ES2897557T3 - Dispositivo para el almacenamiento y la restitución de fluidos bajo una presión elevada casi constante - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de almacenamiento y de restitución de fluidos a presión casi constante, comprendiendo dichos fluidos un gas y un líquido, comprendiendo el dispositivo un conjunto de tanques (1) sustancialmente idénticos, presentando cada uno de los tanques (1) una envoltura exterior cilíndrica (100) constituida por al menos un tubo metálico (101) del tipo de los utilizados para los gasoductos y los oleoductos, cuyo diámetro exterior es superior a 813 mm y la relación entre su longitud y su diámetro exterior es superior a 8, comprendiendo dichos tanques: - una parte que contiene el gas y una parte que contiene el líquido, - un medio de separación (23) entre el gas y el líquido en el tanque (1), que comprende una membrana deformable (102), - un orificio de entrada (36) y un orificio de salida (36) del gas que desembocan en la parte que contiene el gas del tanque (1), - un orificio de entrada (35) y un orificio de salida (35) del líquido que desembocan en la parte que contiene el líquido del tanque (1), caracterizado por que la membrana deformable (102) forma una vejiga o un globo de goma.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo para el almacenamiento y la restitución de fluidos bajo una presión elevada casi constante
Sector de la técnica
La presente invención se refiere a un dispositivo de almacenamiento de un gas comprimido en vistas de un uso para un procedimiento industrial o para accionar una turbina con el fin de producir electricidad.
Estado de la técnica
El uso de gas comprimido y más particularmente de aire comprimido representa un puesto importante en la mayoría de los sectores industriales en la actualidad. Se puede citar, sin que esto sea exhaustivo, los sectores de la aeronáutica, del espacial, del agroalimentario, del automóvil, de la química, de la metalurgia, de la cristalería, del petróleo o incluso del vidrio. La producción de aire comprimido por sí sola utiliza el 10 % de la electricidad consumida por la industria.
El almacenamiento con gran capacidad de estos gases a las presiones de uso comúnmente empleadas en la industria, que van desde seis hasta unas pocas decenas de bares, se emplea poco teniendo en cuenta las bajas densidades de almacenamiento y las presiones de restitución variables.
A día de hoy, las instalaciones de almacenamiento de gas de gran capacidad utilizan cavidades subterráneas naturales o artificiales.
Las cavidades subterráneas necesitan un contexto geológico particular en términos de estanqueidad, de presión admisible por la roca circundante y de riesgo sísmico. Por lo tanto, las posibilidades de lugares de implantación son limitadas y no necesariamente corresponden a las ubicaciones donde se desea el almacenamiento de la energía eléctrica, por ejemplo, debido a su lejanía de los lugares de consumo o producción, o por la insuficiencia de la red eléctrica en estos lugares.
Uno de los principales inconvenientes de estas instalaciones es que no permiten el mantenimiento de una presión constante durante las operaciones de almacenamiento y de extracción del aire.
Esto entonces necesita o una instalación de compresión que puede funcionar a presión de salida variable, una instalación de distensión que puede funcionar a presión de entrada variable y uso del almacenamiento del aire limitado a un intervalo de presión correspondiente al intervalo de presión en donde pueden funcionar las instalaciones de compresión y distensión, o bien, para regular la presión de salida del almacenamiento al valor mínimo del intervalo de funcionamiento del almacenamiento. Estas variaciones de presión influyen en gran medida en el rendimiento de la instalación, así como en la capacidad útil del almacenamiento de aire comprimido. A modo de ejemplo, la instalación de Huntorf en Alemania utiliza un almacenamiento subterráneo de 310.000 m3 en el intervalo de presión de 43 a 70 bares. La instalación de Mac Intosh en Estados Unidos utiliza un almacenamiento subterráneo de 370.000 m3 en el intervalo de presión de 45 a 80 bares. Se puede destacar que las presiones máximas, teniendo en cuenta las restricciones de estabilidad de las cavidades subterráneas, están limitadas a 80 bares y que el intervalo de presión de uso es de aproximadamente 40 bares. Estos dos factores limitan considerablemente la energía que se puede almacenar por unidad de volumen del tanque.
Se ha propuesto un concepto en el documento US 4355923 que permite, en el contexto de una cavidad subterránea, obtener una presión constante gracias a la conexión de la cavidad con un tanque hidráulico ubicado más arriba. Este concepto necesita a la vez condiciones geológicas muy específicas y limita la presión en el tanque a la presión hidrostática generada por el tanque hidráulico.
Más recientemente, se han propuesto dos conceptos de almacenamiento de gas submarinos, uno usando un tanque submarino deformable, como en el documento US 6863474 B2 y, el otro a un tanque submarino rígido, como en el documento US 7735506 B2, permitiendo mantener la presión del gas a la presión hidrostática imperante en la profundidad donde se implanta el almacenamiento. El hecho de poder mantener una presión constante durante las operaciones de almacenamiento y de liberación del gas constituye una gran ventaja de estos conceptos. Sin embargo, es cierto, tratándose de instalaciones submarinas a gran profundidad, que serán complejas y costosas de implementar y de operar.
Estos dos conceptos también tienen el inconveniente de poder funcionar únicamente a una presión correspondiente a la presión hidrostática imperante en la profundidad donde se implanta el almacenamiento.
