ES2959983T3 - Central eléctrica - Google Patents

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Abstract

Central eléctrica (1) para generar energía eléctrica (100) y vapor de proceso (200), que comprende: - una turbina de gas (2) para accionar un primer generador (3) para generar energía eléctrica (100). quemando un combustible en gas de combustión (300), - una turbina de vapor (4) para accionar un segundo generador (5) con el fin de generar energía eléctrica (100), que comprende una primera etapa (4a) para convertir vapor fresco (400) en vapor residual (201), que constituye al menos parte del vapor de proceso (200), y - un generador de vapor de calor residual (6) para generar vapor fresco (400) a partir de agua dulce (500) utilizando el calor de escape del gas de combustión (300), en el que - el vapor residual (201) tiene una presión de vapor residual que es menor que la presión del vapor fresco (400), - el generador de vapor de calor residual (6) comprende un precalentador (7) para precalentar el agua dulce (500) para formar agua de alimentación (600) y un evaporador (8) para evaporar el agua de alimentación (600) para formar vapor fresco (400), y - el agua de alimentación (600) tiene una presión de agua de alimentación superior a la presión del vapor residual. La invención se caracteriza por una válvula de mariposa (9, 14) para expandir parte del agua de alimentación (600) ya sea a la presión del vapor residual para generar vapor adicional (202) o a una presión del vapor impulsor que es inferior a la presión de vapor residual para generar un vapor impulsor (700) para operar una segunda etapa (4b) de la turbina de vapor (4). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Central eléctrica
La invención se refiere a una central eléctrica para la generación de energía eléctrica y extracción de vapor (central eléctrica de gas y vapor). En particular, la central eléctrica según la invención está provista de una turbina de gas y funciona según el acoplamiento de energía-calor. En la central eléctrica se maximiza una cantidad de vapor de extracción. De esta manera, se puede ahorrar combustible en la turbina de gas o en una combustión adicional, ya que el vapor de proceso requerido se proporciona con menor gasto de energía. De esta forma, se pueden reducir tanto los costes operativos de la central eléctrica como también sus emisiones de CO2.
Las centrales eléctricas de gas y vapor con acoplamiento de energía-calor son conocidas por el estado de la técnica. Por ejemplo, del documento US 5,044,163 A se desprende una central eléctrica de este tipo. Sin embargo, no está prevista una extracción de vapor de proceso para esta central eléctrica. También se conocen por el estado de la técnica centrales eléctricas en las que se puede extraer vapor de proceso. Por lo general, estas centrales eléctricas se construyen específicamente para los consumidores industriales de electricidad y calor. La emisión de calor se efectúa en forma de vapor de proceso. Ventajosamente, los consumidores tienen una necesidad continua de energía. En tales centrales eléctricas está presente una turbina de gas cuyos gases de combustión se utilizan para la evaporación del agua de alimentación, accionándose una turbina de vapor con el vapor vivo así generado. Después de pasar por la turbina de vapor, el vapor residual se puede extraer de la central eléctrica como vapor de proceso y se puede utilizar para otros procesos.
Otras centrales eléctricas son conocidas, por ejemplo, por el documento DE 19944920 B4 o el documento DE 2824 321 A1. También el documento DE 712 163 A describe otra central eléctrica.
En las centrales eléctricas conocidas, el calor de los gases de combustión no puede utilizarse de forma óptima, especialmente a bajas temperaturas, por lo que se pierde el calor de los gases de combustión. Esto conduce a una eficiencia reducida de toda la central eléctrica.
Por lo tanto, la tarea de la invención es mejorar la eficiencia de una central eléctrica de gas y vapor.
La tarea se resuelve con las características de la reivindicación independiente. Las reivindicaciones subordinadas tienen por contenido desarrollos preferidos de la invención.
La tarea se resuelve así mediante una central eléctrica para la generación de energía eléctrica y vapor de proceso. La central eléctrica comprende una turbina de gas, una turbina de vapor y un generador de vapor de recuperación de calor. El generador de vapor de calor residual está diseñado en al menos una etapa y, en particular, también puede estar diseñado en varias etapas. La turbina de gas sirve para el accionamiento de un primer generador para la generación de energía eléctrica mediante combustión de un combustible para formar gases de combustión. La turbina de vapor sirve para el accionamiento de un segundo generador. La turbina de vapor presenta al menos una primera etapa, en particular una etapa de alta presión, para convertir un vapor vivo en un vapor residual. De esta forma, se extrae energía del vapor vivo para accionar el generador. El vapor residual representa al menos una parte del vapor de proceso que se puede extraer de la central eléctrica. Así, en particular, todo el vapor residual o al menos una parte del vapor residual se extrae de la central eléctrica como vapor de proceso. El generador de vapor de recuperación de calor sirve para la generación de vapor vivo a partir de agua dulce utilizando el calor residual de los gases de combustión. El agua dulce puede suministrarse a la central eléctrica, en particular para compensar el vapor de proceso extraído, y/o puede obtenerse a partir de una parte del vapor residual condensándola. En particular, el generador de vapor de recuperación de calor comprende varios intercambiadores de calor para convertir el agua dulce en vapor vivo. Se prevé que el vapor residual tenga una presión de vapor residual que sea inferior a la presión de vapor vivo del vapor vivo. Así, el vapor vivo presenta más energía que el vapor residual, que se puede utilizar en la turbina de vapor para el accionamiento del segundo generador. La turbina de vapor puede presentar únicamente la primera etapa, en particular la etapa de alta presión. En este caso, la turbina de vapor está diseñada en una etapa. Alternativamente, la turbina de vapor también puede presentar una segunda etapa adicional, en particular una etapa de baja presión. En este caso, la turbina de vapor está diseñada en dos etapas.
