Máquina de recuperación de energía.

Máquina para recuperar energía de un flujo de gas comprimido, estando la máquina alojada en un tramo de tubo(14) que forma parte de una tubería, comprendiendo la máquina, en primer lugar, un turboexpansor (2) que tiene unarueda de turboexpansor (6) y, en segundo lugar, un generador (4) que tiene un rotor (10) y un estator (12), pudiendoser el rotor accionado por la rueda de turboexpansor, en la que el lado anverso (7) de la rueda de turboexpansor (6)está orientado hacia el generador (4), caracterizada porque la superficie exterior del estator (12) comprende aletasde refrigeración (44) y porque hay un conducto no estrangulado para el flujo de gas expandido que pone el ladoanverso (7) de la rueda de turboexpansor (6) en comunicación de fluido de gas con la superficie exterior del estator(12), teniendo la rueda de turboexpansor (6) un flujo de entrada radial.

Máquina de recuperación de energía La presente invención se refiere a una máquina para recuperar energía de un gas comprimido, estando la máquina alojada en un tramo de tubo que normalmente forma parte de una tubería.

Es desde luego bien conocido hacer pasar gas a alta presión por una tubería con el fin de que el gas pase desde un punto de recogida o producción a una red de distribución. Las tuberías modernas de transporte de gas natural pueden extenderse cientos o miles de kilómetros. Un sistema típico de distribución de gas natural tiene un tramo de tubería que funciona a presiones de entre 50 y 100 bares y un tramo de tubería que funciona a presiones mucho más bajas, típicamente de entre 5 y 10 bares, comunicándose este último con una red de distribución local que funciona a una presión de un poco por encima de 1 bar. Por tanto, existe la necesidad de proporcionar estaciones en las que la presión se pueda reducir de un nivel superior a uno inferior.

La reducción de presión puede lograrse simplemente haciendo pasar el gas comprimido a través de un conjunto adecuado de válvulas de reducción de presión. A medida que se reduce la presión del gas, éste se expande y se reduce su temperatura. Si el gas contiene vapor de agua, el descenso de la temperatura podría dar lugar a la formación de hidratos y de hidrocarburos líquidos que podrían dañar las válvulas. Por lo tanto, la práctica consiste en precalentar el gas comprimido aguas arriba de su expansión.

Una desventaja importante de la utilización de válvulas de reducción de presión (o expansión) es que el trabajo de elevar el gas a presión alta se pierde completamente. Una forma alternativa de estación de reducción de presión es bien conocida y elimina esta desventaja. La forma alternativa de estación de reducción de presión emplea un turboexpansor para reducir la presión del gas. La rotación del turboexpansor se emplea para realizar un trabajo útil. Un ejemplo de tal conjunto se describe en la Solicitud de Patente Canadiense 2 461 086A (CA-A-2 461 086) . De acuerdo con la CA-A-2 461 086, el gas natural que entra en una estación de control de presión se canaliza en una turbina que es accionada por la expansión del gas natural a medida que se reduce la presión del gas natural. La salida de potencia de la turbina se captura con fines útiles, típicamente se utiliza para accionar un generador eléctrico.

Las máquinas que combinan un turboexpansor con un generador eléctrico son conocidas. Un ejemplo de tal máquina se describe en el documento US 5 481 145 (US-A-5 481 145) y se menciona su uso en una tubería de larga distancia para gas. La máquina comprende una turbina de expansión que tiene un conducto de admisión radialmente exterior, un conducto de salida central, una rueda de turbina accionada por el gas cuando circula desde el conducto de admisión al conducto de salida, y un generador eléctrico que tiene un rotor accionado por la rueda de turbina. La rueda de turbina tiene una cara o lado anverso que incluye una serie de cuchillas con una configuración que hace que el gas experimente expansión. El rotor y la rueda de turbina están soportados por cojinetes magnéticos. El anverso de la rueda de turbina está orientado en sentido opuesto al generador y la mayoría del gas expandido se descarga de la máquina por el mismo extremo que entra. Sin embargo, parte del gas expandido se fuga por una junta laberíntica y se utiliza para proporcionar refrigeración a un cojinete magnético y al espacio que hay entre el rotor y el estator del generador eléctrico.

