Planta híbrida de ciclo combiando solar-gas y método de funcionamiento.

Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas y método de funcionamiento con dos circuitos,

uno de aire y otro de vapor, el de aire con turbina de gas con intercambiador de refrigeración con aporte de gas natural, y el de vapor con turbina de vapor así como sistemas de almacenamiento. El circuito de vapor puede contar con receptor solar de vapor o de sales. Esta planta permite trabajar de manera más fiable al reducir la temperatura de trabajo del aire en el receptor.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201201296.

Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: ESTEBAN GARMENDIA,ANTONIO, Olavarria Rodriguez-Arango,Rafael, Barragan Jimenez,José, NÚÑEZ BOOTELLO,JUAN PABLO, MARTÍN SÁNCHEZ,Manuel, MARTÍN DE OLIVA FERRARO,Francisco, KORZYNIETZ,Román, FERRERES RAPOPORT,Sonia.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F02C3/00 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.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). › Plantas motrices de turbinas de gas caracterizadas por la utilización de productos de combustión como fluido energético (generado por combustión intermitente F02C 5/00).

Fragmento de la descripción:

PLANTA HÍBRIDA DE CICLO COMBINADO SOLAR-GAS Y MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO

Sector técnico de ia invención

La presente invención pertenece al campo de la tecnología solar. Concretamente al sector de las plantas solares híbridas que combinan la energía solar con el gas natural.

Antecedentes de la invención

Las plantas híbridas de ciclo combinado gas-solar combinan los beneficios de la energía solar con los de un ciclo combinado. Mientras una planta convencional de ciclo combinado está formada por una turbina de gas, un recuperador de calor y una turbina de vapor, en el caso de una planta híbrida solar, se utiliza la energía solar como energía auxiliar que permitirá incrementar el rendimiento del ciclo y disminuir las emisiones.

El funcionamiento de una planta híbrida de ciclo combinado gas-solar es semejante al de una planta de ciclo combinado convencional. El funcionamiento del ciclo de gas es análogo en ambas tecnologías. El aporte energético auxiliar procedente del campo solar se realiza en el ciclo Brayton, de tal forma que el recurso solar sustituye parcialmente el uso del combustible fósil. Por todo ello, en este tipo de centrales, el diseño e integración del campo solar en el sistema convencional es crítico para el correcto funcionamiento de la central.

En el estado del arte se encuentran diferentes referencias a plantas híbridas con energía solar en la que aparece un ciclo Brayton. Un ejemplo de ello es la patente W02008153946. En este documento la planta está compuesta por un ciclo Brayton y un segundo ciclo Rankine para generar electricidad y cuyo fluido de trabajo por lo tanto es vapor. Esta patente incluye además el almacenamiento del primer fluido de trabajo calentado previamente mediante energía solar de alta concentración. El inconveniente que presenta esta planta es que para asegurar índices solares elevados (solar share (SS) en la terminología inglesa, definido como el cociente entre el calor aportado por el campo solar y el calor proveniente de quemar gas natural, SS = Qso- lar/Qgas natural) se debe trabajar a temperaturas de salida del receptor de al menos de 800°C. Estas condiciones no hacen fiable o segura la planta ya que son temperaturas muy elevadas de trabajo para los distintos componentes. Las experiencias en relación a receptores de aire, indican que una temperatura de salida del receptor de 600°C permite operar las plantas con mayor seguridad. Receptores de aire como por

ejemplo el SOLAIR-TSA presentaban además a dicha temperatura la mayor eficiencia.

Otro inconveniente que tiene el trabajar con temperaturas superiores a 600°C es que por ser las plantas del estado del arte de alta potencia, la turbina de gas debe estar instalada a ras de suelo, por ello, mantener una temperatura más elevada a la salida del receptor (con el fin de aumentar el índice solar) hace que la tubería de bajada a la unidad de turbina de gas tenga más perdidas de calor y sufra más estrés térmico.

Otro ejemplo en el estado del arte está descrito en la tesis doctoral Thermoeconomic analysis and optimisation of air-based bottoming cycles for wáter-free hybrid solar gas-turbine power plants, de Raphaél Sandoz y publicada en 2012. En esta tesis se divulga un ciclo combinado híbrido gas-gas y la utilización de un intercambiador de refrigeración entre un compresor de baja y alta presión previo a una etapa de recuperación tras la segunda turbina de gas. El uso de dicho refrigerador permite reducir el trabajo realizado por el compresor de alta presión y permite además aumentar la potencia de la turbina de gas, aumentando la densidad del aire de la entrada por enfriamiento de dicha corriente y por lo tanto, en épocas de altas temperaturas, mantener las potencias nominales sin tener que gastar excesivamente el combustible. La planta de la tesis doctoral incluye dos turbinas de gas.

