Método para el control de la temperatura del gas caliente de una turbina de gas.

Método para el control de la temperatura de un gas caliente (H) de una turbina de gas (1),

particularmente de unaturbina de gas fija para generar corriente,

que presenta un dispositivo de inyección (9) para la inyección de un líquido (W) en un flujo de aire (L) que puede seraspirado por un compresor (3), con cuya ayuda se quema un combustible (B) en una cámara de combustión (5)dispuesta a continuación, y se conforma el gas caliente (H) que a continuación se descomprime mientras circula através de la pieza de turbina (7) dispuesta a continuación,

que presenta un dispositivo de medición de la temperatura (MTU) que registra la temperatura del flujo de aire (L)antes del compresor (3),

en donde la temperatura del gas caliente se ajusta mediante la cantidad de combustible,en donde el dispositivo de medición de la temperatura (MTU) se encuentra dispuesto antes del dispositivo deinyección (9),

caracterizado porque la temperatura (Tv1) del flujo de aire (L) en la entrada (12) del compresor (3), se calculamediante la temperatura medida (Tu) considerando la evaporación del líquido inyectado (W) en el flujo de aire (L).

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E03022209.

Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2 80333 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: NUDING,JOACHIM-RENÉ, LEUSDEN,CHRISTOPH PELS DR, TAPPEN,MARCO DR.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F01D17/08 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F01 MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN GENERAL; MAQUINAS DE VAPOR.F01D MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO, p. ej., TURBINAS DE VAPOR (motores de combustión F02; máquinas o motores de líquidos F03, F04; bombas de desplazamiento no positivo F04D). › F01D 17/00 Regulación o control mediante variación del flujo (para inversión del sentido de marcha F01D 1/30; por variación de la posición de los álabes del rotor F01D 7/00; especialmente para el arranque F01D 19/00; para la parada F01D 21/00; regulación o control en general G05). › sensibles a las condiciones del fluido de trabajo, p. ej. a la presión.
  • F02C7/143 F […] › F02 MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES CALIENTES O DE PRODUCTOS DE COMBUSTION.F02C PLANTAS MOTRICES DE TURBINAS DE GAS; TOMAS DE AIRE PARA PLANTAS DE PROPULSION A REACCION; CONTROL DE LA ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE EN PLANTAS DE PROPULSION A REACCION QUE CONSUMEN AIRE (estructura de turbinas F01D; plantas de propulsión a reacción F02K; estructura de compresores o ventiladores F04; aparatos de combustión en los que la combustión tiene lugar en un lecho fluidizado de combustible u otras partículas F23C 10/00; elaboración de productos de combustión a alta presión o gran velocidad F23R; utilización de turbinas de gas en plantas de refrigeración por compresión F25B 11/00; utilización de turbinas de gas en vehículos, véanse las clases apropiadas relativas a vehículos). › F02C 7/00 Características, partes constitutivas, detalles o accesorios, no cubiertos por, o con un interés distinto que, los grupos F02C 1/00 - F02C 6/00; Tomas de aire para plantas motrices de propulsión a reacción (control F02C 9/00). › antes o entre las etapas del compresor.
  • F02C9/16 F02C […] › F02C 9/00 Control de las plantas motrices de turbinas de gas; Control de la alimentación de combustible en las plantas de propulsión a reacción que consumen aire (control de las tomas de aire F02C 7/057; control de turbinas F01D; control de compresores F04D 27/00). › Control del flujo del fluido energético (F02C 9/48 tiene prioridad; control del flujo de la toma de aire F02C 7/057).
  • F02C9/28 F02C 9/00 […] › Sistemas de regulación que responden a parámetros establecidos o de ambiente, p. ej. temperatura, presión, velocidad del rotor (F02C 9/30 - F02C 9/38, F02C 9/44 tienen prioridad).

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Método para el control de la temperatura del gas caliente de una turbina de gas.

Fragmento de la descripción:

Método para el control de la temperatura del gas caliente de una turbina de gas La presente invención hace referencia a un método para el control de la temperatura del gas caliente de una turbina de gas, de acuerdo con el concepto general de las reivindicaciones 1 ó 2.

Se conoce la utilización de turbinas de gas posicionadas en zonas fijas para generar energía mecánica, que generalmente mediante un generador, se transforma en energía eléctrica. Para dicho fin, en la turbina de gas se quema un combustible fósil con un flujo de aire comprimido por el compresor, para obtener un gas caliente, que se descomprime a continuación con una potencia de trabajo en una turbina en el rotor. La turbina de gas se acciona de manera que se suministre suficiente energía al eje del rotor para generar la energía eléctrica, en donde no se debe exceder una temperatura máxima del gas caliente en la entrada de la turbina.