Ahora bien, parece que, para un tipo de tanque dado, se tiene interés económico en almacenar el gas a la máxima presión compatible tanto con las restricciones mecánicas en el material que constituye el tanque como con los espesores máximos que se pueden implementar técnicamente. Por lo tanto, es de gran interés poder elegir la presión en el almacenamiento independientemente del entorno exterior.
El tanque debe poder resistir restricciones, debido, en particular, a la presión del gas almacenado, lo más grandes posible. No obstante, también debe tener un volumen mínimo para que se pueda implantar fácilmente, por ejemplo, en el lugar de un sitio industrial. Otro tipo de almacenamiento se divulga en el documento WO 2012 / 160311.
Objeto de la invención
El dispositivo según la invención permite aportar una respuesta a estas dificultades. En particular:
- permite almacenar y liberar un gas en un recinto rígido, a muy alta presión casi constante gracias a un líquido, pudiendo elegirse esta presión independientemente de las condiciones de presión en el entorno del almacenamiento, en particular, la presión hidrostática en el caso de un almacenamiento bajo el agua;
- la parte de almacenamiento del dispositivo se puede instalar en tierra, sin necesitar un contexto geológico o topográfico particular, ni bajo el agua, lo que permite beneficiarse entonces de la presión hidrostática que prevalece al nivel del almacenamiento tanto en términos de la resistencia del recinto como de las reducidas presiones de bombeo y turbinas hidráulicas,
- permite limitar el volumen manteniendo un volumen almacenado óptimo.
Por otro lado:
- el dispositivo permite asegurar la estanqueidad del gas frente al líquido para mantener el gas a una presión casi constante;
- ventajosamente permite instalar la parte de almacenamiento tanto en una posición vertical como horizontal e incluso en posición inclinada;
- permite limitar el efecto de las fugas de la parte de almacenamiento que resultarían de defectos de estanqueidad en el sistema de separación gas/líquido.
Además:
- el dispositivo se puede utilizar para garantizar un almacenamiento de gas económico para uso industrial de gas a una presión inferior a la presión de almacenamiento,
- el dispositivo puede implantarse ventajosamente directamente en un sitio industrial para aprovechar las instalaciones del sitio y también para suministrar las instalaciones del sitio.
Para tal efecto, la invención se refiere a un dispositivo de almacenamiento y de restitución de fluidos a presión casi constante, tal como se define en la reivindicación 1.
Preferentemente, el diámetro del tubo metálico es igual a 48" (1219 mm) o 56" (1422 mm).
Ventajosamente, el tubo se obtiene por conformación y soldado de una banda metálica laminada plana.
Para limitar el número de tanques para una determinada capacidad de almacenamiento, la envoltura cilíndrica exterior comprende una pluralidad de tubos metálicos soldados de extremo a extremo.
El dispositivo ofrece de este modo numerosas posibilidades de uso, para almacenar y restituir un gas a una presión determinada, y encuentra numerosas aplicaciones, en los campos de la energía y de cualquier procedimiento industrial que utilice gas comprimido.
Preferentemente, el dispositivo comprende medios de separación entre gas y el líquido en el tanque de almacenamiento de los fluidos, para evitar la mezcla entre gas y líquido.
Según un modo de realización, los medios de separación comprenden una membrana deformable que flota sobre la superficie del líquido.
Según otro ejemplo de realización, los medios de separación comprenden una membrana deformable bajo la presión en el tanque de almacenamiento de los fluidos para acompañar las variaciones de volumen de la parte que contiene el líquido y de la parte que contiene el gas.
Este otro ejemplo de realización está disponible en dos variantes principales:
- la membrana constituye un espesor de material colocado entre el líquido y el gas. Está fijado al tanque sobre el conjunto de su periferia.
- la membrana constituye una vejiga o globo de goma, que puede contener indiferentemente el gas o el líquido. En el caso de una vejiga, esta última puede estar contenida ventajosamente en una envoltura interna que puede ser una simple malla metálica o una pared de metal desplegado o perforado. Esta envoltura interna permite delimitar el volumen que puede ocupar la membrana deformable, y/o mantener esta última en una posición definida en el tanque y/o evitar que la membrana roce directamente contra la pared del tanque.
Según otro ejemplo, los medios de separación entre el gas y el líquido comprenden un diafragma rígido y móvil que define una superficie de separación entre el líquido y el gas en el tanque de almacenamiento de los fluidos, y que comprende superficies de apoyo sobre el tanque de almacenamiento de los fluidos, estando las superficies de apoyo desfasadas a ambos lados de la superficie de separación.
Tal disposición podría implementarse en cualquier tanque de almacenamiento de fluidos que comprenda varios fluidos. Las superficies de apoyo desfasadas de la superficie de separación permiten evitar la inclinación del diafragma rígido bajo el efecto de la distribución no uniforme de las presiones sobre el diafragma, que provocaría fugas entre la parte que contiene el líquido y la parte que contiene el gas.
Preferentemente, el diafragma está provisto de juntas de estanqueidad en su periferia, para asegurar la estanqueidad entre la parte que contiene el gas y la parte que contiene el líquido.