Se prevé que el generador de vapor de recuperación de calor presente un precalentador y un evaporador. El precalentador sirve para el precalentamiento del agua dulce para dar agua de alimentación. El evaporador sirve para la evaporación del agua de alimentación para dar el vapor vivo. En este caso está previsto en particular que el precalentador y el evaporador comprendan respectivamente un intercambiador de calor que se introduce en una corriente de gas de combustión. En este caso, el evaporador está dispuesto en un punto de la corriente de gases de combustión más caliente que el precalentador. En particular, el agua de alimentación presenta una presión de agua de alimentación que es más elevada que la presión del vapor residual. La presión del agua de alimentación se genera en particular mediante una unidad de bomba, a través de la cual se puede bombear agua fresca a través del precalentador. En el caso de la presión del agua de alimentación se trata de forma especialmente ventajosa de una presión entre 50 bar y 150 bar, preferentemente entre 80 bar y 120 bar, en particular alrededor de 100 bar. En el caso de la presión de vapor residual se trata en particular de una presión entre 1 bar y 10 bar, en particular entre 3 bar y 7 bar, de manera particularmente preferida alrededor de 5 bar. En el caso de la presión del vapor vivo a plena carga se trata en particular de la presión del agua de alimentación menos 2 bar a 5 bar de pérdida de presión, en el caso de funcionamiento a carga parcial se trata en particular de una presión entre 10 bar y 20 bar, en particular entre 13 bar y 17 bar, de forma especialmente preferente alrededor de 15 bar.
La central eléctrica presenta además una válvula de mariposa o varias válvulas de mariposa en etapas, así como preferiblemente al menos un separador de agua. La al menos una válvula de mariposa está diseñada para expandir parte del agua de alimentación. En este caso, la válvula de mariposa puede diseñarse para expandir parte del agua de alimentación a la presión de vapor residual o, alternativamente, a una presión de vapor de accionamiento. En el caso de la expansión a la presión de vapor residual, se genera un vapor adicional que presenta la misma presión de vapor que el vapor del proceso. Por lo tanto, el vapor adicional, así como el vapor de proceso, pueden extraerse de la central eléctrica para aumentar la extracción de vapor. En el caso de expansión a la presión del vapor de accionamiento, se genera un vapor de accionamiento. El vapor de accionamiento sirve en particular para operar una segunda etapa de la turbina de vapor. La presión del vapor de accionamiento es inferior a la presión de vapor residual. En particular, en el caso de la presión del vapor de accionamiento se trata de una presión entre 0,1 bar y 3 bar, en particular entre 0,3 bar y 0,7 bar, de manera particularmente preferida alrededor de 0,5 bar. Si la central eléctrica está en funcionamiento a carga parcial, la presión del vapor de accionamiento es en particular más baja que en el funcionamiento a plena carga. Preferiblemente, la presión del vapor de accionamiento es considerablemente más baja en el funcionamiento a carga parcial que en el funcionamiento a plena carga. La segunda etapa de la turbina de vapor es en particular una etapa de baja presión, por lo que la presión de vapor de accionamiento más baja es suficiente para accionar la turbina de vapor, en particular con un caudal másico mínimo. Por lo tanto, no es necesario utilizar vapor residual descargado de la primera etapa para el accionamiento de la segunda etapa. Más bien, se posibilita que todo el vapor residual se emita como vapor de proceso.
La central eléctrica según la invención aumenta significativamente la eficiencia, particularmente en el funcionamiento a carga parcial. Esto sucede porque un desacoplamiento de vapor de la central eléctrica se incrementa al aumentar la cantidad de vapor de proceso. Esto se consigue extrayéndose el vapor adicional como vapor de proceso además del vapor residual, o no teniéndose que operar una segunda etapa de la turbina de vapor con el vapor residual de la primera etapa, o teniéndose que operar esta solo en menor medida, con lo cual se puede extraer una mayor proporción del vapor residual como vapor de proceso. Dado que la central eléctrica prevé que el agua de alimentación se extraiga antes de la evaporación, se puede realizar un flujo más elevado a través del precalentador sin afectar significativamente la producción de vapor. Mediante el flujo de agua dulce más elevado a través del precalentador se efectúa un mejor enfriamiento de los gases de combustión, de modo que la energía térmica de los gases de combustión se puede utilizar de manera óptima incluso a temperaturas más bajas. Esto conduce a una mayor eficiencia de la central eléctrica. En particular, está presente un dispositivo de regulación en el que el caudal másico de agua dulce y el flujo del agua de alimentación son regulados por la válvula de mariposa de tal manera que el flujo a través del evaporador no se ve afectado por la medida y al mismo tiempo los gases de combustión se enfrían de manera óptima. Se presenta un enfriamiento óptimo de los gases de combustión en particular cuando los gases de combustión se enfrían a 100°C, preferiblemente a 90°C. De manera especialmente ventajosa, el enfriamiento se lleva a cabo hasta un punto de rocío de ácido sulfúrico o hasta un rango de tolerancia predefinido alrededor del punto de rocío de ácido sulfúrico, no descendiendo en particular el punto de rocío de ácido sulfúri
En una forma de realización preferida está previsto que la válvula de mariposa sea una válvula de mariposa de vapor adicional. La válvula de mariposa de vapor adicional sirve para la expansión de parte del agua de alimentación a la presión de vapor residual para la generación del vapor adicional. Por lo tanto, se prevé que después de la expansión de parte del agua de alimentación a la presión de vapor residual, el vapor adicional se extraiga de la central eléctrica. Para ello, el vapor adicional se mezcla con la presión de vapor residual para dar el vapor de proceso. Por lo tanto, la central eléctrica está diseñada para que el vapor adicional sea miscible con el vapor residual para dar el vapor de proceso. Por lo tanto, se incrementa la cantidad de vapor de proceso que se puede extraer de la central eléctrica. Además, dado que la mayor cantidad de vapor de proceso resulta de un mayor caudal másico a través del precalentador, se posibilita enfriar los gases de combustión a una baja temperatura. En particular, los gases de combustión se enfrían a una temperatura más baja que en el estado de la técnica, extrayendo así una mayor cantidad de energía térmica de los gases de combustión. Por lo tanto, la energía existente de los gases de combustión se puede utilizar mejor que en el estado de la técnica.
