ES2336455T3 - Regenerador de vapor con recuperacion de calor. - Google Patents
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Abstract
Generador (10, 110, 210) de vapor con recuperación de calor, que comprende una unidad (12) de intercambio de calor en la que, en condiciones operativas normales, se define una parte (16) caliente, con altas temperaturas de metal y altas temperaturas de la mezcla de agua/vapor contenida en la misma, y una parte (18, 20) relativamente fría, con temperaturas de metal inferiores y temperaturas inferiores de la mezcla de agua/vapor contenida en la misma, con respecto a las de dicha parte (16) caliente, en el que medios (32, 132, 232) sustancialmente en forma de obturador están interpuestos entre dicha parte (16) caliente y dicha parte (18, 20) relativamente fría con el fin de aislar térmicamente dicha parte (16) caliente de dicha parte (18, 20) relativamente fría, pudiendo extraerse al menos parcialmente dichos medios (32, 132, 232) sustancialmente en forma de obturador con el fin de poner dicha parte (16) caliente y dicha parte (18, 20) relativamente fría de nuevo en comunicación de fluidos entre sí, caracterizado porque dichos medios (32, 132) sustancialmente en forma de obturador comprenden un obturador (34, 134, 234) enrollable o plegable.
Description
Generador de vapor con recuperación de
calor.
La presente invención, en su aspecto más
general, se refiere a un generador de vapor con recuperación de
calor (que también se indica con el acrónimo RSG, Recovery Steam
Generator (Generador de vapor con recuperación), o HRSG, Heat
Recovery Steam Generator (Generador de vapor con recuperación de
calor) o HRB, Heat Recovery Boiler (Caldera con recuperación de
calor) que comprende una unidad de intercambio de calor en
comunicación de fluidos con al menos una cámara de separación de
agua-vapor y va dirigido en particular aunque no
exclusivamente a su uso en plantas termoeléctricas del tipo
denominado de ciclo combinado de gas/vapor.
En el resto de la descripción se hará
referencia, sólo como ejemplo no limitativo, al campo tecnológico
relativo a las plantas termoeléctricas de ciclo combinado de
gas/vapor, es decir, plantas en las que se prevén dos ciclos
tecnológicos, uno llevado a cabo mediante aire y combustible (ciclo
de gas o de Joule) y el otro llevado a cabo mediante agua y vapor
(ciclo de vapor o de Rankine), ambos dirigidos a producir energía
eléctrica con alto rendimiento (normalmente mayor del 55%) y/o
energía eléctrica y energía térmica que puede ir dirigida a
usuarios tales como, por ejemplo, redes de calefacción a distancia,
plantas desalinizadoras y redes de distribución de vapor para
procesos industriales.
Se conoce que el ciclo de gas de una planta
termoeléctrica de ciclo combinado del tipo considerado esencialmente
comprende un compresor, una cámara de combustión, una turbina de
gas y un alternador. El compresor toma aire de la atmósfera
llevándolo a una presión alta predeterminada; el aire así comprimido
se inyecta en la cámara de combustión junto con un combustible, que
generalmente consiste en gas natural; la mezcla que se forma se
enciende y se hace que se expandan los gases a alta presión y alta
temperatura producidos en la turbina de gas que mueve el
alternador, que genera energía eléctrica.
El ciclo de vapor de la planta termoeléctrica
mencionada anteriormente, por otro lado, comprende un generador de
vapor, una turbina de vapor y un alternador adicional. La unidad de
intercambio de calor de dicho generador de vapor, que comprende
generalmente intercambiadores de calor del tipo con tubos de agua,
se coloca en una relación de intercambio de calor descargándose los
gases calientes mediante la turbina de gas del ciclo de gas
mencionado anteriormente, con el consecuente gran y rápido
calentamiento del agua y la generación de vapor. El vapor así
producido se envía a la turbina de vapor que hace que el alternador
respectivo funcione para generar energía eléctrica.
Un generador de vapor usado del modo mencionado
anteriormente se denomina generador de vapor con recuperación de
calor precisamente porque para generar vapor se "aprovecha" el
calor de los gases calientes (a aproximadamente 600ºC) descargado
por la turbina de gas.
Se conoce un HRSG de la técnica anterior del
documento US-A-5189988. Una caldera
conocida para producir vapor se da a conocer en el documento
CH-A-174774.