Además, las superficies de apoyos del diafragma pueden estar provistas de mecanismos de rodamiento para facilitar el movimiento del diafragma en el tanque de almacenamiento de los fluidos y para acompañar las variaciones de volumen de la parte que contiene el líquido y la parte que contiene el gas.
Las superficies de apoyo pueden ser continuas sobre la periferia del diafragma, estar distribuidas de manera discontinua sobre la periferia del diafragma o bien presentar, para cada superficie de apoyo, una superficie unitaria con el tanque diferente según la superficie de apoyo.
De manera particularmente ventajosa, la parte que contiene líquido está conectada a la parte que contiene gas, por un lado, por una primera canalización provista de una bomba, que permite el retorno del líquido de la parte que contiene el gas hacia la parte que contiene el líquido y, por otro lado, mediante una segunda canalización provista de un compresor, permitiendo el retorno del gas en la parte que contiene el líquido hacia la parte que contiene el gas. Esta disposición encuentra particular interés en el caso de que el tanque esté colocado en el suelo y presente una inclinación con respecto a la horizontal. De este modo, en caso de falla del diafragma, y para cualquier tipo de tanque de almacenamiento de fluidos, que provoca una fuga de líquido hacia la parte que contiene el gas y viceversa, una fuga de gas hacia la parte que contiene el líquido, estas fugas se recuperan.
El dispositivo también podrá comprender las siguientes disposiciones, solas o en combinación:
- el orificio de entrada del líquido coincide con el orificio de salida del líquido,
- el orificio de entrada del gas coincide con el orificio de salida del gas,
- el dispositivo comprende una pluralidad de tanques de almacenamiento de los fluidos, y comprende un conjunto de válvulas sobre los orificios de entrada y de salida de gas y un conjunto de válvulas en los orificios de entrada y de salida de líquido que permiten elegir los tanques por los que se inyecta el gas y los tanques por los que se evacua el gas.
Ventajosamente, el dispositivo usa aire y agua, ampliamente disponibles y económicos.
Eventualmente, la instalación de salida puede comprender medios para llevar el gas a la presión requerida por la instalación industrial para administrar el gas a la instalación a una presión determinada a un menor coste.
Según un modo de realización particularmente ventajoso, el dispositivo está asociado a medios de descarga del líquido que comprenden un conjunto generador conectado al orificio de salida del líquido, comprendiendo el conjunto generador una turbina y un generador, pasando el líquido evacuado por la turbina para generar energía eléctrica por el generador.
Un sistema de regulación y control del conjunto motor y un sistema de regulación y control del conjunto generador permiten controlar respectivamente su potencia, así como la presión en el tanque de almacenamiento de los fluidos, para permitir diferentes regímenes de funcionamiento.
De este modo, el dispositivo según la invención se puede utilizar para almacenar y restituir un gas comprimido en el contexto de un procedimiento que comprende las siguientes etapas:
- una etapa de almacenamiento de gas, que comprende las siguientes operaciones:
• compresión del gas en una instalación de compresión,
• inyección del gas en el tanque de almacenamiento de los fluidos por el orificio de entrada del gas,
• simultáneamente con la inyección del gas, evacuación del líquido hacia un conjunto generador por el orificio de salida del líquido, manteniendo el sistema de regulación y control del conjunto generador para evacuar el líquido la presión constante en el tanque de almacenamiento de los fluidos,
- una etapa de restitución del gas, que comprende las siguientes operaciones:
• inyección del líquido de la fuente de líquido por el orificio de entrada del líquido en el tanque de almacenamiento de los fluidos,
• simultáneamente con la inyección del líquido, evacuación del gas hacia una instalación de salida, manteniendo el sistema de regulación y control del conjunto motor para inyectar el líquido la presión constante en el tanque de almacenamiento de los fluidos.
Este régimen de funcionamiento permite almacenar y restituir el gas a una presión casi constante a lo largo de las etapas, lo que es particularmente ventajoso para producir energía, pero también para suministrar gas a una instalación industrial.
Descripción de las figuras
Los dibujos adjuntos ilustran la invención:
- la figura 1 representa un esquema general de un ejemplo de aplicación del dispositivo de almacenamiento y de restitución de un gas comprimido para el almacenamiento y la restitución de energía eléctrica;
- la figura 2 representa una vista de conjunto de un tanque de almacenamiento de fluidos según un ejemplo que no forma parte de la invención;
- la figura 3 representa una vista más detallada de un tanque de almacenamiento de fluidos según un ejemplo que no forma parte de la invención y que comprende un diafragma rígido para la separación gas/líquido;
- la figura 4 es una vista en sección transversal de otro ejemplo que no forma parte de la invención del tanque en donde la separación gas/líquido en el tanque de almacenamiento se obtiene mediante una membrana deformable fijada sobre el conjunto de su periferia al tanque, estando la membrana representada en las figuras 4.1 y 4.2 respectivamente en dos posiciones diferentes,
- la figura 5 representa un modo de realización del tanque en donde la separación gas/líquido en el tanque de almacenamiento se obtiene por una vejiga, y
- la figura 6 representa un ejemplo con varios tanques de almacenamiento de los fluidos y que no forman parte de la invención porque el tipo de tanque que se representa en la misma no forma parte de la invención.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 representa un esquema general de un dispositivo de almacenamiento y de restitución de un gas según una de las posibles disposiciones de la invención. En esta figura, el dispositivo representado comprende tres tanques rígidos de almacenamiento 1 de fluidos en los que la presión de un gas se mantiene constante gracias a un líquido, sabiendo que el número de tanques se adapta a la capacidad de almacenamiento requerida. Ventajosamente, en lo que sigue, los fluidos utilizados son el aire como gas y el agua como líquido, entendiéndose, sin embargo, que podrían usarse otro gas y otro líquido.