La temperatura en la entrada de la turbina no se puede medir instantáneamente debido a sus valores elevados. Por lo tanto, se registra la temperatura del gas de escape que predomina en la salida de la turbina, a partir de la cual se puede inferir, mediante cálculos, la temperatura en la entrada de la turbina. Mediante la cantidad de combustible introducido en la cámara de combustión, se puede controlar la temperatura en la salida de la turbina y, de esta manera, indirectamente se puede controlar también la temperatura en la entrada de la turbina, en donde dicha temperatura depende también de la temperatura del aire en la entrada del compresor. Para simplificar el control de la turbina de gas, se calcula una variable auxiliar mediante un modelo matemático, en el cual la temperatura en la salida de la turbina ya no depende de la temperatura en la entrada del compresor. La variable auxiliar se indica como la temperatura en la salida de la turbina corregida. Esta temperatura sólo depende de la cantidad de combustible utilizado, de manera que se logra un control simple de la turbina de gas. El control depende además de la frecuencia de red de la corriente generada por el generador, sin embargo, en este caso no se considera la influencia mencionada.

Para incrementar el rendimiento de la turbina de gas, al flujo de aire aspirado por el compresor, se le puede suministrar también agua antes de la compresión, con el fin de incrementar el flujo másico a través de la turbina de gas. El funcionamiento mencionado se conoce en general como un funcionamiento de “compresión húmeda” (wet compression) .

La temperatura del aire aspirado difiere permanentemente de la temperatura del líquido inyectado. Dado que en la entrada del compresor, el líquido introducido humedece los dispositivos de medición de la temperatura para medir las temperaturas del aire, los dispositivos de medición de la temperatura mencionados no registran la temperatura del aire, sino que registran la temperatura del líquido.

Cuando debido a una temperatura medida en la entrada del compresor aparentemente elevada, se determina una temperatura menor en la salida de la turbina como la temperatura efectiva existente, el regulador de la turbina de gas incrementa el suministro de combustible hacia la cámara de combustión para compensar la supuesta diferencia. Sin embargo, la turbina de gas puede presentar una combustión excesiva, es decir, que la temperatura efectiva en la entrada de la turbina puede ser mayor que la temperatura máxima permitida en la entrada de la turbina. La turbina de gas por tanto presentaría una combustión insuficiente cuando se efectúe una medición de temperatura efectiva baja en la entrada del compresor.

La combustión excesiva de la turbina de gas, puede conducir a un sobrecalentamiento de los componentes sometidos al gas caliente y, de esta manera, puede generar una reducción de su vida útil o también puede generar defectos. Por el contrario, la combustión insuficiente de la turbina de gas conduce a una pérdida de rendimiento.

Además, a partir de la patente US 2002/083712 A1 se conoce un dispositivo de control de inyección de agua para un sistema de admisión de aire de una turbina de gas. El sistema de control del dispositivo de control modifica y limita la inyección de agua en base a la humedad del aire aspirado, al punto de condensación de la temperatura ambiente, a la temperatura del aire seco del aire del ambiente y/o en base al flujo de la entrada del compresor. No se realiza una detección de la temperatura del gas de escape de la turbina de gas.

El objeto de la presente invención consiste en obtener un método para el control de la temperatura del gas caliente de una turbina de gas, en el que en el funcionamiento con compresión húmeda, se incrementa la vida útil de los componentes sometidos al gas caliente y, sin embargo, se logra una potencia generada lo más elevada posible.

El objeto orientado al método se resuelve mediante las características de las reivindicaciones 1 ó 2. Los acondicionamientos ventajosos se indican en las reivindicaciones relacionadas.

La solución prevé que el método calcule la temperatura del flujo de aire en la entrada del compresor, mediante la temperatura del aire medida, considerando la evaporación del líquido inyectado en el flujo de aire. Se detecta un

coeficiente de rendimiento para la evaporación mediante los cálculos y/o pruebas, a partir del cual se determina la temperatura del aire presente en la entrada del compresor, con la ayuda de la temperatura mínima posible. Mediante el control mencionado se pueden aplicar las condiciones reales en relación con la evaporación del líquido introducido, durante el recorrido hasta la entrada del compresor y, de esta manera, se puede lograr un funcionamiento seguro y con una potencia mayor de la turbina de gas, que evita tanto una combustión excesiva como una combustión insuficiente de la turbina de gas.

En un perfeccionamiento ventajoso se puede determinar la humedad del flujo del aire, mediante dispositivos de medición para la humedad del aire, antes del dispositivo de inyección. Mediante el conocimiento de la humedad del aire y de la temperatura del aire del flujo de aire aspirado, se puede determinar una evaporación del líquido introducido, durante el recorrido hasta la entrada del compresor. Mediante la integración de la humedad del aire, se puede calcular de una manera particularmente precisa, la temperatura en la entrada del compresor.

Cuando la temperatura del flujo de aire en la entrada del compresor se calcula mediante una función en base a las distribuciones de la temperatura del aire y de la humedad, la determinación resulta particularmente simple.

