediante la utilización de un medio de trabajo con al menos dos materiales con vaporización y condensación no isotermas es posible adaptar de forma sencilla el proceso de circulación termodinámico, por un lado a través de la condensación de al menos dos materiales y por otro lado mediante adaptaciones insignificantes de la presión y de la temperatura del medio de trabajo, a diferentes instalaciones de turbina de gas con diferentes temperaturas de los gases de escape.

El dispositivo para ejecutar el proceso de circulación termodinámico está configurado por ello de forma preferida como unidad estandarizada, que es apropiada para su utilización en diferentes instalaciones de turbina de gas y de este modo puede configurarse de forma económica.

Puede hacerse posible un elevado grado de eficacia y al mismo tiempo una adaptabilidad sencilla del proceso, respectivamente del dispositivo para ejecutar el proceso, a diferentes temperaturas de los gases de escape, por medio de que como proceso de circulación termodinámico se utilice un ciclo Kalina, que por ejemplo es conocido del artículo de Köhler, S. y Saadat, A. “Posibilidades y perspectivas de la generación de corriente geotérmica” en Desarrollo de tecnología geotérmica - premisas geológicas y de técnica energética; Centro de Geo-Investigación Postdam, STR00/23, 2000, páginas 7 – 28. Este ciclo utiliza como medio de trabajo... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para aumentar el grado de eficacia de una instalación de turbina de gas (1) , en donde en primer lugar una parte del calor de los gases de escape (AG) de una turbina de gas (2) se transmite a un ciclo de agua-vapor (4) de una turbina de gas (2) y después una parte del calor de los gases de escape (AG) de la turbina de gas (2) a un medio de trabajo, que presenta al menos dos materiales con vaporización y condensación no isotermas, de un proceso de circulación termodinámico, para la generación adicional de corriente.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde como proceso de circulación termodinámico se utiliza un ciclo Kalina.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y/o 2, en donde el proceso de circulación termodinámico se ejecuta con un procedimiento que presenta al menos los pasos siguientes:

-bombeado de una corriente líquida (13) del medio de trabajo a una presión aumentada;

-división de la corriente de medio de trabajo líquida (14) , al que se ha aplicado presión, en una primera corriente parcial (16) y una segunda corriente parcial (17) ;

-vaporización parcial de la primera corriente parcial (16) con utilización de calor, que es generado mediante enfriamiento de los gases de escape (AG) ;

-vaporización parcial de la segunda corriente parcial (17) con utilización de calor, que es generado mediante condensación parcial de una corriente de medio de trabajo expandida (11) ;

-unificación de la primera y de la segunda corrientes parciales (16a, respectivamente 16b) parcialmente vaporizadas en una corriente de medio de trabajo (18) parcialmente vaporizada;

-generación de una corriente de medio de trabajo gaseosa (10) mediante vaporización completa, dado el caso sobrecalentamiento parcial, de la corriente de medio de trabajo (18) parcialmente vaporizada con utilización de calor, que es generado por el enfriamiento de los gases de escape (AG) ,

-expansión de la corriente de medio de trabajo gaseosa (10) , transformación de su energía en una forma aprovechable y generación de la corriente de medio de trabajo expandida (11) ; y

-condensación completa de la corriente de medio de trabajo expandida (12) , parcialmente condensada, para la formación de la corriente de medio de trabajo líquida (13) .

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en donde la primera corriente parcial (16) y la corriente de medio de trabajo líquida (13) presentan fundamentalmente la misma temperatura.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en donde los gases de escape (AG) de la turbina de gas (2) presentan delante de al menos un intercambiador de calor (HE5) una temperatura de entre 100 y 200ºC, en especial de entre 140 y 200ºC.

6. Instalación de turbina de gas (1) con al menos un intercambiador de calor (HE5) post-conectado en el lado de los gases de escape a una turbina de gas (2) , el cual está conectado en un dispositivo (9) para ejecutar un proceso de circulación termodinámico, en donde el dispositivo (9) presenta un medio de trabajo con al menos dos materiales con vaporización y condensación no isotermas y una turbina (32) , y con al menos otro intercambiador de calor (5a, 5b, 5c) , interconectado en el lado de los gases de escape a la turbina de gas (2) y al menos a un intercambiador de calor (HE5) , de un ciclo de agua-vapor (4) de una turbina de vapor.