En los ciclos combinados modernos el vapor se
produce preferiblemente a diferentes niveles de presión con el fin
de poder optimizar la recuperación de energía.
En particular, la configuración de planta más
usada para realizaciones de alta potencia proporciona tres niveles
de presión (alto, medio y bajo) más un supercalentamiento adicional
del vapor de presión media que vuelve de la turbina de vapor, es
decir, de lo que se denomina vapor supercalentado
adicionalmente.
Como se conoce, el generador de vapor con
recuperación, para cada nivel de presión, se ocupa de tres
operaciones de intercambio de calor bien definidas:
- -
- precalentamiento de agua líquida procedente de una bomba de alimentación o de una bomba de extracción de condensado, llevado a cabo en una sección de la unidad de intercambio de calor conocida como economizador o precalentador;
- -
- evaporación del agua para la generación de vapor saturado, llevada a cabo en una sección de la unidad de intercambio de calor conocida como evaporador;
- -
- supercalentamiento del vapor, llevado a cabo en una sección de la unidad de intercambio de calor conocida como supercalentador.
\vskip1.000000\baselineskip
Los haces de tubos que se ocupan de las tres
diferentes operaciones son estructuralmente independientes.
En presencia de varios niveles de presión, el
generador de vapor con recuperación tiene varias etapas de
evaporación (dos o tres), a diferentes presiones y como
consecuencia a diferentes temperaturas de saturación.
Por lo tanto, hay una producción de vapor a alta
presión (y por lo tanto a alta temperatura, que puede desarrollar
mucha energía en su expansión posterior en la turbina de vapor) en
la que los gases de la turbina de gas están más calientes, seguida
de la producción de vapor a presiones inferiores en la que los gases
se enfrían progresivamente.
A partir de lo mencionado, por tanto se
distingue, dentro de la unidad de intercambio de calor del generador
de vapor, diferentes secciones o partes a una temperatura
progresivamente decreciente. En particular, en la unidad de
intercambio de calor, en condiciones operativas normales, siempre
puede definirse una parte caliente, con altas temperaturas de metal
y altas temperaturas de la mezcla de agua/vapor contenida en la
misma, y una parte relativamente fría, con temperaturas de metal
inferiores y temperaturas inferiores de la mezcla de agua/vapor
contenida en la misma, con respecto a las de dicha parte
caliente.
Para ser preciso, en la presente solicitud de
patente, se pretende que la frase "temperaturas de metal"
indique la temperatura media del metal con la que están realizados
los componentes de la propia unidad de intercambio de calor, en
particular, la temperatura media de los tubos a través de los cuales
pasa la mezcla de agua/vapor.
El generador de vapor con recuperación descrito
anteriormente tiene inconvenientes reconocidos, que incluyen el de
requerir periodos de tiempo relativamente largos para llevarlo a las
condiciones operativas de presión y temperatura normales. Un
inconveniente de este tipo es particularmente grave considerando la
presente necesidad de tener disponible una gran flexibilidad de
funcionamiento de la planta termoeléctrica.
\vskip1.000000\baselineskip
El problema técnico que subyace a la presente
invención es el de concebir y proporcionar un generador de vapor
con recuperación del tipo considerado, que pueda superar, de manera
sencilla y económica, las limitaciones y/o los inconvenientes
mencionados en referencia a la técnica conocida; en particular
reducir el tiempo de reinicio del generador de vapor tras una
parada, es decir, la posibilidad de llevar a cabo paradas y
arranques frecuentes de la planta considerada, volviendo a arrancar
a intervalos lo más reducidos posibles al tiempo que se respetan
los gradientes térmicos admisibles para los componentes de mayor
espesor.
Este problema se resuelve, según la presente
invención, mediante un generador de vapor con recuperación de
calor, que comprende una unidad de intercambio de calor en la que,
en condiciones operativas normales, se define una parte caliente,
con altas temperaturas de metal y altas temperaturas de la mezcla de
agua/vapor contenida en la misma, y una parte relativamente fría,
con temperaturas de metal inferiores y temperaturas inferiores de
la mezcla de agua/vapor contenida en la misma, con respecto a las de
dicha parte caliente, en el que medios sustancialmente en forma de
obturador están interpuestos entre dicha parte caliente y dicha
parte relativamente fría con el fin de aislar térmicamente dicha
parte caliente de dicha parte relativamente fría, pudiendo
extraerse al menos parcialmente dichos medios sustancialmente en
forma de obturador con el fin de poner dicha parte caliente y dicha
parte relativamente fría de nuevo en comunicación de fluidos entre
sí, y dichos medios en forma de obturador comprenden un obturador
enrollable o plegable.
