Planta de generación directa de vapor y procedimiento de operación de la planta.

Planta de generación directa de vapor y procedimiento de operación de la planta que tiene una serie de componentes y etapas durante su funcionamiento para mejorar la vida útil de varios elementos de la planta.

Los componentes se centran en la zona de evaporación del campo solar. Las etapas en diferentes tipos de arranque ayudan a alargar la vida útil de los elementos de la planta. Las etapas se dan durante la fase de precalentamiento de la planta.

PLANTA DE GENERACION DIRECTA DE VAPOR Y PROCEDIMIENTO DE

OPERACIÓN DE LA PLANTA

Sector técnico de la invención

La invención hace referencia al procedimiento de operación durante la fase de precalentamiento de una planta de Generación Directa de Vapor (en adelante, GDV) en Colectores Cilindro Parabólicos (en adelante, CCP), concretamente a la zona de evaporación del campo solar. Es aplicable tanto para plantas integradas en un ciclo Rankine como para planta de producción de vapor de servicio.

Antecedentes de la invención

Durante la fase de precalentamiento en la tecnología de GDV en CCP, previo a la fase de generación de vapor, el agua contenida en el interior de los tubos del campo solar de evaporación tiene que ser precalentada desde las condiciones de agua subenfriada (temperatura que ha alcanzado tras las pérdidas térmicas durante la noche) hasta una temperatura cercana a la del interior del tanque separador (TS) para iniciar la evaporación de manera eficiente.

Es conocido en el estado de la técnica elevar simultáneamente tanto la temperatura del agua subenfriada (desde la temperatura de equilibrio con el ambiente a consecuencia de las pérdidas térmicas durante la noche) como en elevar la presión. Para ello se cerraba el circuito pasando el fluido a través de los lazos de evaporación (ramales que contienen varios CCP en el campo de evaporación), del tanque separador (TS) y por la bomba de recirculación (RC); de esta manera se precalentaba tanto el fluido y el acero de los tubos absorbedores de los lazos de evaporación como del tanque separador. Este procedimiento de operación presentaba principalmente un inconveniente, puesto que al introducir el agua proveniente de los lazos de evaporación al TS a una temperatura muy inferior a la del interior de éste (el cual se encuentra bajo condiciones de saturación) se dan diferencias de temperaturas entre la parte inferior y superior del TS superiores a 150°C, siendo muy superior a las restricciones recomendadas por el fabricante, que limita dicha diferencia a 80°C. Operar con una diferencia de temperatura superior a la recomendada por el fabricante puede tener consecuencias graves sobre el comportamiento termo- mecánico del TS, puesto que las diferencias de temperatura entre la parte superior e inferior generarán diferentes cargas térmicas sobre el mismo material (con el mismo límite elástico). Todo esto lleva a crear deformaciones del material debido a las diferentes cargas de tensión, alcanzando en un primer momento el límite elástico del

material y si además sigue habiendo continuidad en el tiempo de estos ciclos térmicos (para este tipo de procesos en concreto, son ciclos diarios), el problema se agrava apareciendo problemas de fatiga e incluso pudiéndose llegar al límite plástico provocando la ruptura del material. Al alcanzar el punto de ruptura, aparecen puntos débiles en forma de grietas con el riesgo de propagarse al resto del equipo. En definitiva, realizar el precalentamiento diario de manera inadecuada, provoca mal comportamiento del material, perdiendo todas las propiedades termo-mecánicas y limitando el uso en el tiempo del tanque separador acortando su vida útil.

El documento "Simulation of the Start-up procedure of a parabolic trough collector field with direct solar steam generation" (autores: Markus Ecka, Tobías Hirscha, de Germán Aerospace Center (DLR), Institute of Technical Thermodynamics, Stuttgart) presenta estudios de simulación que cubren procedimientos de arranque para campos cilindro parabólicos con generación directa de vapor. Se centra en un sistema de control para el arranque de la planta utilizando un lenguaje, Modélica, para describir los componentes termo-hidráulicos del campo de colectores. Elige este lenguaje porque permite una fácil combinación de componentes hidráulicos, solares y de control. El sistema de control para el arranque de la planta está basado en una biblioteca - StateGraph- de Modélica. Menciona que especialmente las condiciones de flujo en dos fases dentro de los tubos del absorbedor hace necesario el análisis con ayuda de simulaciones numéricas detalladas. No obstante, el método de arranque del documento es diferente al de la invención ya que el fluido de trabajo pasa por el tanque separador, con lo que los problemas anteriormente planteados no son resueltos por lo divulgado en este documento. La presente invención evita la circulación del fluido por el tanque separador cuando las temperaturas durante el arranque no han alcanzado unos valores mínimos de seguridad.