El tanque de almacenamiento 1 de fluidos se representa con más detalle en la figura 2. Su espesor y diseño le permiten soportar la presión interna de los fluidos que contiene. El cuerpo del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos puede ser de forma cilíndrica y provisto en sus extremos de fondos 4 y 5 convencionalmente hemisféricos o semielípticos para ofrecer la mejor resistencia a las restricciones debidas a la presión de los fluidos almacenados.
El tanque de almacenamiento 1 de los fluidos presenta una envoltura exterior cilíndrica que comprende al menos un tubo metálico, por ejemplo, de acero, del tipo de los utilizados para los gasoductos y los oleoductos. Tal canalización se produce, por ejemplo, por conformación, tal como el enrollado y soldado a partir de una banda laminada plana. Esto también se puede obtener mediante otros procedimientos de puesta en forma.
El diámetro exterior del tubo que forma la envoltura del tanque se elige mayor a 32" (pulgadas), o sea 813 mm (milímetros), mientras que la longitud del tanque se elige de tal modo que la relación entre la longitud del tanque y su diámetro externo sea ventajosamente superior a 8.
La elección del diámetro externo del tanque y la relación entre su longitud y su diámetro resulta de consideraciones técnicas y económicas. Las simulaciones realizadas teniendo en cuenta, en particular, las restricciones técnicas relacionadas con el almacenamiento, los costes de fabricación de los tanques y las restricciones de implantación in situ han demostrado que un diámetro de tanque mayor a 32" y una relación entre su longitud y su diámetro mayor de 8 permiten obtener una configuración que proporciona un compromiso ventajoso para cumplir con las varias restricciones.
Por "longitud", aquí se entiende a la dimensión más grande medida sobre el tanque.
Por "diámetro", aquí se entiende la dimensión más grande medida sobre una sección transversal del tanque.
A título de ejemplos, un tubo, constituido de acero X80, con un diámetro exterior de 56" (pulgada), o sea, 1422 mm, y dimensionado para almacenar el aire a 120 bares, presenta un espesor de pared de aproximadamente 40 mm; un tubo de acero X52, de un diámetro exterior de 48" (pulgadas), o sea, 1219 mm, y dimensionado para almacenar el aire a 80 bares, presenta un espesor de pared de aproximadamente 24 mm.
El uso de tubos de diámetro exterior 48" y 56" para la fabricación de un tanque según la invención ya es en sí mismo particularmente ventajoso porque se trata de dimensiones estándar en el campo de los gasoductos y oleoductos, disponibles en el mercado. De este modo, la fabricación de tanques 1 no necesita el desarrollo de nuevos medios, sino simplemente la transformación de los tubos en un tanque. También se facilita la implantación in situ de tanques, medios ya implementados en sitios industriales para oleoductos y gasoductos que se pueden recuperar para tanques 1. De este modo, los costes de fabricación, pero también los costes de instalación de los tanques 1 se reducen considerablemente.
Según las aplicaciones, puede resultar ventajoso colocar varios tubos de extremo a extremo, conectado por soldadura, con el fin de obtener un tanque 1 de muy larga longitud, por ejemplo, de 50 m. Esta longitud puede aumentarse a 100 m o 250 m según la cantidad de energía a almacenar y la configuración de la zona de almacenamiento. La longitud del tanque es entonces ventajosamente un múltiplo de la mayor longitud de los tubos para un diámetro y un espesor de tubo dados.
La capacidad del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos puede ser de algunas decenas de m3 (metro cúbico) a unas pocas decenas de miles de m3 según las aplicaciones.
El tanque 1 está equipado con los soportes necesarios para su mantenimiento.
El tanque 1 está provisto cerca de un primer extremo con al menos un orificio 36 del gas conectado por un lado a una fuente de gas y por otro lado abriéndose en una parte que contiene el gas 2 en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, permitiendo que el flujo de gas salga o vuelva a entrar en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos. Se ha representado en las figuras el ejemplo en donde el orificio 36 del gas es tanto un orificio de entrada como un orificio de salida del gas del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, entendiéndose que el orificio de salida puede estar separado del orificio de entrada del gas.
El orificio 36 del gas, como orificio de entrada, está conectado por una canalización 6 resistente a la presión del gas 2 a al menos una instalación 8 de compresión que administra gas 2 bajo presión a almacenar cuando se desee almacenar el gas y, como orificio de salida, a al menos una instalación 9 de salida que usa gas 2 bajo presión cuando se desea liberar el aire 2 del almacenamiento.