Otras características y las ventajas del
generador de vapor según la presente invención serán resultado de
la siguiente descripción de una realización preferida a modo de
ejemplo de éste, proporcionada con fines indicativos y no
limitativos en referencia a los dibujos adjuntos.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 representa esquemáticamente una
vista en alzado lateral de un generador de vapor con recuperación
según la presente invención.
La figura 2 representa esquemáticamente una
vista en alzado lateral de una segunda realización de un generador
de vapor con recuperación según la invención.
La figura 3 representa esquemáticamente una
vista en alzado lateral de una tercera realización de un generador
de vapor con recuperación según la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
En referencia a la figura 1, un generador de
vapor con recuperación de calor se muestra según la presente
invención y se indica globalmente con 10.
El generador 10 de vapor con recuperación
comprende una unidad 12 de intercambio de calor, que comprende una
pluralidad de haces de tubos en los que, en condiciones operativas
normales, se define una parte caliente, con altas temperaturas de
metal y altas temperaturas de la mezcla de agua/vapor contenida en
la misma, y una parte relativamente fría, con temperaturas de metal
inferiores y temperaturas inferiores de la mezcla de agua/vapor
contenida en la misma, con respecto a las de dicha parte
caliente.
La unidad 12 de intercambio de calor está en
comunicación de fluidos con una (o más) cámaras 14 de separación de
agua-vapor, que también se denominan en la técnica
cuerpos cilíndricos (en la figura 1 se muestran tres cuerpos
cilíndricos, que funcionan a diferentes presiones).
La unidad 12 de intercambio de calor se soporta
en un tubo 13 de humos, por ejemplo, sustancialmente
paralelepipédico, con una cara o sección 13a en comunicación de
fluidos con los gases de escape de una turbina de gas y con una
sección 13b o cara opuesta en comunicación de fluidos con un
conducto 13c de chimenea. Los cuerpos 14 cilíndricos están
colocados por encima de dicho tubo 13 de humos.
La unidad 12 de intercambio de calor de la
figura 1 comprende una sección 16 de alta presión, que realiza
dicha parte caliente y secciones 18 de media presión y 20 de baja
presión, que realizan dicha parte relativamente fría. Valores de
presión a modo de ejemplo son 130 bares para la sección de alta
presión, 30 bares para la sección de media presión y 5 bares para
la de baja presión.
La parte caliente, a alta temperatura, comprende
un evaporador de alta presión y varios haces de tubos de
supercalentamiento/supercalentamiento adicional y posiblemente un
economizador de alta presión.
La parte relativamente fría, a relativamente
baja temperatura, comprende los niveles de media y baja presión, el
precalentador y posiblemente una parte del economizador de alta
presión.
Según la presente invención, medios 32
sustancialmente en forma de obturador están interpuestos entre dicha
parte caliente y dicha parte relativamente fría con el fin de
aislar térmicamente dicha parte caliente de dicha parte
relativamente fría. Dichos medios 32 sustancialmente en forma de
obturador pueden extraerse al menos parcialmente con el fin de
poner dicha parte caliente y dicha parte relativamente fría de nuevo
en comunicación de fluidos entre
sí.
sí.
Según una realización preferida, tales medios 32
comprenden un obturador 34 enrollable, con un ancho sustancialmente
igual al ancho del tubo 13 de humos.
Preferiblemente, el rodillo 36 de enrollado
correspondiente del obturador 34 enrollable está dispuesto en la
cara, o lado, superior, o parte 13e superior del tubo 13 de
humos.
El obturador 34 puede descender, de manera
sustancialmente vertical, hasta la cara, o lado, inferior o base
13d del tubo 13 de humos sustancialmente paralelepipédico, aislando
por tanto las dos dichas partes de dicha unidad 12 de intercambio
de calor entre sí.
La figura 2 muestra una segunda realización de
un generador 110 de vapor según la invención, en la que los
componentes análogos a los del generador 10 de vapor se indican con
el mismo número de referencia.
