Procedimiento para hacer funcionar una instalación combinada de turbinas de gas y vapor, así como instalación de turbinas de gas y vapor preparada para llevar a cabo el procedimiento y dispositivo de regulación correspondiente.

Procedimiento para hacer funcionar una instalación combinado de turbinas de gas y vapor,

con una turbina de gas (GT), un generador de vapor de calor perdido post-conectado a la turbina de gas (GT) en el lado del gas de escape o del gas de calefacción, el cual presenta al menos una superficie calentadora de evaporador (6) a través de la cual puede circular un medio de flujo, y con una turbina de vapor (DT) post-conectada al generador de vapor de calor perdido en el lado del medio de flujo, en la que el medio de flujo se alimenta al generador de vapor de calor perdido en forma de agua de alimentación, en donde está previsto un circuito de regulación primario para una regulación predictiva de la corriente másica de agua de alimentación, y en donde con base en un valor nominal de sobrecalentamiento, que es característico del sobre-aumento de temperatura del medio de flujo existente a la salida de la superficie calentadora de evaporador (6) con relación a su temperatura de ebullición, y con base en un valor característico de corriente térmica, que es característico de la corriente térmica transferida a través de la superficie calentadora de evaporador (6) desde el gas de calefacción al medio de flujo, teniendo en cuenta el calor acumulador en las piezas constructivas de superficie calentadora de evaporador, se establece un valor nominal primario para la corriente másica de agua de alimentación y la corriente másica de agua de alimentación se post-regula de forma correspondiente, caracterizado porque para la activación de una reserva inmediata de potencia disponible brevemente se reduce el valor nominal de sobrecalentamiento, de un valor normal diseñado para el funcionamiento estacionario de la instalación de turbinas de gas y vapor, con un grado de eficacia relativamente alto, hasta un valor de activación menor.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/067393.

Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2 80333 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: BRUCKNER,JAN, Thomas,Frank, BURGEMEISTER,ANTJE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F22B35/10 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F22 PRODUCCION DE VAPOR.F22B METODOS DE PRODUCCION DE VAPOR; CALDERAS DE VAPOR (conjuntos funcionales de las máquinas de vapor en las que predominan los aspectos motores F01K; retirada de los productos o residuos de combustión, p. ej. limpieza de las superficies contaminadas por combustión de tubos y quemadores, F23J 3/00; sistemas de calefacción central doméstica que emplea vapor F24D; intercambio de calor o transferencia de calor en general F28; producción de vapor en los núcleos de los reactores nucleares G21). › F22B 35/00 Sistemas de control para calderas de vapor (control o regulación de las instalaciones de centrales de vapor F01K 7/00; para regular la alimentación de agua F22D; para controlar la temperatura de sobrecalentamiento F22G 5/00; control de combustión F23N). › del tipo de circulación abierta.

PDF original: ES-2540592_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Procedimiento para hacer funcionar una instalación combinada de turbinas de gas y vapor, así como instalación de turbinas de gas y vapor preparada para llevar a cabo el procedimiento y dispositivo de regulación correspondiente.

La invención se refiere a un procedimiento para hacer funcionar una instalación combinado de turbinas de gas y vapor, con una turbina de gas y con un generador de vapor de calor perdido post-conectado a la turbina de gas en el lado del gas de escape o del gas de calefacción, conforme al preámbulo de la reivindicación 1. La invención se refiere asimismo a una instalación de turbinas de gas y vapor preparada para llevar a cabo el procedimiento así como a un dispositivo de regulación correspondiente

Un generador de vapor de calor perdido es un intercambiador de calor, que recupera calor procedente de una corriente gaseosa caliente. Los generadores de vapor de calor perdido se usan entre otras cosas en instalaciones de turbinas de gas y vapor (instalaciones GUD), que se usan sobre todo para generar corriente. Con ello una instalación GUD moderna comprende habitualmente de una a cuatro turbinas de gas y al menos una turbina de vapor, en donde cada turbina acciona en cada caso un generador (instalación de varios árboles) o una turbina de gas junto con la turbina de vapor acciona, sobre un árbol común, un único generador (instalación de un solo árbol). Los gases de escape calientes de la(s) turbina(s) de gas se utilizan con ello en el generador de vapor de calor perdido para generar vapor de agua. El vapor se alimenta a continuación a la turbina de vapor. Normalmente recaen aproximadamente dos tercios de la potencia eléctrica en la turbina de gas y un tercio en la turbina de vapor.

En este punto cabe citar, para tener una visión completa, que como medio de flujo para el generador de vapor de calor perdido así como la turbina de vapor pueden usarse básicamente diferentes materiales. A continuación se hace referencia a modo de ejemplo a la utilización de agua o vapor de agua, ya que se trata con diferencia del medio de flujo más usual.