En otra forma de realización preferida está previsto que la turbina de vapor esté configurada en dos etapas. La turbina de vapor presenta así una segunda etapa además de la primera etapa descrita anteriormente. La segunda etapa es, en particular, una etapa de baja presión y sirve para la conversión de un vapor de accionamiento en un vapor perdido. El vapor perdido está previsto únicamente para la condensación y no se utiliza adicionalmente en particular. El vapor de accionamiento puede generarse ventajosamente mediante expansión del agua residual del vapor adicional en una válvula de mariposa de vapor de accionamiento. En particular, el vapor de accionamiento generado de esta manera corresponde al vapor de accionamiento descrito anteriormente, no siendo generado el vapor de accionamiento directamente a partir del agua de alimentación en este ejemplo de realización, sino a partir del agua residual del vapor adicional. Para ello, el agua residual se separa del vapor adicional y se vuelve a expandir mediante la válvula de mariposa del vapor de accionamiento. Dado que la presión del vapor de accionamiento es inferior a la presión del vapor residual, es posible una expansión de este tipo para operar la segunda etapa, en particular la etapa de baja presión, de la turbina de vapor. La segunda etapa, en particular la etapa de baja presión, normalmente presenta un caudal másico mínimo que no debe ser inferior para evitar la ventilación. Por ejemplo, no se debe pasar por debajo del límite del 10 % del caudal másico. En el estado de la técnica, este caudal másico mínimo suele derivarse del vapor residual y, por lo tanto, no puede utilizarse para el vapor de proceso. Sin embargo, si la segunda etapa se opera con el caudal másico mínimo, ya existe una presión baja en su entrada debido a la ley de Stodola, ya que predomina un gradiente de presión reducido en la segunda etapa de la turbina. Como ya se ha descrito, la presión del vapor de accionamiento es inferior a la presión del vapor residual, de modo que en el estado de la técnica el vapor residual tiene que ser fuertemente estrangulado para alcanzar la presión del vapor de accionamiento. Por lo tanto, el caudal másico mínimo puede obtenerse de forma óptima a partir del vapor adicional, de forma que no sea necesario utilizar el vapor residual para el accionamiento de la segunda etapa. Esto conduce a un aumento considerable de la eficiencia de la central eléctrica de energía, especialmente en funcionamiento a carga parcial. Esto está apoyado en particular por el hecho de que el precalentador debe diseñarse para el funcionamiento a plena carga, con lo cual el precalentador está sobredimensionado en el funcionamiento a carga parcial. Esto es aprovechado por la corriente de agua dulce más elevada a través del precalentador para la generación de vapor adicional y/o vapor de accionamiento.
En una forma de realización alternativa a las formas de realización descritas anteriormente, se prevé que la turbina de vapor esté diseñada a su vez en dos etapas, estando diseñada la segunda etapa, en particular una etapa de baja presión, para la conversión del vapor de accionamiento en un vapor perdido. A su vez, el vapor perdido está previsto para la condensación y, en particular, no se usa adicionalmente. El vapor de accionamiento es generado ventajosamente por la válvula de mariposa, que es una válvula de mariposa de vapor de accionamiento. Esto sucede porque parte del agua de alimentación se expande a la presión del vapor de accionamiento, con lo cual el vapor de accionamiento es generado por la válvula de mariposa de vapor de accionamiento. En este caso, no se efectúa una generación de vapor adicional, por lo que el vapor residual representa todo el vapor del proceso. Sin embargo, dado que no tiene que utilizarse vapor residual para el accionamiento de la segunda etapa, sino que la segunda etapa se acciona más bien por el vapor de accionamiento, todo el vapor residual puede representar el vapor de proceso. En particular, se producen las mismas ventajas que en los ejemplos de realización anteriores. Así, a su vez mediante un aumento del caudal másico a través del precalentador se consigue incrementar la cantidad de agua de alimentación, convirtiéndose una parte del agua de alimentación en vapor de accionamiento para operar la segunda etapa de la turbina de vapor. Esto a su vez conduce a un aumento en la eficiencia de la central eléctrica, ya que los gases de combustión pueden enfriarse a temperaturas más bajas para utilizar de manera óptima una cantidad de calor presente en el gas de combustión. Una ventaja de esta forma de realización es en particular el circuito simplificado.
En un punto de funcionamiento en el que solo se requiere poco vapor de proceso, la eficiencia eléctrica de la central eléctrica, en particular con una turbina de vapor de una etapa, se puede aumentar en comparación con una central eléctrica convencional sin válvula de mariposa de vapor adicional, proporcionándose el vapor de proceso completamente por el vapor adicional y, por lo tanto, a través de la válvula de mariposa de vapor adicional. Por lo tanto, no se efectúa una emisión de vapor residual como vapor de proceso. Por tanto, todo el vapor residual puede descargarse a través de un bypass, en particular conducirse al condensador. Como resultado, el vapor residual puede presentar una presión significativamente más baja que una presión de vapor de proceso requerida, con lo cual aumenta la potencia de salida de la turbina de vapor.
La central eléctrica presenta ventajosamente un dispositivo de bombeo de agua de alimentación. El dispositivo de bomba de agua de alimentación sirve para el transporte de agua dulce a través del precalentador y para la generación de la presión del agua de alimentación. El dispositivo de bombeo de agua de alimentación comprende al menos una bomba, ventajosamente dos o más bombas. Por lo general, en la central eléctrica únicamente es activa una bomba del dispositivo de bombeo de agua de alimentación, mientras que las otras bombas se mantienen como reemplazo. Durante una extracción de agua de alimentación mediante la expansión del agua de alimentación en la válvula de mariposa se requiere un caudal másico a través del dispositivo de bombeo de agua de alimentación más elevado que sin tal extracción. Por lo tanto, durante la extracción y la expansión del agua de alimentación en la válvula de mariposa, la segunda bomba o la bomba adicional disponible como reemplazo puede usarse ventajosamente para el aumento del flujo másico a través del precalentador.
