Método de operación de una planta solar termoeléctrica.

Método de operación de una planta solar termoeléctrica que permite la operación de las turbinas de sobrecalentado de alta,

media y baja presión tanto con vapor sobrecalentado como con vapor saturado. La planta ha de contar con almacenamiento de energía en tanques de vapor a altas presiones. El procedimiento descrito permite introducir vapor saturado directamente en una turbina de vapor sobrecalentado. Este vapor recibe un recalentamiento intermedio entre la turbina de alta presión y las de media y baja presión para alcanzar condiciones de vapor sobrecalentado.

El modo de operación propuesto en la invención facilita la operación de la planta en periodos sin sol (durante transitorios, como el paso de nubes, o en periodos nocturnos) o bien durante la descarga de acumuladores (tanques de vapor saturado a alta presión).

MÉTODO DE OPERACiÓN DE UNA PLANTA SOLAR TERMOELÉCTRICA

Sector técnico de la invención La presente invención pertenece al campo de los métodos de operación de las plantas solares termoeléctricas y dentro de estos métodos a los especialmente concebidos para poder aprovechar la planta incluso cuando no hay sol (transitorios o periodos nocturnos) . Antecedentes de la invención Existen varios tipos de clasificaciones posibles para las turbinas de vapor. Una de ellas es, en función del tipo de vapor para el cual han sido diseñadas, hablándose así de turbinas de vapor saturado o turbinas de vapor sobrecalentado.Otra, en función de la presión del vapor a la entrada de la turbina. Si el ciclo consta de dos turbinas, la primera será de alta presión y la segunda de baja presión. Si además se dispone de una turbina intermedia ésta se llamará de media presión. Estas dos clasificaciones son por tanto independientes, existiendo así todas las combinaciones posibles entre ambas, por ejemplo turbinas de alta presión de vapor sobrecalentado o turbinas de alta presión de vapor saturado. La diferencia entre las turbinas de vapor sobrecalentado y vapor saturado es constructiva y trascendente, ya que internamente difieren en aspectos muy importantes en cuanto al material, tamaño, longitud y orientación de los álabes e incluso en cuanto al tamaño de dichas turbinas (siendo mayor en el caso de las turbinas de vapor sobrecalentado que en las de saturado para un mismo caudal másico) . Los primeros álabes de las turbinas de vapor sobrecalentado están preparados para soportar muy altas temperaturas mientras que los últimos álabes se conciben para evitar el deterioro cuando el vapor empieza a presentar humedad (cómo ocurre con el vapor saturado) . En el caso de las turbinas de vapor saturado la humedad es mayor en todos los álabes, por lo que esto se tiene en cuenta en el material de fabricación, en especial en las últimas coronas donde los álabes se refuerzan con.capas de cromo. Es por ello que hasta ahora si un ciclo era de vapor saturado, era imperativo emplear turbinas de vapor saturado y si éste era de vapor sobrecalentado, se debían emplear turbinas de vapor sobrecalentado. Debido a esto, cuando hasta ahora en la literatura se está describiendo un ciclo de potencia concreto, se tiende a designar las turbinas por la presión de entrada del vapor (alta, media o baja presión) , obviando en muchos casos la designación en función del tipo de vapor que las alimenta ya que eso viene implícito en las propiedades

del fluido. En los ciclos de potencia en los cuales el fluido de entrada a la turbina de alta presión es vapor sobrecalentado, es habitual realizar un recalentamiento entre la turbina de alta y la de baja (o de media presión) , aunque a la salida de la turbina de alta presión el vapor siga teniendo un mínimo sobrecalentamiento. Esto se realiza debido a que la eficiencia del ciclo se incrementa considerablemente a medida que se incrementa el sobrecalentamiento del vapor (mayor temperatura y mayor presión en el vapor incrementa la diferencia de entalpías en la expansión y por tanto la eficiencia térmica del ciclo Rankine) . Se puede encontrar en diversas patentes distintas configuraciones optimizadas de ciclos de Rankine con el fin de incrementar la eficiencia de dicho ciclo. A continuación se detallan dichas patentes. En la patente US201 00071366 se trata de generar vapor saturado, sobrecalentar con energía solar y enviar este vapor sobrecalentado a una turbina de vapor sobrecalentado. En ella se menciona la posibilidad de enviar directamente a la turbina el vapor saturado, pero que para ello se requeriría cambiar la turbina por una de vapor saturado, no pudiendo emplearse la turbina de vapor sobrecalentado. En el ciclo de la patente US20090260359 (A 1) se genera vapor sobrecalentado que es enviado a una turbina de alta presión. El vapor a la salida de esta turbina es recalentado con aporte solar y enviado a la turbina baja presión. Se menciona además la posibilidad de enviar directamente el vapor a la turbina de baja presión sin pasar por el recalentador. Dado que en ambos modos de operación descritos, ambas turbinas reciben siempre vapor sobrecalentado, las turbinas empleadas son turbinas de vapor sobrecalentado, por los motivos constructivos explicados anteriormente.