La instalación 8 de compresión consta, en la figura 1, de al menos un compresor 13 de aire acoplado a al menos un motor eléctrico 14 y permite producir y administrar aire comprimido a presión constante en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos utilizando energía eléctrica. La flecha 25 de la figura 1 representa el sentido del flujo del gas a la salida de la instalación 8.
La instalación 9 de salida es, por ejemplo, como se ilustra en la figura 1, una instalación de distensión y luego consta de al menos una válvula distensora 10 acoplada a al menos un generador eléctrico 11. Una cámara 12 de combustión permite ventajosamente calentar el aire en la entrada del distensor 10. La instalación 9 de distensión utiliza el aire comprimido a presión constante administrado por el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos para producir energía eléctrica. La flecha 26 en la figura 1 representa el sentido del flujo de aire en la entrada de la instalación 9 de distensión.
El dispositivo permite de este modo almacenar energía eléctrica en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos en forma de gas comprimido, tal como aire comprimido, suministrado por la instalación 8 de compresión y recuperar esta energía eléctrica por la distensión del gas en la instalación 9 de distensión.
Como variante, la instalación 9 de salida utiliza directamente el gas comprimido, por ejemplo, en un procedimiento industrial. En la introducción se citaron ejemplos de campos industriales que implementan procedimientos que utilizan gas comprimido.
El tanque de almacenamiento 1 de los fluidos se proporciona cerca de un segundo extremo, de al menos un orificio 35 del líquido que desemboca en una parte que contiene líquido 3 del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, con el fin de permitir el flujo del líquido que entra y que sale del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos.
En las figuras, el orificio 35 del líquido es tanto un orificio de entrada como de salida para el líquido. Sin embargo, el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos puede comprender un orificio de entrada del líquido y un orificio de salida del líquido distintos.
Con el fin de mantener el gas 2 comprimido a una presión constante en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, el orificio 35 del líquido, como orificio de entrada, está conectado por una canalización 7 resistente a la presión del líquido a un conjunto 15 motor que comprende al menos una bomba 17 y al menos un motor 18. Los medios de descarga conectados por la canalización 7 al orificio de salida 35 de líquido permiten evacuar el líquido fuera del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos. Según un modo de realización, los medios de descarga comprenden al menos un conjunto 16 de generador que comprende una turbina 19 acoplada a al menos un generador 20 eléctrico.
La flecha 27 en la figura 1 representa el sentido del flujo de líquido a través de la bomba 17. La bomba 17 está conectada aguas arriba por una canalización 21 a al menos un tanque 22 de líquido.
La flecha 28 en la figura 1 representa el sentido del flujo de líquido a través de la turbina 19. Ventajosamente, la turbina 19 está conectada aguas abajo mediante una canalización 21 al tanque 22 de líquido.
Ahora se describe el funcionamiento del dispositivo de almacenamiento en donde el gas es aire y el líquido es agua.
Durante una etapa llamado almacenamiento de aire, el aire suministrado bajo una presión de entrada por la instalación 8 de compresión entra en la parte que contiene aire 2 del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, a través del orificio 36 del aire y permanece a una presión de almacenamiento muy cercana a la presión de entrada. A continuación, el aire ejerce una presión de almacenamiento muy próxima a la presión de entrada del agua 3, ya sea directamente o, como se verá esto más adelante, por medio de medios de separación de aire y agua 3, por ejemplo, un diafragma 23.
Bajo el efecto de esta presión del aire, el agua 3 se evacua desde la parte inferior del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos a través del orificio 35 del agua.
Según el modo de realización, el agua de este modo evacuada acciona la turbina 17 hidráulica del conjunto 16 generador, lo que permite producir energía eléctrica. Un sistema de control y regulación del conjunto 16 de generador permite que el aire se mantenga a una presión de almacenamiento constante durante las operaciones de almacenamiento del aire.
Durante una llamada etapa de liberación del aire 2, el agua 3 es bombeada por la bomba 17 hidráulica del conjunto 15 motor a una presión casi igual a la presión de almacenamiento en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, y entra en la parte inferior del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos por el orificio 35 a una presión muy cercana a la presión de almacenamiento. El agua entonces ejerce una presión muy cercana a la presión de almacenamiento sobre el aire 2 en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos.
Bajo el efecto de esta presión ejercida por el agua, el aire se evacua del tanque 1 de los fluidos a través del orificio 36 del aire y se alimenta a una presión constante muy próxima a la presión de almacenamiento de la instalación 9 de salida. Un sistema de regulación y de control del conjunto 15 del motor permite mantener una presión de gas constante durante todas las operaciones de liberación de gas.
La figura 6 representa una aplicación del dispositivo de la invención en donde varios tanques, en este caso cinco tanques 1a a 1e, de almacenamiento de los fluidos se usan. Por supuesto, esta variante permite aumentar el volumen de aire almacenado y, por tanto, la cantidad de energía eléctrica almacenada. En efecto, la dimensión transversal, por ejemplo, el radio en el caso de un tanque de sección circular, de cada uno de los tanques 1a a 1e de almacenamiento de los fluidos está limitado teniendo en cuenta las altas presiones interiores y puede ser necesario para aumentar la capacidad de almacenamiento, utilizar un conjunto de tanques.