Así, la presente invención consigue resolver los posibles problemas termo-mecánicos que pueden aparecer en el equipo del sistema de separación de la zona de evaporación durante la fase de precalentamiento diaria a consecuencia de la diferencia de temperatura entre el agua contenida en los lazos de evaporación y el líquido saturado en el interior del sistema de separación.

Descripción de la invención

Tal y como se explica en el punto anterior, durante la fase de precalentamiento diaria de una planta de GDV en CCP, previo a la fase de generación de vapor, el agua contenida en el interior de los tubos del campo solar de evaporación tiene que ser precalentada desde las condiciones de agua subenfriada (temperatura que ha

alcanzado tras las pérdidas térmicas durante la noche) hasta una temperatura cercana a la del interior del tanque separador (TS).

Durante la fase de precalentamiento hay que tener en consideración dos diferencias de temperaturas. La diferencia de temperatura existente entre la temperatura de entrada al tanque de separación y la temperatura del fluido en la parte inferior del tanque y por otra parte la diferencia de temperatura entre el fluido en la parte superior del tanque y en la parte inferior de éste.

Así, se establece que la temperatura de entrada al TS puede ser 50°C inferior a la temperatura del interior del TS, con el fin de cumplir con las restricciones de operación recomendadas por el fabricante del TS y prolongar la vida útil del equipo. Por otra parte la principal restricción es que la diferencia de temperatura entre la parte inferior y superior del TS sea como máximo de 80°C.

La invención consigue que en todo momento el TS cumpla con las restricciones en las condiciones de funcionamiento relativas a las temperaturas impuestas por el fabricante del TS.

Para asegurar estas condiciones de operación durante la fase de precalentamiento, antes de poner en marcha la bomba de alimentación fresca y aportar agua al ciclo de vapor, hay que acondicionar el campo solar de evaporación. Así, la invención pone en marcha la bomba de recirculación para impulsar el agua contenida en los lazos de evaporación y recircularla por dichos lazos sin entrar en el TS. En cambio, en el estado de la técnica, el fluido entra directamente al TS, con lo que la vida útil del TS se acorta irremediablemente por funcionar fuera de las condiciones de temperatura impuestas por el fabricante. Además, este funcionamiento fuera de las condiciones de diseño se produce cíclicamente, cada vez que la planta inicia su funcionamiento, lo que agrava aún más el deterioro en el TS.

La etapa de precalentamiento de la invención se hace con la válvula de entrada al TS cerrada y se habilita la nueva línea de by pass del TS conectada en la aspiración de la bomba de recirculación.

Durante esta fase de acondicionamiento o precalentamiento, el sistema de evaporación funciona a presión constante, prolongándose esta fase hasta que la temperatura del agua a la salida de los colectores es 50°C inferior a la del TS (el control de dicha temperatura, denominada temperatura de entrada al TS, se lleva a cabo gracias a sensores de temperatura situados a la salida del campo solar de evaporación y en la parte superior del TS). Una vez alcanzada la temperatura deseada de entrada al TS, la entrada al TS es abierta y la válvula de la línea de by-

pass es cerrada. Estas aperturas y cierres de las válvulas se llevan a cabo a unas velocidades que eviten cambios bruscos de caudal tanto por la línea de by-pass como por la línea de entrada al TS, y evitando por lo tanto posibles golpes de ariete.

Se debe asegurar un caudal mínimo por el campo solar de evaporación, de manera que se genere en los tubos receptores de los CCP un flujo anular del fluido, evitando la estratificación de la parte líquida y la parte vapor de éste que puede provocar problemas temomecánicos (por diferencias en el coeficiente de estratificación y de dilatación de la parte liquida y vapor, pudiéndose producir estrés térmico, tensiones). Esto se consigue para regímenes con números de Froude superiores a 0,1 (número adimensional que indica el grado de estratificación...