Análogamente a las diferentes etapas de presión de una turbina de vapor, también el generador de vapor de calor perdido comprende habitualmente varias etapas de presión con diferentes estados termodinámicos en funcionamiento normal de la mezcla agua-vapor contenida en cada caso. En el circuito de agua de alimentación o vapor circula el medio de flujo en su recorrido de flujo en primer lugar por un economizador, en el que se usa calor residual en la corriente de gas de escape para precalentar el medio de flujo. A éste se conecta el llamado evaporador, que de forma preferida puede estar ejecutado como evaporador de paso forzado y en especial como un llamado evaporador BENSON. A la salida de evaporador se aplica después el medio de flujo como vapor o mezcla de agua-vapor, en donde las posibles humedades residuales se separan en un dispositivo de precipitación allí situado. El vapor conducido ulteriormente se calienta a continuación más en el sobrecalentador. Después de esto el vapor sobrecalentado afluye a la parte de alta presión de la turbina de vapor, allí se expande y se alimenta a la siguiente etapa de presión del generador de vapor. Allí se sobrecaliente de nuevo y a continuación se introduce en la siguiente etapa de presión de la turbina de vapor. A la salida de la turbina de vapor se conecta un condensador, en el que el vapor expandido se condensa y se alimenta como agua de alimentación a un depósito. Por último una bomba de agua de alimentación transporta el agua de alimentación desde el depósito de nuevo al economizador. La corriente másica de agua de alimentación se controla con ello a través de una válvula de regulación post-conectada a la bomba de agua de alimentación.

En función del estado operativo del generador de vapor de calor perdido y, relacionado con ello, de la potencia actual del generador de vapor se regula la corriente másica de agua de alimentación en el circuito de agua de alimentación y en especial en el evaporador. En el caso de variaciones de carga el flujo a través del evaporador debería modificarse, lo más sincronizadamente posible con relación a la entrada de agua, en las superficies calentadoras del evaporador, porque en caso contrario no puede evitarse con seguridad una desviación respecto a un valor nominal de la entalpia específica del medio de flujo a la salida del evaporador. Una desviación indeseada de este tipo de la entalpia específica dificulta la regulación de la temperatura del vapor fresco que sale del generador de vapor y conduce, además de esto, a unas elevadas cargas sobre el material y de este modo a una menor vida útil del generador de vapor.

Para mantener lo más reducidas posible las desviaciones de este tipo de la entalpia específica respecto al valor nominal deseado y, como resultado de ello, unas fluctuaciones de temperatura indeseablemente grandes en todos los estados operativos del generador de vapor, es decir, en especial también en estados transitorios o con cambios de carga, la regulación del flujo de agua de alimentación puede estar configurada a modo de un diseño llamado predictivo o previsor. Con ello se pretende proporcionar, en especial también en el caso de cambios de carga, los valores nominales de corriente másica de agua de alimentación en función del estado operativo actual o a esperar para un futuro próximo. Un sistema de regulación muy conveniente con respecto a esto se describe en las publicaciones para información de solicitud de patente EP 2 65 641 A2 y EP 2 194 32 A1, que tienen ambas su origen en la solicitante. Se hace referencia expresa al manifiesto completo de estos documentos.

A las centrales de energía modernas se le exige no solamente unos elevados grados de eficacia, sino también un modo de funcionamiento lo más flexible posible. A esto pertenece, aparte de unos tiempos de arranque cortos y

unas altas velocidades de variación de carga, también la posibilidad de compensar perturbaciones de frecuencia en la red de interconexión de corriente. Para cumplir estos requisitos la central de energía debe ser capaz de poner a disposición potencias adicionales de por ejemplo un 5% y más en un plazo de unos pocos segundos.

Hasta ahora en las centrales de energía GUD habituales esto se materializaba mediante un aumento de carga de la turbina de gas. En determinadas circunstancias, sin embargo, puede ser posible en especial en el margen de carga superior que el aumento de potencia deseado no pueda se aportado exclusivamente o con la suficiente rapidez por la turbina de gas. Por ello se han buscado entretanto también unas soluciones, en las que la turbina de vapor pueda y deba contribuir también a apoyar la frecuencia, sobre todo en los primeros segundos después de una demanda de potencia.

Esto puede suceder por ejemplo mediante la apertura de unas válvulas de turbina parcialmente estranguladas de la turbina de vapor o de una llamada válvula escalonada, con lo que se reduce la presión de vapor delante de la turbina de vapor. Por medio de esto el vapor procedente del acumulador de vapor del generador de vapor de calor perdido se extrae y se alimenta a la turbina de vapor. Con esta medida se consigue en un plazo de unos pocos segundos un aumento de presión en la central de energía GUD.

Esta potencia adicional puede liberarse en un tiempo relativamente corto, de tal manera que puede compensarse al menos en parte el aumento de potencia retardado a través de la turbina de gas (limitado por su velocidad de variación de carga máxima por motivos constructivos y operativos). Todo el bloque de central de energía realiza a causa de esta medida directamente un salto de potencia y puede mantener también este nivel de potencia permanentemente o incluso superarlo, mediante un aumento de potencia subsiguiente de la turbina de gas, siempre que la instalación se encontrase en el margen de carga parcial en el momento de las reservas de potencia demandadas adicionalmente.