Se prevé ventajosamente que el generador de vapor de recuperación de calor presente un tambor de vapor. El tambor de vapor sirve para la separación del vapor vivo y agua de alimentación. El vapor vivo se puede suministrar a la turbina de vapor desde el tambor de vapor, sobrecalentándose ventajosamente el vapor vivo en un calentador antes del suministro a través de la turbina de vapor. En particular, el sobrecalentador se instala en el punto más caliente de la corriente de gases de combustión. Además, el tambor de vapor se puede suministrar con el agua de alimentación del precalentador. En particular, el tambor de vapor sirve para separar el agua de alimentación del vapor vivo. En particular, el agua de alimentación se puede extraer en cualquier punto entre el tambor de vapor y el precalentador, de manera particularmente preferida también en cualquier punto del precalentador, y expandirse a través de la válvula de mariposa.
De forma especialmente ventajosa se prevé que el generador de vapor de recuperación de calor presente una bomba de transporte para el transporte del agua de alimentación desde el tambor de vapor a través del evaporador de vuelta al tambor de vapor. De este modo se puede generar vapor vivo a partir del agua de alimentación. El vapor vivo generado se separa del agua de alimentación residual en el tambor de vapor, de modo que el vapor vivo es suministrable a la turbina de vapor exclusivamente sin el agua de alimentación.
La central eléctrica presenta además ventajosamente un depósito separador de vapor adicional. Como alternativa o adicionalmente, la central eléctrica presenta ventajosamente un depósito separador de vapor de accionamiento. El depósito separador de vapor adicional sirve para la separación de agua residual del vapor adicional. El depósito separador de vapor de accionamiento sirve para la separación de agua residual del vapor de accionamiento. El vapor adicional, o bien el vapor de accionamiento, se puede separar así del agua residual, que no se ha evaporado en la válvula de mariposa correspondiente, mediante los respectivos depósitos separadores. En particular, el agua residual que se separó del vapor adicional se puede expandir de nuevo para generar el vapor de accionamiento. El agua residual que se separó del vapor de accionamiento, en particular, se condensa o se enfría y se suministra de nuevo al precalentador como agua dulce. En general, el agua residual respectiva se puede devolver al agua de alimentación dependiendo del nivel de presión en un condensador, así como antes, dentro o después del desgasificador. En este último caso, la presión debe ser, en particular, superior a 1 bar, lo que significa que el desgasificador puede calentarse. En este caso, el agua residual aún caliente puede cubrir al menos parcialmente la demanda de calor del desgasificador. La temperatura de entrada en el precalentador se puede regular mediante una distribución variable del agua residual a un suministro al condensador y después del condensador, de modo que, en particular, no se pase a un nivel por debajo del punto de rocío de ácido sulfúrico a la salida del generador de vapor de recuperación de calor. El agua residual no evaporada se puede utilizar en particular en un intercambiador de calor para el precalentamiento del gas combustible. Asimismo, el agua residual no evaporada tras el aumento de presión en una bomba puede ser utilizada mediante inyección en el gas combustible para un precalentamiento eficiente con saturación de vapor en el gas combustible, lo que conduce a una reducción de emisiones y un aumento del rendimiento. De esta manera, la energía del agua residual se puede utilizar de manera óptima para aumentar adicionalmente la eficiencia de la central eléctrica.
La central eléctrica también presenta ventajosamente un bypass. El vapor residual es transferible a través del bypass desde una salida de la turbina de vapor a un condensador o desde una salida de la primera etapa a una entrada de la segunda etapa. Así, en particular, se puede descargar el vapor residual que no se elimina como vapor de proceso.
Ventajosamente, la válvula de mariposa está instalada en una salida del precalentador. Por lo tanto, el agua de alimentación se extrae preferiblemente en una salida del precalentador, es decir, en un punto más caliente del precalentador. Alternativamente, la válvula de mariposa puede estar instalada en cualquier otro punto del precalentador. En particular, se prevé que el precalentador tenga una primera zona de precalentamiento y una segunda zona de precalentamiento, que están conectadas en serie y entre las cuales está instalada la válvula de mariposa. En este caso, el agua de alimentación se extrae del centro del precalentador.
La central eléctrica según la invención posibilita seleccionar la presión del vapor vivo independientemente del caudal másico procedente del precalentador. En particular, una temperatura por encima del pinch-point (también conocido como punto de presión) es decisiva para la formación de las propiedades del vapor vivo, mientras que el aumento del caudal másico a través del precalentador sólo afecta a la zona por debajo del pinch-point. En particular, también puede optimizarse un enfriamiento de los gases de combustión, ventajosamente con combustión adicional activa, mediante adaptación del flujo másico a través del precalentador.
En una forma de realización preferida, el caudal másico adicional a través del precalentador puede situarse entre 0 % y 200 % del caudal másico proporcionado originalmente para la producción de vapor vivo. En una forma de realización particularmente ventajosa, este caudal másico se sitúa entre 20 % y 50 % del caudal másico inicialmente previsto para la producción de vapor vivo. En particular, el flujo a través del precalentador se adapta para cada punto de funcionamiento de tal manera que se efectúe un enfriamiento óptimo de los gases de combustión, mientras que al mismo tiempo el caudal másico a través del evaporador no se ve afectado por la corriente a través del precalentador.
La central eléctrica presenta ventajosamente de bypass de alta presión. Esto significa que la turbina de vapor, en particular una turbina de alta presión, se deriva a través de una ruta de derivación alternativa adicional con válvula de mariposa propia y enfriamiento por inyección, con lo que se aumenta la cantidad de vapor residual para aumentar, por lo tanto, la cantidad de vapor de proceso. El desvío de alta presión comprende, en particular, un estrangulador y/o una inyección de agua caliente para expandir el vapor vivo, que pasa por la turbina de vapor a través del desvío de alta presión, a la presión de vapor residual y para mezclar con el vapor residual. Como alternativa o adicionalmente, puede estar prevista una combustión adicional. La combustión adicional posibilita un calentamiento adicional de los gases de combustión tras la salida de la turbina de gas. De este modo, se dispone de una mayor cantidad de calor para el generador de vapor de recuperación de calor. Mediante todas estas medidas se puede maximizar la cantidad generada de vapor de proceso.