En la patente W02011119413 (A2) se alimentan las turbinas únicamente con vapor sobrecalentado. Se emplea un fluido de transferencia de calor para sobrecalentar el vapor antes de su introducción en la turbina de alta presión, y recalentándolo antes de introducirlo en la turbina de baja presión.

En la patente US5754613 se propone un ciclo de vapor para una central nuclear. En dicho ciclo se alimenta con vapor saturado una turbina de alta presión, a la salida de la cual este vapor se sobrecalienta en un recalentador para alimentar con vapor so

brecalentado una turbina de baja presión.

En el ciclo descrito en la patente US20060248897 (A1) se emplea únicamente vapor sobrecalentado. Se trata de un ciclo combinado, en cuyo ciclo de vapor se alimenta la turbina de alta presión con vapor sobrecalentado con los humos de escape. Tras expandirse en dicha turbina, el vapor es sobrecalentado de nuevo por medio de los gases para introducirlo en la turbina de baja presión. Al igual que en la patente anterior, en el ciclo descrito en la patente US5111662 (A) se emplea únicamente vapor sobrecalentado. Igualmente se trata de un ciclo combinado, en cuyo ciclo de vapor la turbina de alta presión es alimentada con vapor sobrecalentado mediante los gases de escape del ciclo de gas. Tras expandirse en dicha turbina, el vapor es sobrecalentado de nuevo por medio de los gases para introducirlo en la turbina de baja presión. Las diferentes configuraciones propuestas en estas patentes, aplicables a todo tipo de plantas de generación de electricidad (incluidas las plantas solares) cuentan con turbinas de alta presión en las que entra el vapor bien saturado o bien sobrecalentado (con más de 100 oC de sobrecalentamiento normalmente) . Pero en ninguna de las patentes se menciona la posibilidad de alimentar una misma turbina con ambos tipos de vapor en función del modo de operación, sino que la misma turbina siempre es alimentada o bien con vapor saturado, o bien con vapor sobrecalentado. En la patente US20100071366 en la cual se plantea la opción de alimentar la turbina con vapor saturado en lugar de vapor sobrecalentado, se explica que para ello se debería cambiar el tipo de turbina. En las centrales de potencia convencionales, la configuración de planta está diseñada para sólo una de las condiciones de vapor (bien saturado o bien sobrecalentado) y el combustible es una variable controlable, por lo que es sencillo generar vapor siempre con las mismas características de presión y temperatura. Las centrales solares termoeléctricas sin embargo se tienen que adaptar al hecho de que el recurso solar es limitado, al contrario que en las centrales convencionales donde el combustible está disponible de forma continua. Para ello, se dispone de diferentes sistemas de almacenamiento que permiten operar en condiciones de transitorio o por la noche, cuando el recurso solar no está disponible. Es bien conocido que resulta muy ineficiente almacenar energía en forma de vapor sobrecalentado debido a su alto volumen específico, que provoca que se requiera una superficie mayor para la transferencia de calor, así como materiales más costosos debido a las elevadas temperaturas, por estas razones, es conveniente almacenar la energía o bien en forma de líquido saturado presurizado o bien mediante el uso de otro fluido (típicamente sales fundidas) .

Uno de los inconvenientes de almacenar la energía utilizando otro fluido es que en

carece y complica la operación de la central de generación eléctrica por tener que instalar nuevos sistemas para el funcionamiento de dicho fluido (intercambiador de calor etc.) . Además, como en las turbinas de los ciclos de vapor sólo se puede turbinar vapor, si la energía almacenada está contenida en otro fluido, esta energía hay que volver a transferirla al agua para generar el vapor que se lleva a la turbina. Este intercambio de energía agua-otro fluido conlleva siempre una pérdida inherente de energía (pérdidas térmicas) y exergía (pérdidas de presión y temperatura) . Para evitar el uso de otro fluido como medio de almacenamiento se puede almacenar la energía sobrante en forma de líquido saturado presurizado. Puesto que el almacenamiento se realiza en líquido saturado presurizado y el ciclo objetivo es un ciclo de alta eficiencia, ciclo Rankine a altas presiones y temperaturas (turbina de vapor sobrecalentado) , hasta ahora se han buscado soluciones y posibles maneras de emplear este tipo de almacenamiento...