1. Una planta de generación directa de vapor que comprende:

la) un campo solar de evaporación (1) que comprende:

1a1) al menos una entrada de fluido a ser calentado (101);

1a2) al menos una salida de fluido calentado (102);

1a3) al menos un colector de evaporación (100) entre la entrada de fluido a ser calentado (101) y la salida de fluido calentado (102);

lb) al menos un tanque separador (2):

1b1) aguas abajo del campo solar de evaporación (1); que comprende:

1b2) al menos una entrada de fluido calentado (21);

1b3) al menos una salida de fluido calentado en fase líquida (22);

1b3) al menos una salida de fluido calentado en fase vapor (23);

lc) al menos un conducto de fluido calentado (121) conectado entre la salida de fluido calentado (102) y la entrada de fluido calentado (21);

ld) al menos una válvula de entrada (10) al tanque separador (2) en el conducto de fluido calentado (121);

le) al menos una bomba de recirculación (3) que comprende:

1e1) aspiración de la bomba de recirculación (31) conectada a la salida de fluido calentado en fase líquida (22);

1e2) impulsión de la bomba de recirculación (32) conectada a la entrada de fluido a ser calentado (101); caracterizada por que comprende:

lg) al menos una línea de by-pass (9) del tanque separador (2) conectada entre la salida de fluido calentado (102) y la aspiración de recirculación (31);

lh) al menos una válvula de control de caudal (14) en la línea de by-pass (9).

2. La planta de generación directa de vapor según la reivindicación 1 caracterizada por que:

2a) el tanque separador (2) comprende:

2a1) al menos una entrada auxiliar de fluido (24); la planta comprende:

2b) al menos una línea auxiliar (13):

2b1) conectada entre la entrada de fluido a ser calentado (101) y la entrada

auxiliar de fluido (24).

3. La planta de generación directa de vapor según la reivindicación 1 caracterizada por que comprende:

3a) al menos una bomba de alimentación fresca (4) que comprende:

3a1) impulsión de la bomba de alimentación (41) conectada a la entrada de fluido a ser calentado (101).

4. Un procedimiento de operación de una planta de generación directa de vapor caracterizado por que comprende poner la planta en condiciones de funcionamiento definidas en una pluralidad de fases:

4a) fase 1: elevar una temperatura de un fluido a ser calentado para acondicionar al menos un colector de evaporación (100) de un campo solar de evaporación (1); 4b) fase 2. elevar una temperatura y una presión del fluido a ser calentado;

4c) fase 3: operar la planta en condiciones nominales;

4d) fase 4: parar la planta.

5. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que comprende pasar por un colector de evaporación (100) un caudal que tiene un número de Froude superior a 0,1.

6. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que comprende pasar por un colector de evaporación (100) un caudal de 1900kg/h.

7. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que un campo solar de sobrecalentado (5) es atravesado por un caudal de 1800kg/h.

8. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 1 comprende:

8a) precalentar el fluido a ser calentado y el acero del tubo absorbedor del al menos un colector de evaporación (100):

8a1) desde una temperatura inicial en equilibrio con una temperatura ambiente alcanzada tras pérdidas térmicas nocturnas;

8a2) hasta una temperatura cercana a la temperatura en el interior de un tanque separador (2).

9. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 7 caracterizado por que comprende obtener:

9a) un fluido calentado en fase vapor en una salida de fluido calentado en fase vapor (23) a una temperatura de 240°C y a una presión de 25-105Pa;

9b) un vapor sobrecalentado en una salida de vapor sobrecalentado (502) del campo solar de sobrecalentado (5) a una temperatura de 400°C y a una presión no mayor de 25-105Pa.

10. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 1 comprende un arranque en caliente que comprende: 10a) arrancar una bomba de recirculación (3);

10b) recircular el fluido por el campo solar de evaporación (1);

10c) pasar el fluido a través de una línea de bypass (9) para evitar una entrada del fluido en un tanque separador (2);

10d) enfocar el colector de evaporación (100) para asegurar una rampa de temperatura positiva;

10e) repetir etapas anteriores hasta que:

10e1)una diferencia de temperatura entre una salida del campo solar de

evaporación (1) y una parte inferior de un tanque separador (2) es menor de 50°C;

10e2)una diferencia de temperatura entre una parte superior del tanque

separador (2) y una parte inferior del tanque separador (2) es menor de 80°C;

10f) modificar un recorrido del fluido, de una recirculación a través de la línea de bypass (9), a una circulación por el tanque separador (2):

10f1) abrir una válvula de entrada (10) del tanque separador (2);

10f2) abrir una válvula de salida (11) del tanque separador (2);

10f3) cerrar la línea de bypass (9).

11. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 10 caracterizado por que comprende precalentar el fluido a ser calentado y el colector de evaporación (100) desde 50°C hasta 150°C.

12. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 10 caracterizado por que la rampa de temperatura positiva tiene un límite superior de 5°C/min.

13. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 10

caracterizado por que la fase 1 comprende un arranque en templado que comprende:

13a) llenar y ventear el campo solar de evaporación (1) con fluido contenido en el tanque separador (2);

13b) ejecutar las etapas del arranque en callente.

14. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 13

caracterizado por que el arranque en templado comprende:

14a) llenar el tanque separador (2) a través de una entrada auxiliar de fluido (24) mediante un aporte auxiliar de fluido impulsado por una bomba de alimentación fresca (4).

15. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4

caracterizado por que la fase 1 comprende un arranque en frío que comprende:

15a) llenar y ventear el campo solar de evaporación (1) con fluido contenido en un

tanque separador (2).

16. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4

caracterizado por que la fase 2 comprende:

16a) enfocar un colector de sobrecalentado (500) de un campo solar de sobrecalentado (5);

16b) precalentar el campo solar de evaporación (1), un tanque separador (2) y el

campo solar de sobrecalentado (5) hasta alcanzar unas condiciones mínimas de presión y temperatura de entrada en una turbina (6) que comprenden:

16b1)una presión comprendida entre un 15 y un 20% de una presión nominal de operación de la turbina (6);

16b2)al menos 50°C de sobrecalentamiento;

16c) pasar el fluido desde el campo solar de sobrecalentado (5), a la turbina (6), a un aerocondensador (7), a un desgasificador (8), a una bomba de alimentación

fresca (4) para entrar de nuevo al campo solar de evaporación (1).

17. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 16 caracterizado por que comprende:

17a) suministrar fluido a ser calentado al campo solar de evaporación (1) mediante una bomba de recirculación (3);

17b) abrir una válvula de salida del tanque separador (11) cuando una presión en el tanque separador sube para permitir una salida de fluido calentado en fase vapor, a través de una salida de fluido calentado en fase vapor (23);

17c) suministrar fluido a ser calentado al campo solar de evaporación (1) mediante la bomba de recirculación (3) y la bomba de alimentación fresca (4) cuando el nivel del fluido desciende en el tanque separador (2).

18. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 17

caracterizado por que comprende generar un caudal mediante la bomba de alimentación fresca (4) igual a un caudal de fluido calentado en fase vapor, que sale del tanque separador (2) a través de la salida de fluido calentado en fase vapor (23).

19. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4

caracterizado por que la fase 3 comprende.

19a) producir vapor sobrecalentado:

19a1)pasar fluido a ser calentado por el campo solar de evaporación (1) desde una entrada de fluido a ser calentado (101) hasta una salida de fluido calentado (102) para obtener fluido calentado;

19a2)pasar fluido calentado por un tanque separador (2) desde una entrada de fluido calentado (21);

19a3)separar fluido calentado en el tanque separador (2) para obtener:

19a31)fluido calentado en fase líquida, en una salida de fluido calentado en fase líquida (22);

19a32)fluido calentado en fase vapor, en una salida de fluido calentado en fase vapor (23);

19a4)pasar fluido calentado en fase vapor por el campo solar de sobrecalentado (5) para obtener vapor sobrecalentado en una salida de vapor sobrecalentado (502) del campo solar de sobrecalentado (5);

19b) dirigir el vapor sobrecalentado a un punto seleccionado entre un punto de

consumo y una turbina (6).

20. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 19 caracterizado por que.

20a) el fluido calentado en fase vapor en la salida de fluido calentado en fase vapor (23) está a una presión de 85-105Pa y a una temperatura de 300°C;

20b) el vapor sobrecalentado en la salida de vapor sobrecalentado (502) del campo solar de sobrecalentado (5) está a una temperatura de 550°C y a una presión no mayor de 85-105Pa.

21. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 4 comprende una parada en caliente que comprende: 21a) presurizar el campo solar de evaporación (1) y el tanque separador (2) a una

presión para un arranque en caliente;

21b) mantener una válvula de entrada (12) a una turbina (6) en una posición de apertura fija;

21c) desenfocar un campo solar de sobrecalentado (5) y un campo solar de evaporación (1);

21 d) cerrar una válvula de salida (11) de un tanque separador (2);

21 e) parar una bomba de alimentación fresca (4);

21f) llenar el colector de evaporación (100) del campo solar de evaporación (1) con una bomba de recirculación (3) por diferencias de presiones;

21 g) parar la bomba de recirculación (3).

22. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4

caracterizado por que la fase 4 comprende una parada en templado que comprende presurizar el tanque separador (2) y despresurizar el campo solar de evaporación (1)

23. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4

caracterizado por que la fase 4 comprende una parada en frío que comprende despresurizar el campo solar de evaporación (1) y el tanque separador (2).