Preferiblemente está previsto que la válvula de mariposa para la generación del vapor adicional y/o del vapor de accionamiento esté configurada para expandir tal cantidad de agua de alimentación para alcanzar un enfriamiento predefinido de los gases de combustión en todos los puntos de carga. Como resultado, la cantidad de agua de alimentación que se extrae a través de la válvula de mariposa se regula según el enfriamiento de los gases de combustión que se desea alcanzar. Por consiguiente, siempre tiene lugar un enfriamiento óptimo del gas de combustión.
También es ventajoso que la válvula de mariposa esté configurada para expandir el agua de alimentación solo en el funcionamiento a carga parcial de la central eléctrica. Por lo tanto, la extracción de agua de alimentación en la válvula de mariposa solo tiene lugar cuando la central eléctrica trabaja en funcionamiento a carga parcial. La generación de vapor de accionamiento o vapor adicional tiene un gran efecto en la eficiencia de la central eléctrica, precisamente en el funcionamiento a carga parcial.
Otros detalles, ventajas y características de la presente invención resultan de la siguiente descripción de ejemplos de realización por medio del dibujo. Muestra:
la Fig. 1 una ilustración esquemática de una central eléctrica según un primer ejemplo de realización de la invención,
la Fig. 2 una vista esquemática de un diagrama Q-T de la central eléctrica según el primer ejemplo de realización de la invención,
la Fig. 3 una vista esquemática de una central eléctrica según un segundo ejemplo de realización de la invención,
la Fig. 4 una vista esquemática de una central eléctrica según un tercer ejemplo de realización de la invención, y
la Fig. 5 una vista esquemática de una central eléctrica según un cuarto ejemplo de realización de la invención.
La Fig. 1 muestra esquemáticamente una central eléctrica 1 según un primer ejemplo de realización de la invención. La central eléctrica 1 es una central eléctrica de gas y vapor con acoplamiento de energía-calor y comprende una turbina de gas 2, así como una turbina de vapor 4. La turbina de gas 2 sirve para el accionamiento de un primer generador 3, a través del cual se puede generar energía eléctrica 100. La turbina de vapor 4 sirve para el accionamiento de un segundo generador 5, a través del cual también se puede generar energía eléctrica 100.
Mediante el funcionamiento de la turbina de gas 2 se generan gases de combustión 300 que se enfrían en un generador de vapor de recuperación de calor 6 para poder utilizar el calor residual de los gases de combustión 300. En particular, puede estar presente una combustión adicional 21 entre la turbina de gas 2 y el generador de vapor de recuperación de calor 6 para calentar adicionalmente los gases de combustión 300. El generador de vapor de recuperación de calor 6 comprende un precalentador 7, un evaporador 8 y un sobrecalentador 13, que están previstos para el intercambio de calor. Para este propósito, el agua dulce 500 se suministra externamente o se obtiene a partir del vapor condensado de la central eléctrica 1 a través de un desgasificador 19. El agua dulce 500 se transporta a través del precalentador 7 mediante un dispositivo de bombeo de agua de alimentación 10 y se comprime, con lo cual se proporciona agua de alimentación 600 bajo una presión de agua de alimentación. El agua de alimentación 600 se transfiere a un tambor de vapor 11. En el ejemplo mostrado en la Fig. 1, la presión del agua de alimentación asciende a 100 bar. El agua de alimentación 600 se transporta desde el tambor de vapor 11 a través del evaporador 8 a través de una bomba de transporte 12. Esto conduce a que el evaporador 8 evapore al menos parcialmente el agua de alimentación 600, suministrándose un vapor vivo 400 generado de esta manera de nuevo al tambor de vapor 11. En el tambor de vapor 11 se efectúa una separación de vapor vivo 400 del agua de alimentación 600. El vapor vivo 400 es sobrecalentado por el sobrecalentador 13 y a continuación suministrado a la turbina de vapor 4. La turbina de vapor 4 extrae energía del vapor vivo 400 y acciona con esta energía el segundo generador 5 de manera que el vapor residual 201 se emite por una salida de la turbina de vapor 4. El vapor residual 201 presenta una presión de vapor residual que, en el ejemplo de realización mostrado en la Fig. 1, es de 5 bar y, por lo tanto, es especialmente inferior a una presión de vapor vivo de, por ejemplo, 95 bar. En particular, también puede estar presente un desvío de alta presión 22. Esto significa que la turbina de vapor 4 se deriva a través de una ruta de derivación alternativa con estrangulador y, en particular, también enfriamiento por inyección mediante inyección de agua caliente (no mostrada) para generar una mayor cantidad de vapor residual 201.
Por consiguiente, para accionar la turbina de vapor 4, en primer lugar se efectúa un precalentamiento del agua dulce 500 en el precalentador 7 para obtener el agua de alimentación 600, a continuación una evaporación del agua de alimentación 600 para dar vapor vivo 400 en el evaporador 8 y finalmente un sobrecalentamiento del vapor vivo 400 en el sobrecalentador 13. Por lo tanto, en especial está previsto que el sobrecalentador 13 esté dispuesto en el punto más caliente de una corriente de gases de combustión 300, el evaporador 8 detrás del sobrecalentador 13 y el precalentador 7 detrás del evaporador 8 y, por lo tanto, en el punto más frío de la corriente de gases de combustión 300.
Por lo demás, está previsto que esté presente una válvula de mariposa de vapor adicional 9. La válvula de mariposa de vapor adicional 9 está dispuesta entre el tambor de vapor 11 y el precalentador 7 y sirve para la extracción del agua de alimentación 600. El agua de alimentación 600 se expande en la válvula de estrangulación de vapor adicional 9 a la presión de vapor residual, es decir, en el ejemplo de realización mostrado en la Fig. 1 a 5 bar, y se suministra a un depósito separador de vapor adicional 16. El depósito separador de vapor adicional 16 sirve para la separación del agua residual del vapor adicional 202, mezclándose el vapor adicional 202 con el vapor residual 201 para producir de este modo el vapor de proceso 200, que es extraíble de la central eléctrica 1. Tal mezcla es posible sin ningún problema, ya que el vapor adicional 202 presenta la misma presión que el vapor residual 201 debido a la válvula de mariposa de vapor adicional 9. El agua residual, que se separó en el depósito separador de vapor adicional 16, se suministra en particular al desgasificador 19, para ser utilizado nuevamente como agua de alimentación 600.