1. Método de operación de una planta solar termoeléctrica durante la descarga de acumuladores donde la planta en cuestión es de las formadas por tanques de almacenamiento de vapor saturado, y al menosuna turbina de alta presión de vapor sobrecalentado, y que comprende las siguientes etapas:

Almacenamiento de líquido saturado a alta presión en tanques (8) yreducción de presión en la línea entre tanque (8) y turbina (4) mediante válvula para la producción de vapor saturado o se aporta vapor saturado desde un calderín (12) ,

-el vapor saturado se hace pasar por un separador de humedad (9) para quitar las gotas, -descarga de vapor saturado (1) introduciéndolo en la turbina de vapor sobrecalentado de alta presión (4) , -expansión del vapor en la turbina (4) , generando así electricidad

2. Método de operación de una planta solar termoeléctrica según reivindicación 1 caracterizado porque la planta, además de la turbina de alta presión de vapor sobrecalentado comprende una turbina de media presión de vapor sobrecalentado (5) y tras la expansión del vapor en la turbina de alta presión (4) :

el vapor se hace pasar por un separador de humedad (9) para quitar las go tas, se sobrecalienta del vapor, el vapor sobrecalentado es introducido en la turbina de media presión (5) de vapor sobrecalentado, el vapor se expande en la turbina (5) generando electricidad, dirigiéndose a su salida como vapor saturado

3. Método de operación de una planta solar termoeléctrica según reivindicación 1 caracterizado porque la turbina de media presión es de vapor saturado y tras la expansión del vapor en la turbina de alta presión (4) :

el vapor se hace pasar por un separador de humedad (9) para quitar las go tas, el vapor saturado es introducido en la turbina de media presión (5) de vapor saturado

el vapor se expande en la turbina (5) generando electricidad, dirigiéndose a su salida como vapor saturado.

4. Método de operación de una planta solar termoeléctrica según reivindicación 2 ó 3 caracterizado porque la planta comprende una turbina de baja presión de vapor saturado y tras la expansión del vapor en la turbina de media presión (5) :

entrada del vapor saturado a la turbina de baja presión de vapor saturado, salida de la turbina de baja presión y entrada del vapor al condensador (14) .

5. Método de operación de una planta solar termoeléctrica según reivindicación 2 ó 3 caracterizado porque la turbina de baja presión es de vapor sobrecalentado y tras la expansión del vapor en la turbina de media presión (5) :

entrada del vapor saturado a la turbina de baja presión de vapor sobrecalen

tado, salida de la turbina de baja presión y entrada del vapor al condensador (14) y esa agua se reutiliza en la planta.

6. Método de operación de una planta solar termoeléctrica según reivindicación 1 caracterizado porque la turbina de alta presión de vapor sobrecalentado turbina directamente el vapor saturado a 20 bares o superior.

7. Método de operación de una planta solar termoeléctrica según reivindicación 2 caracterizado porque el vapor se sobrecalienta en un recalentador hasta temperaturas entre 280°C y 350°C.

8. Método de operación de una planta solar termoeléctrica según reivindicación 5

caracterizado porque se almacena líquido saturado en tanques a 130 bares de presión y se reduce desde la presión en el tanque a 92.2 bares mediante el ajuste de una válvula situada en esa línea entre tanque y turbina para la producción de vapor saturado o se aporta vapor saturado desde el calderín,

el vapor se hace pasar por un separador de humedad (9) para quitar las gotas descarga de vapor saturado, introduciéndolo en la turbina de vapor sobreca lentadode alta presióna 92.2 bares y 305°C (temperatura de saturación para esa presión) , expansión en la turbina, generando así electricidad,

salida del vapor de la turbina de alta presión a 26.7bares y 227.5°C el vapor se hace pasar por un separador de humedad para quitar las gotas que dañarían la turbina de sobrecalentado, entrada del vapor en el recalentador de almacenamiento, en el cuál se sobrecalienta hasta 302.5°C tras haber intercambiado energía con otra corriente de vapor saturado a 95 bares proveniente de otro (o el mismo) tanque de almacenamiento, el vapor sobrecalentado a 302.5°C y 23.9bares es introducido en la turbina de vapor sobrecalentado de media presión, al igual que para la turbina de alta presión, el vapor se expande generando electricidad, dirigiéndose a su salida como vapor saturado, entrada del vapor saturado a la turbina de baja presión de vapor sobrecalentado, a 140.7°C y 3.7bares, salida de esta última turbina a una presión de 13m bar, entrada del vapor al condensador y esa agua se reutiliza en la planta.

FIGURA 1

--...

_________15

FIGURA 2