En el ejemplo representado, los tanques 1a a 1e de almacenamiento de los fluidos están todos conectados a la misma instalación 8 de compresión del aire, en la misma instalación 9 de salida, al mismo conjunto 15 motor y, por lo tanto, a la misma bomba 17 hidráulica, y al mismo conjunto 16 generador y, por lo tanto, a la misma turbina 19 hidráulica. Sin embargo, se puede prever para cada tanque 1a a 1e el almacenamiento de los fluidos que se conectará a una instalación 8 de compresión, una instalación 9 de salida, un conjunto 15 motor y un conjunto 16 generador que le son específicos.
Un conjunto de válvulas 70 de aire, colocado en los orificios de entrada y de salida 36 del aire, y un conjunto de válvulas 99 de agua, colocado sobre los orificios de entrada y de salida del agua, permiten aislar ciertas conexiones. Entonces es posible elegir ciertos tanques 1a a 1e de almacenamiento de los fluidos que funcionan en una etapa de almacenamiento del aire, es decir, en donde se inyecta aire y la presión se mantiene constante gracias al sistema de mando y control del conjunto 16 generador, y de otros tanques que operan en una etapa de restitución del aire, es decir, en donde se evacua el gas y la presión se mantiene constante gracias al sistema de mando y control del conjunto 15 motor.
El gas 2 en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos se separa preferentemente del líquido 3 por medios de separación estancos a los fluidos, tal como un diafragma rígido y móvil 23 que separa el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos en una parte que contiene el gas 2 y una parte que contiene el líquido 3. El diafragma 23 define entonces una superficie de separación entre el líquido y el gas, y es móvil con las variaciones de volumen del gas y del líquido durante las operaciones de almacenamiento y liberación del gas.
En efecto, los medios de separación deben poder desplazarse durante las operaciones de almacenamiento y liberación del gas, de modo que el volumen de la parte que contiene el gas disminuye cuando el gas se libera mientras aumenta el volumen de la parte que contiene el líquido y, a la inversa, de modo que el volumen de la parte que contiene el gas aumenta cuando el gas se almacena mientras aumenta el volumen de la parte que contiene el líquido disminuye.
El diafragma 23 está preferentemente equipado con una o varias juntas 24 de estanqueidad en su periferia con el fin de mantener una separación entre el gas bajo presión y el líquido en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos y evitar los fenómenos de disolución del gas en el líquido o de contaminación de uno de los dos fluidos por el otro. De este modo, los dos fluidos en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos ejercen mutuamente una presión entre sí por medio del diafragma 23.
La naturaleza de las juntas 24, en particular, por su material, forma y principio de estanqueidad, se adapta a los fluidos 2 y 3, y a las condiciones de almacenamiento como presión y temperatura. También debe garantizar una vida útil suficiente de las juntas, en particular con buena resistencia al desgaste resultante del rozamiento en la superficie interna del tanque resultante del desplazamiento del diafragma 23 durante las operaciones de almacenamiento y de liberación del gas.
Para limitar el desgaste del dispositivo de separación estanco a los fluidos por fricción contra la pared interna del tanque, puede resultar ventajoso cubrir esta última con un revestimiento adaptado para esta función. En particular, puede tratarse de una resina epoxi o PTFE, por ejemplo, aplicada por proyección con pistola pulverizadora.
Las juntas 24 pueden ser juntas inflables. Para aumentar la estanqueidad entre el gas y el líquido, se pueden utilizar al menos dos juntas 24 para constituir presas sucesivas.
En el caso representado en la figura 2, la superficie de separación entre el aire 2 y el agua 3 está en un plano horizontal. El aire 2 ocupa entonces necesariamente la parte superior del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos y el agua la parte inferior del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos. El diafragma 23 simplemente puede flotar en la superficie del agua, para desplazarse con variaciones en el volumen de agua. Como variante, el diafragma de separación rígido 23 puede ser reemplazado por una membrana de material deformable que separa el aire y el agua, de modo que el volumen de las partes que contienen el agua y el gas sean de volumen variable por deformación de la membrana.
Si la superficie de separación entre el aire y el agua no está en un plano horizontal, es necesario utilizar un diafragma de separación rígido 23 especialmente diseñado para tener en cuenta las diferencias de presión entre el lado que comprende el líquido y el lado que comprende el gas.
La figura 3 representa de este modo un ejemplo de medios de separación entre un gas y un líquido en un tanque de almacenamiento 1 de fluidos, en donde la superficie de separación entre el gas y el líquido no está en un plano horizontal. Por ejemplo, la superficie de separación está en un plano vertical, o en un plano inclinado unos algunos grados, por ejemplo, entre 1° y 10°, con respecto al plano vertical. Este puede ser el caso si es más ventajoso que el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos esté en una posición horizontal, colocado en el suelo, enterrado, o cuando sus dimensiones de longitud no permitan una posición vertical. Entonces es necesario que el diseño del diafragma 23, en el plano de la superficie de separación entre el gas 2 y el líquido 3, permite retomar las fuerzas debidas a las diferencias entre la distribución de las presiones en el lado del líquido y en el lado del gas permitiendo el deslizamiento en el cuerpo del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos y asegurando la estanqueidad.