Mediante la bifurcación del agua de alimentación 600 en la válvula de mariposa de vapor adicional 9, naturalmente se necesita una mayor cantidad de agua de alimentación 600 que sin tal bifurcación. Esto significa que el caudal másico a través del precalentador 7 con bifurcación del agua de alimentación 600 es mayor que sin bifurcación del agua de alimentación 600. Por consiguiente, se efectúa un enfriamiento más fuerte de los gases de combustión 300, con lo cual la energía térmica de los gases de combustión 300 puede ser utilizada de forma óptima, especialmente a bajas temperaturas. En particular, la energía de los gases de combustión 300 se usa para producir vapor adicional 202 además del vapor residual 201, de modo que se aumenta la cantidad total de vapor de proceso 200 que puede emitirse. Como resultado, se mejora la eficiencia de la central eléctrica 1. En particular, el precalentador 7 está sobredimensionado en el funcionamiento a carga parcial, ya que debe estar establecido para el funcionamiento a plena carga. La capacidad del precalentador 7 puede así agotarse porque se genera agua de alimentación adicional 600, que se expande mediante la válvula de mariposa de vapor adicional 9 para dar vapor adicional 202.
Si no se requiere o se extrae todo el vapor de proceso 200 generado, el vapor residual 201 se condensa total o parcialmente en un condensador 15. Para ello está previsto un bypass 18 a través del cual se conecta la salida de la turbina de vapor 4 con el condensador 15. Desde el condensador 15 se efectúa una transferencia de vapor residual 201 original condensado al desgasificador 19.
La válvula de mariposa de vapor adicional 9 es controlable en particular. Por lo tanto, se puede regular una extracción de agua de alimentación 600, lo que da lugar a que también se pueda regular un caudal a través del precalentador 7. Por lo tanto, se puede ajustar un flujo a través del precalentador 7 de tal manera que, por un lado, el caudal másico a través del evaporador 8 no se vea afectado y, al mismo tiempo, el gas de combustión 300 se enfríe de manera óptima. En particular, el gas de combustión 300 se enfría a una baja temperatura residual por encima del punto de rocío del ácido sulfúrico, por ejemplo, a una temperatura residual de 90°C.
En un punto de funcionamiento donde solo se requiere poco vapor de proceso, la eficiencia eléctrica de la central eléctrica 1 puede incrementarse en comparación con una central eléctrica convencional sin válvula de mariposa de vapor adicional 9 al proporcionarse el vapor de proceso 200 completamente por medio del vapor adicional 202 y por lo tanto a través de la válvula de mariposa de vapor adicional 9. Por lo tanto, no se efectúa una emisión de vapor residual 201 como vapor de proceso. Por lo tanto, todo el vapor residual 201 puede conducirse así a través del bypass 18 al condensador 15 y presentar así una presión significativamente menor que la presión del vapor de proceso, con lo cual se aumenta la potencia de la turbina de vapor 4.
La Fig. 2 muestra esquemáticamente un diagrama Q-T del proceso que transcurre en la central eléctrica 1 según el primer ejemplo de realización. La ordenada muestra en este caso el valor de temperatura T de los gases de combustión 300 y la abscisa muestra la cantidad de calor Q extraído de los gases de combustión 300. Se representa una energía máxima 20 de los gases de combustión 300 como transcurso lineal. La progresión 30 muestra la cantidad de calor extraída según el proceso de la central eléctrica 1. En este caso, la ventaja de la extracción adicional de agua de alimentación 600 en la válvula de mariposa de vapor adicional 9 se traza como transcurso alternativo 31 con líneas discontinuas.
El pinch-point 40 es característico de los diagramas Q - T. En este punto, el transcurso 30 presenta la menor distancia a la energía máxima 20, estando establecida esta distancia en aproximadamente 10°C en particular. En la Fig. 2 se muestra además que la influencia de la extracción del agua de alimentación 600, que está representada por el transcurso alternativo discontinuo 31, solo tiene efectos en el rango de temperatura por debajo del pinch-point 40. La generación de vapor vivo 400, para la cual es relevante principalmente el rango de temperatura por encima del pinchpoint 40 es, no se ve afectada por la medida adicional. Sin embargo, se puede ver que, en comparación con el transcurso 30 sin extracción adicional del agua de alimentación 600 en la válvula de mariposa de vapor adicional 9, se puede extraer una mayor cantidad de energía AQ de los gases de combustión 300. Por lo tanto, se utiliza una proporción de energía del gas de combustión 300 mayor que en el estado de la técnica, con lo cual la eficiencia de la central eléctrica 1 aumenta en comparación con el estado de la técnica.
La Fig. 3 muestra un segundo ejemplo de realización de la invención. El segundo ejemplo de realización es esencialmente idéntico al primer ejemplo de realización, estando diseñada la turbina de vapor 4 en dos etapas a diferencia del primer ejemplo de realización. Por lo tanto, está previsto que la primera etapa 4a, en particular la etapa de alta presión, se opere con el vapor vivo 400, como se describió en el primer ejemplo de realización. El vapor residual 201 generado de esta manera puede a su vez ser miscible con el vapor adicional 202 para proporcionar el vapor de proceso 200.