En este caso, medios 132 sustancialmente en
forma de obturador están interpuestos entre dicha parte caliente y
dicha parte relativamente fría con el fin de aislar térmicamente
dicha parte caliente de dicha parte relativamente fría. Dichos
medios 132 sustancialmente en forma de obturador pueden extraerse al
menos parcialmente con el fin de poner dicha parte caliente y dicha
parte relativamente fría de nuevo en comunicación de fluidos entre
sí.
Tales medios 132 comprenden un obturador 134
enrollable, con un ancho sustancialmente igual al ancho del tubo 13
de humos.
Preferiblemente, el rodillo 136 de enrollado
correspondiente del obturador 134 enrollable está dispuesto en la
cara, o lado, inferior, o base 13d del tubo 13 de humos
sustancialmente paralelepipédico.
El obturador 134 puede ascender, por medio de un
actuador 138 dotado de cables 140, de manera sustancialmente
vertical, hasta la cara 13e superior del tubo 13 de humos
sustancialmente paralelepipédico, aislando por tanto dichas dos
partes de dicha unidad 12 de intercambio de calor.
La figura 3 muestra una tercera realización de
un generador 210 de vapor según la invención, en la que los
componentes análogos a los del generador 110 de vapor se indican con
el mismo número de referencia.
En este caso, medios 232 sustancialmente en
forma de obturador están interpuestos entre dicha parte caliente y
dicha parte relativamente fría con el fin de aislar térmicamente
dicha parte caliente de dicha parte relativamente fría. Dichos
medios 232 sustancialmente en forma de obturador pueden extraerse al
menos parcialmente con el fin de poner dicha parte caliente y dicha
parte relativamente fría de nuevo en comunicación de fluidos entre
sí.
Tales medios 232 comprenden un obturador 234
plegable, con un ancho sustancialmente igual al ancho del tubo 13
de humos.
Un extremo 236 inferior del obturador 234
plegable está limitado a la cara 13d inferior del tubo 13 de humos
sustancialmente paralelepipédico.
El obturador 234 puede ascender, por medio de un
actuador 238 dotado de cables 240, de manera sustancialmente
vertical, hasta la cara 13e superior del tubo 13 de humos
sustancialmente paralelepipédico, aislando por tanto dichas dos
partes de dicha unidad 12 de intercambio de calor.
El funcionamiento de los generadores 10, 110 y
210 de vapor con recuperación se detalla a continuación.
Los obturadores 34, 134 y 234, que pueden
accionarse de manera automática o manual, aíslan dichas dos partes
de la unidad 12 de intercambio de calor de manera preferiblemente
inmediata tras haber comenzado el procedimiento de parada del
generador y tras haber detenido el flujo de gas procedente de la
turbina.
De esta manera, la convección interna del
generador está limitada entre los haces de tubos más calientes y
los más fríos, es decir, está limitada la transferencia de calor
desde la parte caliente a la parte relativamente fría por
convección e irradiación.
Como ejemplo, en un generador de vapor de tres
niveles de presión con supercalentamiento adicional, colocado aguas
abajo de una turbina de gas de 250 MW, en el momento de llevar a
cabo una parada comenzando a partir de la carga nominal se da
aproximadamente la siguiente situación:
- -
- parte caliente (supercalentador, supercalentador adicional y evaporador de alta presión): aproximadamente 900 t de metal y 30 t de mezcla de agua/vapor a la temperatura media de aproximadamente 360-380ºC.
- -
- parte relativamente fría: aproximadamente 1.600 t de metal y 180 t de mezcla de agua/vapor a la temperatura media de aproximadamente 190-200ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
Por lo tanto es evidente que, por ejemplo, en
las 8 horas de una parada nocturna (en el caso de dos turnos cada
día) o en las 48 horas de una posible parada durante el fin de
semana, la transferencia de una cantidad considerable de calor está
limitada, desde la parte caliente (que por consiguiente se enfría y
disminuye su propia presión) a la parte relativamente fría: puesto
que el evaporador de alta presión y más precisamente el cuerpo
cilíndrico de la cámara de separación de agua-vapor
relacionada, es el elemento que limita el gradiente de arranque, se
deduce que tal reducción del enfriamiento lleva a un acortamiento
del periodo de transición de arranque.
Los obturadores deben estar en una posición
completamente abierta durante el funcionamiento normal de los
generadores, para no generar caídas de presión y por consiguiente
disipaciones de energía.