A continuación, el diafragma rígido 23 está provisto en su periferia de superficies 30 de apoyo en el cuerpo del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, estas superficies 30 de apoyo presentan grandes dimensiones, de modo que queden desfasadas a ambos lados del plano del diafragma 23 y, por lo tanto, de la superficie de separación entre el gas y el líquido, con el fin de absorber los momentos de fuerzas aplicadas. Estas superficies 30 de apoyo están realizadas de un material resistente a la compresión bajo el efecto de la presión en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos y que facilitan el deslizamiento sobre el cuerpo del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos para desplazar el diafragma 23.
Las superficies 30 de apoyos pueden ser continuas sobre toda la circunferencia del tanque, discontinuas al estar distribuidas equitativamente sobre la circunferencia del tanque, o bien discontinuas al estar distribuidas de manera desigual, por ejemplo, con una superficie de apoyo total más grande sobre las partes inferior y superior del tanque, donde la presión ejercida por los fluidos sobre el diafragma 23 es mayor.
Asimismo, el ancho de las superficies 30 de apoyo puede ser constante o no en la circunferencia del tanque. En el caso de apoyos discontinuos, la superficie unitaria de contacto entre las superficies de apoyo y el tanque puede ser la misma para todos los apoyos o ser diferente según los apoyos.
Los apoyos también pueden constar de mecanismos de rodamiento como, por ejemplo, ruedas que permiten facilitar el movimiento del diafragma.
El desfase de las superficies de apoyo 30 con respecto al plano del diafragma 23, es decir, la mayor distancia entre un punto de una superficie de apoyo 30 y el plano del diafragma 23, puede no ser el mismo para todas las superficies 30 de apoyo. De este modo, puede ser más importante para las superficies 30 de apoyo colocadas en la parte inferior del tanque, en particular, debido a una mayor presión ejercida por el agua en la parte inferior del diafragma 23.
El diafragma 23 queda entonces perfectamente centrado en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, es decir, que no se inclina bajo el efecto de las presiones ejercidas sobre sus dos caras, y la o las juntas 24 de estanqueidad están correctamente mantenidas, incluso cuando se desplaza durante las operaciones de almacenamiento y de liberación.
Según su naturaleza, las superficies 30 de apoyos también pueden contribuir a la estanqueidad entre el gas y el líquido.
El diafragma 23 de este modo provisto de superficies 30 de apoyo permite, en cualquier tanque de almacenamiento 1 de fluidos, asegurar una estanqueidad entre dos fluidos contenidos mientras se permite que el volumen de la parte que contiene un primer fluido y el volumen que contiene el segundo fluido varíe por el desplazamiento del diafragma 23.
En el caso de que la superficie de separación entre el gas y el líquido esté inclinada en algunos grados con respecto al plano vertical, es ventajoso disponer el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos de tal manera que la parte 33 más baja sea la parte que contenga el gas y, por lo tanto, la parte 34 más alta sea la parte que contenga el líquido. Desde este momento, en caso de falla del diafragma 23 y/o de las juntas 24 de estanqueidad entre el gas y el líquido, una eventual fuga del líquido 3 hacia el gas 2 a través del diafragma 23 necesariamente fluirá hacia la parte 33 más baja del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, pudiendo este líquido ser recuperado y devuelto al otro lado del diafragma 23, en la parte que contiene el líquido, por una bomba hidráulica 31 de baja potencia. De la misma manera, una eventual fuga del gas hacia el líquido a través del diafragma 23 necesariamente fluirá hacia la parte 34 más alta del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos, en la parte que contiene el líquido. Este gas puede devolverse al otro lado del diafragma 23, en la parte que contiene el gas, por un compresor de aire 32 de baja potencia.
La parte 33 más baja y la parte 34 más alta del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos están colocadas en extremos opuestos del tanque 1 para no interferir con el movimiento completo del diafragma 23.
El dispositivo se puede colocar en diferentes variantes y el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos puede estar en tierra o bajo el agua.
De este modo, el dispositivo se puede utilizar para el almacenamiento de gas destinado a alimentar un procedimiento industrial.
Permite, gracias al mantenimiento de la presión constante de almacenamiento del gas y su restitución, ofrecer condiciones muy favorables para el funcionamiento de la instalación de compresión 8 y a la instalación de salida 9.
Las densidades de almacenamiento también son mucho más altas que el almacenamiento de volumen constante, gracias a las altas presiones permitidas en el tanque de almacenamiento 1 de los fluidos.
También debe tenerse en cuenta que las presiones habituales para el uso de gases en procedimientos industriales generalmente varían de algunos bares a algunas decenas de bares. El almacenamiento del gas a estas presiones relativamente bajas tendría una densidad baja que implicaría altos costes de almacenamiento y un gran espacio ocupado.
Por lo tanto, es mucho más ventajoso almacenar a altas presiones.
La ausencia de un dispositivo de almacenamiento de gas económicamente interesante obliga a las industrias a producir el gas comprimido al mismo tiempo que se utiliza en el procedimiento industrial. Por lo tanto, es necesario dimensionar una instalación de compresión específica a las presiones de gas requeridas por el procedimiento industrial, que ocasionalmente satisface las necesidades según las etapas del procedimiento, si bien esta potencia podría reducirse en gran medida haciendo funcionar la instalación de compresión de forma continua, al menos durante sobre un largo período. Además, cualquier parada en la instalación de compresión resulta en la parada del conjunto del dispositivo industrial, lo que obliga necesario prever instalaciones de compresión en seguridad.