Una estrangulación permanente de las válvulas de turbina para mantener una reserva conduce sin embargo siempre a una pérdida del grado de eficacia, de tal manera que para un modo de funcionamiento económico debería mantenerse lo más bajo posible el grado de estrangulación. Además de esto algunas formas constructivas de generadores de vapor de calor perdido, como por ejemplo los generadores de vapor de paso forzado, presentan en ciertas circunstancias un volumen de acumulación bastante menor que por ejemplo los generadores de vapor de circulación natural. La diferencia en el tamaño del acumulador tiene influencia, en el procedimiento descrito anteriormente, en el comportamiento en el caso de variaciones de carga de la turbina de vapor de la central... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para hacer funcionar una instalación combinado de turbinas de gas y vapor, con una turbina de gas (GT), un generador de vapor de calor perdido post-conectado a la turbina de gas (GT) en el lado del gas de escape o del gas de calefacción, el cual presenta al menos una superficie calentadora de evaporador (6) a través de la cual puede circular un medio de flujo, y con una turbina de vapor (DT) post-conectada al generador de vapor de calor perdido en el lado del medio de flujo, en la que el medio de flujo se alimenta al generador de vapor de calor perdido en forma de agua de alimentación, en donde está previsto un circuito de regulación primario para una regulación predlctlva de la corriente másica de agua de alimentación, y en donde con base en un valor nominal de sobrecalentamiento, que es característico del sobre-aumento de temperatura del medio de flujo existente a la salida de la superficie calentadora de evaporador (6) con relación a su temperatura de ebullición, y con base en un valor característico de corriente térmica, que es característico de la corriente térmica transferida a través de la superficie calentadora de evaporador (6) desde el gas de calefacción al medio de flujo, teniendo en cuenta el calor acumulador en las piezas constructivas de superficie calentadora de evaporador, se establece un valor nominal primario para la corriente másica de agua de alimentación y la corriente másica de agua de alimentación se post-regula de forma correspondiente, caracterizado porque para la activación de una reserva inmediata de potencia disponible brevemente se reduce el valor nominal de sobrecalentamiento, de un valor normal diseñado para el funcionamiento estacionario de la instalación de turbinas de gas y vapor, con un grado de eficacia relativamente alto, hasta un valor de activación menor.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde la conmutación se lleva a cabo de forma abrupta y discontinua.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en donde el valor de activación se elige de tal modo, que el sobreaumento de temperatura permanece positivo durante la fase de activación.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en donde durante la fase de activación se ajusta un sobre-aumento de temperatura dentro de un margen de entre 5 Ky 15 K, de forma preferida de 1 K.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde durante el funcionamiento normal previo a la fase de activación se ajusta un sobre-aumento de temperatura de al menos 3 K, de forma preferida de al menos 4 K.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la temperatura de ebullición del medio de flujo a la salida de la superficie calentadora de evaporador (6) se establece con base en la presión medida del medio de flujo y, dado el caso, con base en otras magnitudes de medición.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, en donde para establecer el valor nominal primario para la corriente másica de agua de alimentación se forma el cociente entre el valor característico de comente térmica y un valor característico diferencial de entalpia, característico del aumento de entalpia del medio de flujo en la superficie calentadora de evaporador (6), y en donde el valor característico diferencial de entalpia se establece con base en el valor nominal de sobrecalentamiento convertido en un valor nominal de entalpia y la entalpia medida del medio de flujo a la entrada de la superficie calentadora de evaporador (6).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, en donde con ayuda de un circuito de regulación secundario, mediante una comparación entre la entalpia medida del medio de flujo a la salida de la superficie calentadora de evaporador (6) y un valor nominal de entalpia allí prefijado, se establece un valor nominal secundario para la corriente másica de agua de alimentación, y en donde la corriente másica de agua de alimentación se postregula con base en un valor nominal total formado por el valor nominal primario y el valor nominal secundario.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en donde el valor nominal primario y el valor nominal secundario se multiplican entre sí para formar el valor nominal total.

1. Procedimiento según la reivindicación 8 ó 9, en donde durante la fase de activación se conmuta el valor nominal de entalpia, de un valor de partida diseñado para el funcionamiento estacionario de la instalación de turbinas de gas y vapor, con un grado de eficacia relativamente alto, a un valor de activación menor.

11. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el valor nominal de entalpia se conmuta fundamentalmente al mismo tiempo que el valor nominal de temperatura.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11, en donde al final de la fase de activación se vuelve, de forma continua y con retardo de tiempo, desde el valor de activación respectivo al valor normal correspondiente.

13. Instalación combinado de turbinas de gas y vapor, con una turbina de gas (GT), un generador de vapor de calor perdido post-conectado a la turbina de gas (GT) en el lado del gas de escape, el cual presenta al menos una

superficie calentadora de evaporador (6) a través de la cual puede circular un medio de flujo, con una turbina de vapor (DT) post-conectada al generador de vapor de calor perdido en el lado del medio de flujo, y con una entrada de agua de alimentación ajustable a través de una válvula de regulación (4) para el generador de vapor de calor perdido, en donde está previsto un dispositivo de regulación para la corriente másica de agua de alimentación, que 5 presenta unos medios para llevar a cabo el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Dispositivo de regulación para una instalación combinado de turbinas de gas y vapor, que presenta unos medios para llevar a cabo el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12.


 

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