La máquina descrita en el documento US-A-5 481 145 genera en funcionamiento una cantidad considerable de calor y por tanto necesita disiparla, siendo estas necesidades mucho mayores que las que pueden ser satisfechas por la pequeña cantidad de exposición al gas que se fuga de la turbina al generador. De esta manera, se suministra refrigerante externo a la superficie externa del estator del generador eléctrico. En la práctica, se necesitan mejoras en los dispositivos de refrigeración cuando la máquina se utiliza para reducir la presión de, por ejemplo, gas natural que circula por una tubería de distribución, especialmente si el gas natural se precalienta aguas arriba de su expansión.

Una máquina según el preámbulo de la reivindicación independiente 1 se describe en el documento US-A-4 740

711.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona una máquina para recuperar energía de un flujo de gas comprimido, comprendiendo la máquina, en primer lugar, un turboexpansor que tiene una rueda de turboexpansor y, en segundo lugar, un generador que tiene un rotor y un estator, pudiendo ser el rotor accionado por la rueda de turboexpansor, y estando alojados el turboexpansor y el rotor en un tramo del tubo, en la que el lado anverso de la rueda de turboexpansor está orientado hacia el generador y hay un conducto no estrangulado para el flujo de gas expandido que pone el lado anverso de la rueda de turboexpansor en comunicación de fluido de gas con la superficie exterior del estator.

La máquina de acuerdo con la invención, en funcionamiento normal, es capaz de efectuar la refrigeración del estator del generador en su totalidad mediante la expansión del gas comprimido sin recurrir a un refrigerante líquido tal como agua.

La superficie exterior del estator tiene de preferencia aletas de refrigeración. Tal disposición facilita el enfriamiento del estator mediante el gas expandido.

Normalmente hay al menos una junta por la que puede fugarse gas expandido a fin de efectuar la refrigeración de la superficie interior del estator. La junta es típicamente una junta laberíntica. Además, el generador puede tener una entrada para refrigerante gaseoso que establece un espacio definido entre el rotor y el estator acoplado al mismo, en comunicación de fluido de gas con otro tramo de tubo aguas arriba de la máquina. Típicamente, la entrada se comunica con ese tramo adicional de tubo aguas arriba de cualquier precalentador.

La máquina de acuerdo con la invención puede tener asociado un precalentador para precalentar el flujo de gas comprimido para ser turboexpandido. El precalentador puede estar situado en otro tramo de tubo aguas arriba de la máquina.

Si la reducción o disminución de presión requerida es mayor que la que se puede lograr fácilmente utilizando una sola rueda de turboexpansor, según la invención se puede colocar una pluralidad de máquinas en línea. Si se desea, se puede proporcionar un precalentador entre las dos máquinas. Si se desea además, se puede proporcionar un precalentador aguas arriba de la máquina aguas arriba. Alternativamente, una máquina según la invención puede comprender un solo generador aunque una pluralidad de ruedas de turbina.

Típicamente, el rotor y la rueda de turboexpansor están montados sobre un árbol soportado por una pluralidad de cojinetes magnéticos, comprendiendo los cojinetes magnéticos, cojinetes magnéticos radiales y axiales separados. Se pueden emplear, sin embargo, otras disposiciones de cojinetes. Por ejemplo, se pueden usar cojinetes de manguito interior lubricados con aceite, cojinetes de gas u otras formas de cojinete antifricción en lugar de o además de los cojinetes magnéticos.

La máquina de acuerdo con la invención incluye preferiblemente además medios para equilibrar la presión en los lados anverso y reverso de la rueda de turboexpansor. En un ejemplo de tal disposición, los medios de equilibrio comprenden una cámara de empuje delimitada en un lado por el lado reverso de la rueda de turboexpansor, estando la cámara de empuje en comunicación de fluido de gas con el extremo de la rueda de turboexpansor a través una junta, típicamente una junta laberíntica, comprendiendo la cámara de empuje un conducto de salida acoplado a la misma, comprendiendo el conducto de salida, dispuesta en su interior, una válvula de control de flujo que puede ser ajustada para equilibrar las presiones en los lados anverso y reverso de la rueda de turboexpansor. Típicamente, la válvula de control de flujo está dispuesta para responder a señales procedentes de un sensor de empuje axial que está en un cojinete magnético axial que soporta el rotor.