La segunda etapa 4b de la turbina de vapor 4, en particular la etapa de baja presión, es operada por un vapor de accionamiento 700. El vapor de accionamiento 700 se produce mediante expansión del agua residual que se separó del vapor adicional 202 en el depósito separador de vapor adicional 16. Dicha agua residual se expande mediante una válvula de mariposa de vapor de accionamiento 14 a la presión del vapor de accionamiento, que es inferior a la presión del vapor residual. En el ejemplo de realización mostrado en la Fig.3, esta presión de vapor de accionamiento asciende a 0,5 bar. A su vez se efectúa un suministro de vapor de accionamiento 700 a un depósito separador de vapor de accionamiento 17, con lo cual el agua residual puede separarse de nuevo del vapor de accionamiento 700. El agua residual del depósito separador de vapor de accionamiento 17 se devuelve y puede recorrer de nuevo el precalentador 7. Por ejemplo, el agua residual se puede suministrar al desgasificador 19. Esto se efectúa en particular cuando la presión es aún superior a 1 bar, de lo contrario el agua residual se añadirá preferentemente al condensador 15, ya que el desgasificador 19 se opera ventajosamente a una presión de aproximadamente 1 bar (absoluto).
En el bypass 18 está prevista una diferencia adicional, ya que el bypass 18 no conecta la salida de la primera etapa 4a de la turbina de vapor 4 al condensador 15, sino a la entrada de la segunda etapa 4b de la turbina de vapor 4. Si el vapor residual 201 no se requiere como vapor de proceso 200, se puede suministrar a la segunda etapa 4b de la turbina de vapor 4. La segunda etapa 4b de la turbina de vapor 4 convierte el vapor suministrado, en particular el vapor de trabajo 700, en vapor perdido 800, que ya no se utiliza y se suministra directamente al condensador 15.
Por lo tanto, en el segundo ejemplo de realización se utiliza una turbina de vapor de dos etapas 4. En este caso, el principio básico de extracción del agua de alimentación 600 sigue siendo el mismo que en el primer ejemplo de realización. Únicamente está previsto que la segunda etapa 4b de la turbina de vapor 4 se opere con vapor 700 que se obtiene del agua residual en el vapor adicional 202. Dado que el vapor adicional 202 presenta un nivel de presión que es superior al necesario para el funcionamiento de la segunda etapa 4b, la generación del vapor de trabajo 700 se puede efectuar así fácilmente sin que el vapor residual 201 de la primera etapa 4a tenga que utilizarse para este fin. En otras palabras, el agua residual del vapor adicional 202 antes de la recirculación se utiliza para el accionamiento de la segunda etapa 4b de la turbina de vapor 4 como en el primer ejemplo de realización.
La Fig. 4 muestra otro ejemplo de realización de la invención. La central eléctrica 1 según un tercer ejemplo de realización, como se muestra en la Fig. 4, es casi idéntica a la central eléctrica 1 según el segundo ejemplo de realización de la invención. La única diferencia consiste en que el vapor de accionamiento 700 no se genera a partir del agua residual del vapor adicional 202 como en el segundo ejemplo de realización, sino directamente a partir del agua de alimentación 600. A tal efecto, en lugar de la válvula de mariposa de vapor adicional 9, la válvula de mariposa de vapor de accionamiento 14 está acoplada a una línea de agua de alimentación entre el precalentador 7 y el tambor de vapor 11. Por consiguiente, el agua de alimentación 600 se extrae a través de la válvula de mariposa de vapor de accionamiento 14 y se convierte en vapor de accionamiento 700 por expansión a la presión del vapor de accionamiento. Está presente el depósito separador de vapor de accionamiento 17, a través del cual es separable el agua residual del vapor de accionamiento 700. Además, se efectúa una recirculación del agua residual a una entrada del precalentador 7.
En el tercer ejemplo de realización se suprime la generación de vapor adicional 202. El vapor de proceso 200 se forma así únicamente por medio del vapor residual 201. Dado que el vapor residual 201 no tiene que utilizarse para el accionamiento de la segunda etapa 4b de la turbina de vapor 4, dado que esto es asumido por el vapor de accionamiento 700, la cantidad de vapor de proceso 200 se maximiza nuevamente en comparación con el estado de la técnica. Por lo tanto, el tercer ejemplo de realización presenta también las mismas ventajas que los ejemplos de realización anteriores.
Finalmente, la Fig. 5 muestra un cuarto ejemplo de realización de la invención. El cuarto ejemplo de realización es casi idéntico al tercer ejemplo de realización, únicamente se observa una diferencia en el precalentador 7. El precalentador 7 según el cuarto ejemplo de realización presenta una primera zona de precalentamiento 7a y una segunda zona de precalentamiento 7b. La primera zona de precalentamiento 7a y la segunda zona de precalentamiento 7b están conectadas en serie, efectuándose la toma de agua de alimentación 600 entre la primera zona de precalentamiento 7a y la segunda zona de precalentamiento 7b, expandiéndose el agua de alimentación 600 a través de la válvula de mariposa de vapor de accionamiento 14 para dar el vapor de accionamiento 700. La primera zona de precalentamiento 7a y la segunda zona de precalentamiento 7b pueden estar diseñadas de forma idéntica, de modo que el agua de alimentación 600 se bifurca exactamente en el centro del precalentador 7. Alternativamente, la primera zona de precalentamiento 7a puede diseñarse de manera diferente a la segunda zona de precalentamiento 7b, para bifurcar el agua de alimentación 600 en cualquier punto del precalentador 7 y expandirla a través de la válvula de mariposa de vapor de accionamiento 14.
El cuarto ejemplo de realización mostrado también se puede combinar con el primer ejemplo de realización o el segundo ejemplo de realización. En particular, el precalentador 7 también se puede distribuir en la primera zona de precalentamiento 7a y la segunda zona de precalentamiento 7b en el primer ejemplo de realización o en el segundo ejemplo de realización, efectuándose una extracción del agua de alimentación 600 a través de la válvula de mariposa de vapor adicional 9 entre la primera zona de precalentamiento 7a y la segunda zona de precalentamiento 7b.
El concepto según la invención también puede aplicarse a turbinas de vapor 4 con más de dos etapas. También en este caso, las etapas inferiores pueden operarse con vapor que se obtuvo mediante extracción y expansión del agua de alimentación 600 en cualquier punto del precalentador 7 o entre el precalentador 7 y el tambor de vapor 11.
Además de la anterior descripción escrita de la invención, se hace referencia explícita a la representación gráfica de la invención en las Fig. 1 a 5 para su divulgación complementaria.