La ubicación del obturador está preferiblemente
comprendida entre la entrada del evaporador de alta presión y la
salida del evaporador de media presión para los generadores
ilustrados en las figuras (generadores de tres niveles de presión)
o la entrada del evaporador de baja presión para generadores de dos
niveles de presión (no ilustrados).
En el caso de una posible realización de cuatro
niveles de presión, el obturador puede estar situado en una
posición entre aguas abajo del evaporador de alta presión y aguas
abajo del evaporador del tercer nivel de presión.
En todos los casos mencionados anteriormente,
puede preverse la instalación con más de un obturador.
En el caso de una realización con un único nivel
de presión, el obturador puede estar situado aguas abajo del
evaporador.
El obturador puede realizarse con materiales
metálicos (acero inoxidable) o materiales textiles. Preferiblemente
el obturador está cubierto con materiales térmicamente aislantes. La
forma indicada en las figuras es meramente indicativa y no
limitativa.
En una alternativa, los medios sustancialmente
en forma de obturador pueden comprender dispositivos de tipo
mampara.
Las palancas y/o motorizaciones para los
actuadores pueden ser de diferentes tipos y están dispuestos dentro
o fuera del tubo de humos. En casos específicamente de contingencia,
también puede proporcionarse un accionamiento de tipo manual.
A partir de la descripción anterior resulta de
manera evidente que el generador de vapor con recuperación según la
invención consigue numerosas ventajas, la primera está en el hecho
de que los tiempos de volver a arrancar son inusualmente breves,
permitiendo mejoras significativas en los tiempos de funcionamiento
a carga completa de la planta termoeléctrica.
De hecho, en el momento de volver a arrancar
cada vez el generador de vapor según la invención tras una parada
de duración limitada (por ejemplo, menos de 72 horas de duración),
es posible proceder al arranque desde presiones más altas y por
consiguiente temperaturas más altas en el circuito de alta presión,
reduciendo así en consecuencia el tiempo de arranque, siendo
iguales las tensiones termomecánicas inducidas en los componentes
del generador de vapor más críticos, es decir, en los componentes
de mayor espesor tales como los cuerpos cilíndricos de alta
presión.
Otra ventaja del generador de vapor según la
invención es que, durante la parada, el flujo de aire frío dentro
del generador es limitado, lo que, en ausencia del obturador, se
produciría debido al tiro del tubo de chimenea, lo que lleva a un
enfriamiento adicional del generador durante la parada.
Evidentemente, un experto en la técnica puede
realizar numerosas modificaciones y variantes del generador de
vapor con recuperación descrito anteriormente, con el fin de cumplir
requisitos contingentes y específicos, los cuales se engloban en
todo caso en el alcance de protección de la presente invención,
según se define en las siguientes reivindicaciones.
Claims (3)
1. Generador (10, 110, 210) de vapor con
recuperación de calor, que comprende una unidad (12) de intercambio
de calor en la que, en condiciones operativas normales, se define
una parte (16) caliente, con altas temperaturas de metal y altas
temperaturas de la mezcla de agua/vapor contenida en la misma, y una
parte (18, 20) relativamente fría, con temperaturas de metal
inferiores y temperaturas inferiores de la mezcla de agua/vapor
contenida en la misma, con respecto a las de dicha parte (16)
caliente, en el que medios (32, 132, 232) sustancialmente en forma
de obturador están interpuestos entre dicha parte (16) caliente y
dicha parte (18, 20) relativamente fría con el fin de aislar
térmicamente dicha parte (16) caliente de dicha parte (18, 20)
relativamente fría, pudiendo extraerse al menos parcialmente dichos
medios (32, 132, 232) sustancialmente en forma de obturador con el
fin de poner dicha parte (16) caliente y dicha parte (18, 20)
relativamente fría de nuevo en comunicación de fluidos entre sí,
caracterizado porque dichos medios (32, 132) sustancialmente
en forma de obturador comprenden un obturador (34, 134, 234)
enrollable o plegable.
2. Generador (10, 110, 210) de vapor con
recuperación de calor según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho obturador (32, 132, 232) está
realizado con materiales textiles o metálicos.
3. Generador (10, 110, 210) de vapor con
recuperación de calor según la reivindicación 2,
caracterizado porque dicho obturador (32, 132, 232) está
cubierto con material térmicamente aislante.
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