En un perfeccionamiento ventajoso, las distribuciones de la temperatura del aire y de la humedad se pueden predeterminar en forma de diagramas, de manera que se puede representar de una manera particularmente simple la dependencia de la evaporación del líquido inyectado en el flujo de aire. Esta representación contribuye a la realización de un cálculo simple.

En otro acondicionamiento del control, se determina una temperatura mínima posible con una evaporación del 100%, que se utiliza como una compensación para la temperatura en la entrada del compresor. Se supone que el líquido introducido mediante el dispositivo de inyección se evapora hasta lograr una humedad del aire relativa del 100% en la entrada del compresor. Ante la suposición mencionada, se puede determinar una temperatura mínima alcanzable (la menor posible) en la entrada del compresor, junto con la humedad del aire y la temperatura del aire medida. En el caso que como temperatura del flujo de aire en la entrada del compresor, se utilice la temperatura mínima posible, la temperatura efectiva existente en la entrada del compresor es siempre mayor en comparación con la temperatura mínima posible, dado que nunca se alcanza una humedad del aire del 100% sin influencias exteriores. Para este caso se realiza siempre una combustión insuficiente de la turbina de gas. De esta manera, se evita un sobrecalentamiento de los componentes sometidos al gas caliente, de manera que no se reduzca la vida útil de los componentes.

Un control mejorado de la turbina de gas se logra cuando la temperatura del flujo de aire en la entrada del compresor, se calcula considerando la evaporación efectiva del líquido inyectado en el flujo de aire.

En un acondicionamiento preferido del control, se modifica la cantidad de líquido inyectado en el flujo del aire, en relación con la evaporación. Convencionalmente, los compresores para turbinas de gas están dimensionados para una cantidad de líquido predeterminada, que se evapora durante la compresión. Sin embargo, mediante la evaporación, antes de la compresión se evapora una fracción reducida... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método para el control de la temperatura de un gas caliente (H) de una turbina de gas (1) , particularmente de una turbina de gas fija para generar corriente,

que presenta un dispositivo de inyección (9) para la inyección de un líquido (W) en un flujo de aire (L) que puede ser aspirado por un compresor (3) , con cuya ayuda se quema un combustible (B) en una cámara de combustión (5) dispuesta a continuación, y se conforma el gas caliente (H) que a continuación se descomprime mientras circula a través de la pieza de turbina (7) dispuesta a continuación,

que presenta un dispositivo de medición de la temperatura (MTU) que registra la temperatura del flujo de aire (L) antes del compresor (3) ,

en donde la temperatura del gas caliente se ajusta mediante la cantidad de combustible,

en donde el dispositivo de medición de la temperatura (MTU) se encuentra dispuesto antes del dispositivo de inyección (9) ,

caracterizado porque la temperatura (Tv1) del flujo de aire (L) en la entrada (12) del compresor (3) , se calcula mediante la temperatura medida (Tu) considerando la evaporación del líquido inyectado (W) en el flujo de aire (L) .

2. Método para el control de la temperatura de un gas caliente (H) de una turbina de gas (1) , particularmente de una turbina de gas fija para generar corriente,

que presenta un dispositivo de inyección (9) para la inyección de un líquido (W) en un flujo de aire (L) que puede ser aspirado por un compresor (3) , con cuya ayuda se quema un combustible (B) en una cámara de combustión (5) dispuesta a continuación, y se conforma el gas caliente (H) que a continuación se descomprime mientras circula a través de la pieza de turbina (7) dispuesta a continuación,

que presenta un dispositivo de medición de la temperatura (MTU) que registra la temperatura del flujo de aire (L) antes del compresor (3) ,

en donde la temperatura del gas caliente se ajusta mediante la cantidad de combustible,

en donde el dispositivo de medición de la temperatura (MTU) se encuentra dispuesto antes del dispositivo de inyección (9) ,

caracterizado porque la temperatura (Tv1) del flujo de aire (L) en la entrada (12) del compresor (3) , se determina como una temperatura mínima posible (TwetBulb) , ante la cual se realiza una evaporación suficiente que permite obtener una humedad del aire (FU) del 100 % en la entrada (12) del compresor (3) .

3. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la temperatura del gas caliente se detecta en la salida (6) de la pieza de turbina (7) .

4. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque antes del dispositivo de inyección (9) se puede determinar la humedad (Fu) del flujo de aire (L) , mediante dispositivos de medición de la humedad del aire (MFU) .

5. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la cantidad de líquido inyectado

(W) en el flujo de aire (L) se modifica en relación con la evaporación.

6. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el líquido agua es particularmente agua destilada.

7. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la temperatura (Tv1) se calcula mediante una función en base a las distribuciones de la temperatura y humedad.

8. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las funciones se pueden predeterminar en forma de diagramas.


 

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