La máquina de acuerdo con la invención se describe a continuación a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es un alzado lateral en sección esquemático de la máquina;

La figura 2 es un organigrama de un equipo complementario para la máquina mostrada en la figura 1; y

La figura 3 es una vista de lado esquemática de una planta que comprende dos máquinas del tipo mostrado en las figuras 1 y 2.

Los dibujos no son a escala.... [Seguir leyendo]

1. Máquina para recuperar energía de un flujo de gas comprimido, estando la máquina alojada en un tramo de tubo (14) que forma parte de una tubería, comprendiendo la máquina, en primer lugar, un turboexpansor (2) que tiene una rueda de turboexpansor (6) y, en segundo lugar, un generador (4) que tiene un rotor (10) y un estator (12) , pudiendo ser el rotor accionado por la rueda de turboexpansor, en la que el lado anverso (7) de la rueda de turboexpansor (6) está orientado hacia el generador (4) , caracterizada porque la superficie exterior del estator (12) comprende aletas de refrigeración (44) y porque hay un conducto no estrangulado para el flujo de gas expandido que pone el lado anverso (7) de la rueda de turboexpansor (6) en comunicación de fluido de gas con la superficie exterior del estator

(12) , teniendo la rueda de turboexpansor (6) un flujo de entrada radial.

2. Máquina según la reivindicación 1, en la que el lado anverso de la rueda de turboexpansor (6) está igualmente en comunicación de fluido de gas a través de una junta (60) con un espacio de gas definido entre el rotor (10) y una superficie interior del estator (12) .

3. Máquina según la reivindicación 2, en la que la junta (60) es una junta laberíntica.

4. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el rotor y la rueda de turboexpansor (6) están montados sobre un árbol soportado por una pluralidad de cojinetes magnéticos (52, 54, 56, 58) ,

comprendiendo los cojinetes magnéticos (52, 54, 56, 58) cojinetes magnéticos radiales (52, 54) y axiales (56, 58) separados.

5. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la máquina comprende además medios para equilibrar las presiones en los lados anverso y reverso de la rueda de turboexpansor (6) . 25

6. Máquina según la reivindicación 5, en la que los medios de equilibrio comprenden una cámara de empuje delimitada en un lado por el lado reverso de la rueda de turboexpansor, estando la cámara de empuje en comunicación de fluido de gas con el extremo de la rueda de turboexpansor a través de una junta laberíntica o de otra junta, comprendiendo la cámara de empuje un conducto de salida acoplado a la misma, comprendiendo el

conducto de salida, dispuesta en su interior, una válvula de control de flujo que puede ser ajustada para equilibrar las presiones en los lados anverso y reverso de la rueda de turboexpansor.

7. Máquina según la reivindicación 6, en la que la válvula de control de flujo está dispuesta para responder a las señales procedentes de un sensor de empuje axial en un cojinete magnético axial que soporta el rotor. 35

8. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando la máquina asociada a un precalentador para precalentar el flujo de gas comprimido para ser turboexpandido.

9. Máquina según la reivindicación 8, en la que el precalentador está situado en otro tramo de tubo aguas arriba de 40 la máquina.

10. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que el generador comprende una entrada adicional para refrigerante gaseoso que pone un espacio definido entre el rotor y el estator en comunicación de fluido de gas con otro tramo de tubo aguas arriba del tubo.

11. Máquina según las reivindicaciones 9 y 10, en la que el otro tramo de tubo con el que se comunica dicha entrada adicional para refrigerante gaseoso es el mismo tramo de tubo en el que está situado el precalentador.

12. Máquina según la reivindicación 11, en la que dicha entrada adicional para refrigerante gaseoso se comunica 50 con una zona del otro tramo de tubo aguas arriba del precalentador.

13. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la máquina comprende además al menos una rueda de turbina adicional.

14. Pluralidad de máquinas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores dispuestas en línea.

15. Tubería de distribución de gas natural, que comprende una máquina según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.