Otra referencia en el estado del arte es la patente WO2012042655. En este documento se describe un sistema de turbina de gas en el que se incluye un sistema adicional de tuberías para pulverizar agua con el fin de disminuir la temperatura de entrada al compresor. Un concepto similar al intercambiador de refrigeración. El inconveniente que presenta este sistema de refrigeración es que está limitado el descenso de temperatura ya que el agua que se pulveriza es a temperatura ambiente, además de necesitar un aporte de agua por encima de lo deseado.

En cuanto a los sistemas de almacenamiento, empleados en el estado del arte, en plantas solares termoeléctricas se viene empleando o bien almacenamiento en agua saturada/vapor a presión o en sales fundidas.

Otro tipo de almacenamiento no aplicado hasta ahora en plantas solares, pero sí en otras aplicaciones, es el denominado almacenamiento frío que se basa en el enfriamiento de un fluido gracias a la emisión por radiación al cielo durante la noche, a la cual llamaremos radiación nocturna. Si se define como temperatura de cielo la de un cuerpo negro con una emisión de potencia por unidad de superficie igual a la que recibe la Tierra en la misma área, resulta que esta temperatura es inferior a la temperatura ambiente, lo que da lugar a que, durante la noche, una superficie hori

zontal sobre la tierra emita hacia el cielo más radiación de la que recibe y, por consiguiente, que se enfríe. Así pues, el uso del cielo frío como sumidero de calor para fuentes radiantes sobre la superficie terrestre es una técnica de enfriamiento que se puede utilizar durante la noche para, mediante la utilización de un sistema de almacenamiento térmico (cool thermal energy storage CTES ó almacenamiento frío en español) bajar la temperatura de un fluido. Así, zonas con baja humedad como los desiertos y zonas con altura elevada frente al nivel del mar pueden generar amplias caídas de temperatura. Diferencias de hasta 400 °C se han medido para cuerpos quasi negros aislados térmicamente en el desierto de Atacama en Chile (Eriksson and Granqvist). Este fenómeno ya conocido, denominado también efecto de cielo frío será aplicado en la planta de la invención que nos ocupa.

Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo proporcionar una planta híbrida solar-gas que aumenta el índice solar de las plantas híbridas de ciclo combinado gas-solar del estado del arte, opera con una mayor fiabilidad y eficiencia del receptor, disminuye el coste de las plantas y las perdidas térmicas por el transporte del primer fluido caloportador a la turbina de gas y evita los demás problemas encontrados hasta el momento.

Descripción de la invención

La invención consiste en una planta híbrida de ciclo combinado solar-gas que comprende dos ciclos, el primero de ellos tiene como fluido de trabajo gas (preferentemente aire) y el segundo ciclo tiene como fluido de trabajo vapor y como fluido calo- portador sal o agua.

La planta cuenta entre otros elementos con: al menos dos receptores solares (siendo uno de ellos de gas preferentemente de aire), al menos una turbina de gas con intercambiador de refrigeración (intercooler en inglés), aporte de gas natural, al menos una turbina de vapor y sistemas de almacenamiento.

Gracias a la configuración de la planta de la invención que nos ocupa y que se describirá a continuación, las condiciones de operación de la planta se modifican con respecto a las condiciones habituales de las plantas híbridas del estado del arte que se ajustan a un ciclo Brayton. La finalidad de la invención es aumentar el índice solar (SS, solar share) de las planta híbridas de ciclo combinado gas-solar del estado del arte que trabajan con gas natural sin necesidad de aumentar la temperatura de salida del aire del receptor (temperatura objetivo), de manera que las nuevas condiciones aporten fiabilidad a la planta, siendo estas condiciones inferiores en temperatura de operación en el receptor a las de los ciclos Brayton habituales. Debido a este aumen

to del índice solar, la planta de nuestra invención será denominada de ahora en adelante planta híbrida de ciclo combinado solar-gas frente a las de gas-solar del estado del arte.

Si se consigue una temperatura de salida del primer fluido (gas, preferentemente aire) inferior en el receptor a las del estado del arte, las temperaturas que se alcanzan en éste son también inferiores, pudiéndose emplear materiales menos exigentes en cuanto a fatiga térmica, reduciendo el coste del receptor, y consiguiendo así una mayor fiabilidad de la planta.

Para conseguir un aumento del índice solar con una temperatura en el receptor inferior a la del estado del arte se hace uso de un intercambiador de refrigeración que disminuye la temperatura de entrada al receptor. El aporte solar deseado para aumentar la temperatura del primer fluido en el receptor...

 


Reivindicaciones:

1. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas, caracterizada porque está formada por dos ciclos: un primer ciclo cuyo fluido de trabajo es gas que comprende un compresor de baja presión (1) que se conecta a un intercambiador de refrigeración (2), el cual tiene conectada su salida a un compresor de alta presión (3) que está directamente conectado a al menos un receptor solar de gas (11) y a una cámara de combustión (5), la salida del receptor (11) se conecta a la cámara de combustión (5) y la salida de la cámara de combustión (5) se conecta a al menos una turbina de gas (4), la cual se conecta a un generador de electricidad (6) y un segundo ciclo con un fluido caloportador para la generación de vapor como fluido de trabajo, que comprende al menos un receptor solar (12 ó 17) y una turbina de vapor (7), contando la planta con al menos un tanque de almacenamiento.

2. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 1, caracterizada porque en el segundo ciclo el fluido caloportador es agua y el receptor solar es de vapor (12), estando conectada la salida del receptor (12) a una turbina de vapor (7) y la salida de dicha turbina (7) por un lado a un generador de electricidad (6) y por otro a un condensador (14), estando conectada la salida de dicho condensador a un recuperador de calor (10).

3. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 1, caracterizada porque en el segundo ciclo el fluido caloportador son sales, y el receptor solar es de sales (17) y se conecta a un intercambiador de sales/agua (18), conectado a su vez con al menos un tanque caliente (15) para el almacenamiento de sales y con al menos un tanque frío (16) de almacenamiento de sales.

4. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 1, caracterizada porque la bajada y subida de fluidos se hace a través de una tubería (19) rodeada de un conjunto de tuberías de gas (20) de manera que ambas comparten un mismo aislante (21).

5. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 1, caracterizada porque incluye un tanque de almacenamiento frío (13) cuya salida se conecta a la entrada del compresor de baja presión (1), dicho tanque (13) consiste en un tanque de enfriamiento del gas a partir de un intercambiador con otro fluido (puede ser agua fría).

6. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el gas del primer ciclo es aire y el almacenamiento se realiza en un tanque de agua saturada/vapor a presión.

7. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas descrita en las reivindicaciones anteriores caracterizado porque tiene dos ciclos de funcionamiento, donde el primer ciclo tiene como fluido de trabajo un gas y comprende las siguientes etapas:

- el gas se introduce en compresor de baja presión (1),

- a la salida de este compresor (1) se hace pasar el gas por un intercambiador de refrigeración (2),

- posteriormente se introduce en un compresor de alta presión (3),

- a continuación se conduce hasta la cámara de combustión (5),

- para posteriormente pasar por una turbina de gas (4) y generar electricidad (6);

el segundo ciclo, donde el fluido de trabajo es vapor y que comprende las etapas esenciales de:

- calentamiento de un fluido caloportador en un receptor solar (12 ó 17) para la posterior generación del fluido de trabajo (vapor),

- expansión del vapor en la turbina (7) generando electricidad (6),

- el vapor que sale de la turbina de vapor (7) se hace pasar por un condensador (14) para su posterior reutilización.

8. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 7 caracterizado porque el gas comprimido procedente del compresor de alta presión (3) se hace pasar por un receptor solar (11) con el objetivo de aumentar la temperatura, antes de introducirlo en la cámara de combustión (5).

9. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 ó 8 caracterizado porque el fluido procedente de la turbina de gas (4) se recirculara a un recuperador de calor (10) hacia el compresor de baja (1).

10. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 ó 8 caracterizado porque parte del agua que sale del condensador (14) se hace pasar por un recuperador de calor (10) que aprovecha el calor de los gases desprendidos en la turbina de gas (4) y que genera vapor que se incorpora al vapor calentado para continuar el ciclo.

11. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 ó 8 caracterizado porque en el segundo ciclo el fluido calo- portador es agua y el receptor solar es de vapor (12).

12. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 ó 8 caracterizado porque en el segundo ciclo el receptor solar es de sales y tras la etapa del calentamiento del fluido caloportador (sales) en un receptor solar (17) estas sales se conducen a un intercambiador sales/agua (18) donde se genera el vapor y a continuación las sales se conducen al receptor (17) y vuelve a empezar el ciclo de sales.

13. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 ó 8 caracterizado porque en el segundo ciclo el receptor solar es de sales y tras la etapa del calentamiento del fluido caloportador (sales) en un receptor solar (17):

- estas sales se almacenan en al menos un tanque caliente (15) y del tanque caliente (15) irán al intercambiador sales/agua (18) donde se genera el vapor,

- y tras el intercambiador de sales/agua (18), las sales se conducen hasta al menos un tanque frío (16), donde se almacenan hasta que de nuevo vuelva el aporte solar y se hagan pasar por el receptor (17) comenzando el ciclo de sales.

14. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 12 ó 13 caracterizado porque el agua que sale del condensador (14) se circula parte a un ¡ntercambiador de sales/agua (18) para la generación de vapor y parte a un recuperador de calor (10).

15. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 ó 8 caracterizado porque el gas que sale del receptor solar (11) está a la misma temperatura que el vapor o las sales que salen del receptor solar (12 ó 17).

16. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones anteriores caracterizado porque el gas es aire.

17. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 16 caracterizado porque:

- el aire se introduce en el compresor de baja presión (1) a aproximadamente 20 °C ,

- el aire que sale del compresor de alta presión (3) se encuentra a 250 °C y se hace pasar por un receptor solar de aire (11) aumentando la temperatura hasta 600°C,

- y en la cámara de combustión (5) el aire alcanza 1400°C.


 

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