Lista de signos de referencia
1 Central eléctrica
2 Turbina de gas
3 Primer generador
4 Turbina de vapor
5 Segundo generador
6 Generador de vapor de recuperación de calor
7 Precalentador
8 Evaporador
9 Válvula de mariposa de vapor adicional
10 Dispositivo de bombeo de agua de alimentación
11 Tambor de vapor
12 Bomba de transporte
13 Sobrecalentador
14 Válvula de mariposa de vapor de accionamiento
15 Condensador
16 Depósito separador de vapor adicional
17 Depósito separador de vapor de accionamiento
18 Bypass
19 Desgasificador
20 Energía máxima de los gases de combustión
21 Combustión adicional
22 Desvío de alta presión
30 Transcurso del proceso en la central eléctrica
31 Transcurso alternativo
40 Pinch-point
100 Energía eléctrica
200 Vapor de proceso
201 Vapor residual
202 Vapor adicional
300 Gases de combustión
400 Vapor vivo
500 Agua dulce
600 Agua de alimentación
700 Vapor de accionamiento
800 Vapor perdido

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Central eléctrica (1) para la generación de energía eléctrica (100) y vapor de proceso (200) que comprende
• una turbina de gas (2) para el accionamiento de un primer generador (3) para la generación de energía eléctrica (100) mediante combustión de un combustible para dar gases de combustión (300),
• una turbina de vapor (4) para el accionamiento de un segundo generador (5) para la generación de energía eléctrica (100) que comprende una primera etapa (4a) para convertir vapor vivo (400) en vapor residual (201), que representa al menos una parte del vapor de proceso (200), y
• un generador de vapor de recuperación de calor (6) para la generación de vapor vivo (400) a partir de agua dulce (500) por medio de un calor residual de los gases de combustión (300),
• presentando el vapor residual (201) una presión de vapor residual que es menor que la presión de vapor vivo del vapor vivo (400),
• comprendiendo el generador de vapor de recuperación de calor (6) un precalentador (7) para el precalentamiento del agua dulce (500) para dar agua de alimentación (600) y un evaporador (8) para la evaporación del agua de alimentación (600) para dar el vapor vivo (400), y
• presentando el agua de alimentación (600) una presión de agua de alimentación superior a la presión del vapor residual, y
• estando prevista una válvula de mariposa (9, 14) para la expansión de una parte del agua de alimentación (600), ya sea a la presión de vapor residual para la generación de un vapor adicional (202) o a una presión de vapor de accionamiento que es inferior a la presión del vapor residual, para la generación de un vapor de accionamiento (700) para el funcionamiento de una segunda etapa (4b) de la turbina de vapor (4).
2. Central eléctrica (1) según la reivindicación 1, siendo la válvula de mariposa (9, 14) una válvula de mariposa de vapor adicional (9) para expandir la parte del agua de alimentación (600) a la presión de vapor residual para la generación de vapor adicional (202), siendo miscible el vapor adicional (202) con el vapor residual (201) para dar el vapor de proceso (200).
3. Central eléctrica (1) según la reivindicación 2, comprendiendo la turbina de vapor (4) una segunda etapa (4b) para la conversión de un vapor de accionamiento (700) en un vapor perdido (800), que está previsto para la condensación, siendo generable el vapor de accionamiento (700) mediante expansión del agua residual del vapor adicional (202) en una válvula de mariposa de vapor de accionamiento (14).
4. Central eléctrica (1) según la reivindicación 1, comprendiendo la turbina de vapor una segunda etapa (4b) para la conversión del vapor de accionamiento (700) en vapor perdido (800),
• siendo la válvula de mariposa (9, 14) una válvula de mariposa de vapor de accionamiento (14) para la expansión de la parte del agua de alimentación (600) a la presión del vapor de accionamiento para la generación del vapor de accionamiento (700), y
• representando el vapor residual (201) todo el vapor de proceso (200).
5. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un dispositivo de bombeo de agua de alimentación (10) para el transporte de agua dulce a través del precalentador (7) y para la generación de la presión del agua de alimentación.
6. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, presentando el generador de vapor de recuperación de calor (6) un tambor de vapor (11) para la separación de vapor vivo (400) y agua de alimentación (600), siendo suministrable vapor vivo (400) a la turbina de vapor (4) desde el tambor de vapor (11) y siendo suministrable el agua de alimentación (600) del precalentador (7) al tambor de vapor (11).
7. Central eléctrica (1) según la reivindicación 5, presentando el generador de vapor de recuperación de calor (6) una bomba de transporte (12) para el transporte del agua de alimentación (600) desde el tambor de vapor (11) a través del evaporador (8) de vuelta al tambor de vapor (11) para generar vapor vivo (400) a partir del agua de alimentación (600).
8. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un depósito separador de vapor adicional (16) para la separación del agua residual del vapor adicional (202) y/o un depósito separador de vapor de accionamiento (17) para la separación del agua residual del vapor de accionamiento (700).
9. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un bypass (18), a través del cual el vapor residual (201) es transferible desde una salida de la turbina de vapor (4) a un condensador (15) o desde una salida de la primera etapa (4a) a una entrada de la segunda etapa (4b).
10. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, estando instalada la válvula de mariposa (9, 14) está montada en una salida del precalentador (7), o presentando el precalentador (7) una primera zona de precalentamiento (7a) y una segunda zona de precalentamiento (7b) que están conectadas en serie y entre las que está instalada la válvula estranguladora (9, 14).
11. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una combustión adicional para el calentamiento de los gases de combustión (300) tras la salida de la turbina de gas (2) y/o un desvío de alta presión para la derivación de la turbina de vapor (4) y la expansión del vapor vivo (400) a la presión de vapor residual.
12. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, estando configurada la válvula de mariposa (9, 14) para expandir tal cantidad de agua de alimentación (600) para alcanzar un enfriamiento predefinido de los gases de combustión en todos los puntos de carga.
13. Central eléctrica (1) según una de las reivindicaciones 1 a 11, estando configurada la válvula de estrangulación (9, 14) para expandir el agua de alimentación (600) solo en funcionamiento a carga parcial de la central eléctrica (1).
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