ES2988595T3 - Sistemas y métodos de control adecuados para su uso con sistemas y métodos de producción de potencia - Google Patents
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Abstract
En la presente memoria se proporcionan sistemas y métodos de control adecuados para su combinación con sistemas y métodos de producción de energía. Los sistemas y métodos de control pueden utilizarse, por ejemplo, con ciclos de energía cerrados, así como con ciclos de energía semicerrados. Los sistemas y métodos de control combinados y los sistemas y métodos de producción de energía pueden proporcionar un control dinámico de los sistemas y métodos de producción de energía que puede llevarse a cabo automáticamente en función de las entradas recibidas por los controladores y las salidas de los controladores a uno o más componentes de los sistemas de producción de energía. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistemas y métodos de control adecuados para su uso con sistemas y métodos de producción de potencia
Campo de la invención
La presente invención se refiere a sistemas y métodos de control, y más en particular a sistemas y métodos de control que pueden integrarse con sistemas y métodos de producción de potencia.
Antecedentes
Existe una gran necesidad de desarrollar sistemas de potencia que puedan satisfacer las crecientes necesidades de consumo. Aunque mucho trabajo se dirige a sistemas que no utilizan la combustión de combustibles fósiles, los factores de coste y la disponibilidad de combustibles fósiles, especialmente carbones y gas natural (así como hidrocarburos residuales, tales como productos de petróleo residual), conducen a una necesidad continua de sistemas configurados para quemar tales combustibles, en particular con alta eficiencia y captura completa de carbono. Para satisfacer estas necesidades, existe un deseo continuado de desarrollar sistemas de control que puedan hacer posible un control preciso de los sistemas de potencia.
El documento de patente de EE.UU. n° US2014/053529 A1 describe un sistema de potencia de la técnica anterior que comprende un sistema de control integrado.
Compendio de la invención
En una o más realizaciones, la presente invención puede proporcionar sistemas y métodos útiles para controlar uno o más aspectos de un sistema de producción de potencia. Los sistemas de control pueden proporcionar en particular control sobre uno o más de entre presión, temperatura, caudal y composición de corriente de una o más corrientes de flujo en un sistema de producción de potencia. Los sistemas de control pueden hacer posible una eficiencia óptima del sistema de producción de potencia. Los sistemas de control pueden proporcionar además control sobre aspectos del sistema de producción de potencia, tales como la puesta en marcha del sistema, la parada del sistema, el cambio de corriente(s) de entrada en el sistema, el cambio de corriente(s) de salida en el sistema, la gestión de emergencias operativas relacionadas con el sistema, y cualesquiera consideraciones similares relacionadas con el funcionamiento de un sistema de producción de potencia.
En una o más realizaciones, la presente invención puede referirse a un sistema de control adecuado para su uso en una planta de producción de potencia. Por ejemplo, la planta de producción de potencia puede ser una planta que quema un combustible (tal como un hidrocarburo, en particular un gas hidrocarburo) en oxígeno substancialmente puro en una cámara de combustión a una presión de aproximadamente 12 MPa o mayor, con una corriente de CO<2>circulante adicional para producir una corriente combinada de productos de combustión y de CO<2>circulante. En algunas realizaciones, la producción de potencia puede estar caracterizada además por uno o más de los siguientes puntos, que se pueden combinar en cualquier número u orden.
La corriente combinada puede hacerse pasar a través de una turbina de producción de potencia con una presión de descarga de al menos 10 bar.
El escape de turbina puede enfriarse en un intercambiador de calor economizador para precalentar la corriente de CO<2>circulante.
El escape de turbina puede enfriarse adicionalmente hasta cerca de la temperatura ambiente, y puede eliminarse el agua condensada.
La corriente de gas CO<2>se puede comprimir para llegar a tener, o estar cerca, de la presión de entrada de turbina usando un compresor de gas seguido de una bomba de CO<2>denso para formar la corriente de CO<2>circulante.
El CO<2>neto producido en la cámara de combustión puede extraerse a cualquier presión entre las presiones de entrada y salida de turbina.
El calor de una fuente externa puede ser introducido para precalentar parte de la corriente de CO<2>circulante hasta una temperatura comprendida en el rango de 200 °C a 400 °C al objeto de reducir la diferencia de temperatura entre el escape de turbina y la corriente de CO<2>circulante que sale del intercambiador de calor economizador a aproximadamente 50 °C o menos.
El caudal de gas combustible puede controlarse para proporcionar la salida de potencia requerida de la turbina.
La temperatura de salida de turbina puede controlarse mediante la velocidad de la bomba de CO<2>.
La presión de descarga de compresor de CO<2>puede controlarse por la recirculación del flujo de CO<2>comprimido hacia la entrada del compresor.
El caudal de CO<2>neto producido a partir de la combustión de gas combustible y extraído del sistema puede usarse para controlar la presión de entrada de compresor de CO<2>.