7. Instalación de turbina de gas (1) según la reivindicación 6, en donde el proceso de circulación termodinámico es un ciclo Kalina.

8. Instalación de turbina de gas (1) según la reivindicaciones 6 y/o 7, en donde el dispositivo (9) comprende al menos:

-una bomba (33) para el bombeado de una corriente líquida (13) del medio de trabajo a una presión aumentada;

-un divisor (34) para la división de la corriente de medio de trabajo líquida (14) , a la que se ha aplicado presión, en una primera corriente parcial (16) y una segunda corriente parcial (17) ;

-un primer intercambiador de calor (HE4) para la recogida de la primera corriente parcial (16) y para la generación y la descarga de una primera corriente parcial (16a) parcialmente vaporizada mediante enfriamiento de los gases de escape (AG) ;

-un segundo intercambiador de calor (HE2) para la recogida de una corriente de medio de trabajo expandida

(11) y la segunda corriente parcial (17) , para enfriar la corriente de medio de trabajo expandida (11) mediante transmisión de calor a la segunda corriente parcial (17) y para la descarga de una segunda corriente parcial (17a) parcialmente vaporizada y de una corriente de medio de trabajo parcialmente condensada (12) ;

-un mezclador (35) para la unificación de la primera corriente parcial (16a) parcialmente vaporizada y de la segunda corriente parcial (17a) parcialmente vaporizada en una corriente de medio de trabajo (18) parcialmente vaporizada;

-un tercer intercambiador de calor (HE5) para la recogida de la corriente de medio de trabajo (18) parcialmente vaporizada y para la generación y la descarga de una corriente de medio de trabajo gaseosa (10) , dado el caso sobrecalentada, mediante el enfriamiento de los gases de escape (AG) ,

-una instalación (32) , en especial una turbina, para la expansión de la corriente de medio de trabajo gaseosa (10) , transformación de su energía en una forma aprovechable y descarga de la corriente de medio de trabajo expandida (11) ; y

-un cuarto intercambiador de calor (condensador) (HE1) para la recogida y la condensación completa de la corriente de medio de trabajo expandida (12) , parcialmente condensada, y para la descarga de la corriente de medio de trabajo líquida (13) .

9. Instalación de turbina de gas (1) según la reivindicación 8, en donde la primera corriente parcial (16) y la corriente de medio de trabajo líquida (13) presentan fundamentalmente la misma temperatura.

10. Instalación de turbina de gas (1) según una de las reivindicaciones 6 a 9, en donde los gases de escape (AG) de la turbina de gas (2) presentan delante de al menos un intercambiador de calor (HE5) una temperatura de entre 100 y 200ºC, en especial de entre 140 y 200ºC.

11. Instalación de turbina de gas (1) según una de las reivindicaciones 6 a 10, en donde al menos un intercambiador de calor (HE5) está dispuesto en una chimenea de aire de escape (6) de la instalación de turbina de gas (1) .

12. Instalación de turbina de gas (1) según una de las reivindicaciones 6 a 11, en donde al menos un intercambiador de calor (HE5) está configurado como intercambiador de calor de haz de tubos.

13. Instalación de turbina de gas (1) según una de las reivindicaciones 6 a 12, en donde el dispositivo (9) para ejecutar el proceso de circulación termodinámico está configurado como unidad estandarizada (40) .

14. Instalación de turbina de gas (1) según la reivindicación 13, en donde la unidad estandarizada (40) presenta un módulo de intercambiadores de calor (42) y un módulo de circulación (41) .

15. Instalación de turbina de gas (1) según las reivindicaciones 13 y/o 14, en donde el módulo de circulación

(41) presenta formato de contenedor, en especial formato de contenedor de 20’ ó 40’.