Por lo tanto, existe una ventaja adicional de almacenar el gas según la invención cuando el gas se destina a un procedimiento industrial.
El dispositivo de la invención permite de este modo almacenar el gas a alta presión y con densidades satisfactorias.
Por otro lado, puede ser ventajoso utilizar cualquier fuente de gas bajo presión disponible en el o los procedimientos industriales para alimentar incluso parcialmente la instalación 8 de compresión, y de este modo reducir los requisitos de energía consumidos por el dispositivo.
En el caso de que otro procedimiento industrial implementado en el sitio industrial además del primero, también necesitara una velocidad restringida de gas almacenado a una presión alta más cercana a la del almacenamiento del gas, es ventajoso colocar entre el orificio de salida 36 del gas del tanque de almacenamiento 1 de los fluidos y la instalación 9 de distensión un circuito de derivación que permita alimentar este otro procedimiento en paralelo con alta presión. Este circuito de derivación podrá contener un órgano que permita distender el gas a la presión requerida para el procedimiento.
El equipo según la invención permite, de este modo, alimentar simultánea o alternativamente a los dos procedimientos industriales con un gas a presiones muy diferentes.
La figura 4 representa, vista en sección transversal, una variante de realización en donde los medios de separación comprenden una membrana deformable 102 fijada sobre el conjunto de su periferia al tanque 101. En la vista 4.1, se representa un ejemplo de posicionamiento de la membrana cuando el tanque contiene una cantidad de líquido 3 mayor que la cantidad de gas 2. En la vista 4.2, se representa un ejemplo de posicionamiento de la membrana cuando el tanque contiene una cantidad de líquido 3 menor que la cantidad de gas 2.
Por deformable, se entiende aquí la capacidad de la membrana 102 de deformarse de manera elástica bajo el efecto de las presiones ejercidas por los fluidos en el tanque 1 sobre la membrana 102.
La figura 5 representa una variante de realización de la invención en donde los medios de separación comprenden una membrana deformable 102 que forma una vejiga o un globo de goma. La vejiga se deforma bajo la presión ejercida por el gas y el líquido durante su llenado y durante la restitución del líquido que contiene. En este ejemplo, el tanque está posicionado horizontalmente, el gas se encuentra en el interior de la vejiga, que está envuelta por el líquido, la parte superior del tanque es donde se coloca la vejiga por el empuje de Arquímedes.
La vejiga puede, por ejemplo, estar en elastómero de base NBR (para Nitrile Butadiene Rubber), IIR (para Isobutylene Isoprene Rubber), EPDM (para Ethylene Propylene Diene Monomer) o NR (para Natural Rubber). El material y el espesor de la vejiga se definen según sus dimensiones y la presión de los fluidos.
La membrana no se fabrica necesariamente con un elastómero que tenga alta elasticidad. También se puede utilizar un material inelástico. En este caso, la membrana de separación se despliega durante el llenado para alcanzar su volumen máximo. Durante el vaciado, la presión ejercida por el líquido situado en el exterior de la vejiga le permite volver a su volumen inicial.
Se puede ver representada en esta figura una envoltura interna 103 principalmente cilíndrica que permite mantener la vejiga en una posición definida en el tanque y evitar que la membrana roce directamente contra la pared interna 100, 101 del tanque. Ventajosamente, la envoltura interna 103 es porosa, por ejemplo, realizada del metal perforado, para mantener el contacto con el líquido cuando la membrana se apoya sobre la envoltura interna. Esta solución es aplicable para un tanque colocado horizontal o verticalmente.

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de almacenamiento y de restitución de fluidos a presión casi constante, comprendiendo dichos fluidos un gas y un líquido, comprendiendo el dispositivo un conjunto de tanques (1) sustancialmente idénticos, presentando cada uno de los tanques (1) una envoltura exterior cilíndrica (100) constituida por al menos un tubo metálico (101) del tipo de los utilizados para los gasoductos y los oleoductos, cuyo diámetro exterior es superior a 813 mm y la relación entre su longitud y su diámetro exterior es superior a 8, comprendiendo dichos tanques:
- una parte que contiene el gas y una parte que contiene el líquido,
- un medio de separación (23) entre el gas y el líquido en el tanque (1), que comprende una membrana deformable (102),
- un orificio de entrada (36) y un orificio de salida (36) del gas que desembocan en la parte que contiene el gas del tanque (1),
- un orificio de entrada (35) y un orificio de salida (35) del líquido que desembocan en la parte que contiene el líquido del tanque (1),
caracterizado por que la membrana deformable (102) forma una vejiga o un globo de goma.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que la membrana deformable (102) forma una vejiga deformable bajo la presión en el tanque de almacenamiento (1) de los fluidos para contener el gas o el líquido.
3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el tanque (1) comprende además una envoltura interna (103) en donde se coloca la membrana deformable (102).
ES14706875T 2013-01-17 2014-01-14 Dispositivo para el almacenamiento y la restitución de fluidos bajo una presión elevada casi constante Active ES2897557T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

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