La diferencia entre la temperatura del escape de turbina que entra al intercambiador de calor economizador y la temperatura de la corriente de CO<2>circulante que sale del intercambiador de calor economizador se puede controlar para que sea o esté por debajo de 50 °C por medio del control del caudal de una parte de la corriente de CO<2>circulante que es calentada por una fuente de calor añadida.
El caudal de agua líquida neta e impurezas derivadas del combustible eliminadas del sistema puede controlarse por medio del nivel en el separador de agua líquida.
El caudal de oxígeno puede controlarse para mantener una relación de caudal de oxígeno a gas combustible que pueda dar como resultado un exceso definido de oxígeno en el flujo de entrada de turbina para asegurar la combustión completa del gas combustible y la oxidación de los componentes del gas combustible.
La corriente de oxígeno a la presión de entrada de compresor de CO<2>puede mezclarse con una cantidad de CO<2>de la entrada de compresor de CO<2>para producir una corriente oxidante con una composición de oxígeno de aproximadamente un 15 % a aproximadamente un 40 % (molar), que puede disminuir la temperatura de llama adiabática de la cámara de combustión.
El flujo de oxidante requerido para obtener la relación requerida de oxígeno a gas combustible puede controlarse mediante la velocidad de la bomba de oxidante.
La presión de descarga del compresor de oxidante puede controlarse recirculando el flujo de oxidante comprimido hacia la entrada del compresor.
La presión de entrada del compresor de oxidante puede controlarse mediante el caudal de CO<2>diluyente mezclado con el oxígeno que forma la corriente oxidante.
La relación de oxígeno a CO<2>en la corriente oxidante puede controlarse mediante el flujo de oxígeno.
El oxígeno puede suministrarse al sistema de producción de potencia a una presión que sea al menos tan alta como la presión de entrada de turbina, y puede desearse tener una corriente oxidante con una composición de oxígeno en el rango de aproximadamente el 15 % a aproximadamente el 40 % (molar).
La relación oxígeno a gas combustible puede controlarse mediante el flujo de oxígeno.
La relación de oxígeno a CO<2>en el flujo de oxidante puede controlarse por el flujo de CO<2>diluyente tomado de la descarga de compresor de CO<2>.
En cualquiera de las realizaciones analizadas en la presente memoria, el control de un parámetro por un segundo parámetro puede indicar en particular que el segundo parámetro se mide (por ejemplo, con un sensor) o se monitoriza de otro modo, o que el segundo parámetro se calcula por un ordenador en base a información proporcionada adicionalmente, por tablas de búsqueda o valores supuestos, y un controlador inicia una secuencia de control basándose en el segundo parámetro medido o calculado de modo que el primer parámetro se ajuste de forma apropiada (por ejemplo, abriendo o cerrando una válvula, aumentando o disminuyendo la potencia a una bomba, etc.). Dicho de otro modo, el segundo parámetro se usa como un disparador para que un controlador implemente un ajuste del primer parámetro.
En una o más realizaciones, la presente invención puede proporcionar sistemas de producción de potencia que incluyen un sistema de control integrado, que puede estar configurado para el control automatizado de al menos un componente del sistema de producción de potencia. En particular, el sistema de control puede incluir al menos una unidad controladora configurada para recibir una entrada relacionada con un parámetro medido del sistema de producción de potencia, y configurada para proporcionar una salida para el al menos un componente del sistema de producción de potencia sujeto al control automatizado. El sistema de producción de potencia y el sistema de control integrado se pueden definir adicionalmente en relación a una o más de las siguientes especificaciones, que se pueden combinar en cualquier número y orden.
El sistema de producción de potencia puede estar configurado para la entrada de calor a través de la combustión de un combustible.
El sistema de producción de potencia puede estar configurado para la entrada de calor a través de una fuente de calor sin combustión.
El sistema de producción de potencia puede estar configurado para reciclar una corriente de CO<2>.
El sistema de producción de potencia puede estar configurado para producir una cantidad de CO<2>que puede extraerse opcionalmente del sistema, tal como por introducción por un gaseoducto o por utilización para un propósito adicional, tal como para una recuperación de petróleo mejorada.
El sistema de producción de potencia puede estar configurado para utilizar un fluido de trabajo que se comprima, caliente y expanda repetidamente.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de potencia configurado para recibir una entrada relacionada con la potencia producida por uno o más componentes de producción de potencia del sistema de producción de potencia.
El controlador de potencia puede estar configurado para cumplir uno o ambos de entre los siguientes requisitos: proporcionar una salida para un componente calentador del sistema de producción de potencia para aumentar o disminuir la producción de calor por parte del componente calentador; proporcionar una salida para una válvula de combustible para permitir que más combustible o menos combustible entre en el sistema de producción de potencia.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de relación combustible/oxidante configurado para recibir una o ambas de entre una entrada relacionada con el caudal de combustible y una entrada relacionada con el caudal de oxidante.
El controlador de relación combustible/oxidante puede estar configurado para cumplir uno o ambos de entre los siguientes requisitos: proporcionar una salida para una válvula de combustible para permitir que más combustible o menos combustible entre en el sistema de producción de potencia; proporcionar una salida para una válvula de oxidante para permitir que más oxidante o menos oxidante entre en el sistema de producción de potencia.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de bomba configurado para recibir una entrada relacionada con la temperatura de una corriente de escape de una turbina en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una bomba aguas arriba de la turbina para aumentar o disminuir el caudal de una corriente que sale de la bomba.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de presión de succión de bomba configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de succión en un fluido aguas arriba de una bomba en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo que está situada aguas arriba de la bomba.
El controlador de presión de succión de bomba está configurado para cumplir uno o ambos de entre los siguientes requisitos: hacer que más fluido o menos fluido retorne a un punto que está más aguas arriba de la válvula de reflujo; hacer que más fluido o menos fluido sea extraído del sistema de producción de potencia aguas arriba de la bomba.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de regulación de presión configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de escape de una turbina en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de salida de fluido y permitir que salga fluido de la corriente de escape y, opcionalmente, para proporcionar una salida para una válvula de entrada de fluido y permitir que entre fluido en la corriente de escape.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de separador de agua configurado para recibir una entrada relacionada con la cantidad de agua en un separador del sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de extracción de agua para permitir o no permitir la extracción de agua del separador y mantener la cantidad de agua en el separador dentro de un valor definido.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de bomba de oxidante configurado para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre un flujo másico de un combustible y un flujo másico de un oxidante en el sistema de producción de potencia y calcular una relación de flujo másico del combustible y el oxidante.
El controlador de bomba de oxidante puede estar configurado para proporcionar una salida para la bomba de oxidante para cambiar la potencia de la bomba al objeto de afectar a la relación de flujo másico del combustible y el oxidante en el sistema de producción de potencia.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de presión de oxidante configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas abajo de un compresor de oxidante y para proporcionar una salida para una válvula de derivación de oxidante para hacer que más oxidante o menos oxidante sea desviado con respecto al compresor.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de presión de oxidante configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas arriba de un compresor de oxidante y para proporcionar una salida para una válvula de fluido reciclado para hacer que se añada más fluido reciclado o menos fluido reciclado del sistema de producción de potencia a la corriente de oxidante aguas arriba del compresor de oxidante. En particular, el fluido reciclado puede ser una corriente de CO<2>substancialmente puro.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de dilución configurado para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre el flujo másico de un oxidante y el flujo másico de una corriente de diluyente oxidante y para calcular una relación de flujo másico del oxidante y el diluyente oxidante.
El controlador de dilución puede estar configurado para proporcionar una salida para una válvula de entrada de oxidante para permitir que más oxidante o menos oxidante entre en el sistema de producción de potencia de modo que la relación de flujo másico del oxidante al diluyente oxidante esté dentro de un rango definido.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de presión de succión de compresor configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de succión de un fluido aguas arriba de un compresor en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo que está situada aguas abajo del compresor y que hace que más fluido o menos fluido retorne a un punto que está aguas arriba del compresor.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de velocidad de bomba configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de succión aguas arriba de la bomba y para proporcionar una salida para la bomba para aumentar o disminuir la velocidad de bomba.
El sistema de control integrado puede incluir un controlador de calor de flujo lateral configurado para recibir una entrada relacionada con un requisito de flujo másico calculado para un flujo lateral de una corriente de reciclado de alta presión en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de flujo lateral para aumentar o disminuir la cantidad de la corriente de reciclado de alta presión en el flujo lateral.
El sistema de producción de potencia puede comprender: una turbina; un compresor aguas abajo de la turbina y en conexión de fluido con la turbina; una bomba aguas abajo del compresor y en conexión de fluido con el compresor; y un calentador situado aguas abajo de la bomba y en conexión de fluido con la bomba y situado aguas arriba de la turbina y en conexión de fluido con la turbina. Opcionalmente, el sistema de producción de potencia puede incluir un intercambiador de calor recuperador.
En una o más realizaciones, la presente invención puede proporcionar métodos para el control automatizado de un sistema de producción de potencia. En particular, el método puede comprender operar un sistema de producción de potencia que comprende una pluralidad de componentes que incluyen: una turbina; un compresor aguas abajo de la turbina y en conexión de fluido con la turbina; una bomba aguas abajo del compresor y en conexión de fluido con el compresor; y un calentador situado aguas abajo de la bomba y en conexión de fluido con la bomba y situado aguas arriba de la turbina y en conexión de fluido con la turbina. Además, la operación del sistema de producción de potencia puede incluir usar uno o más controladores integrados con el sistema de producción de potencia para recibir una entrada relacionada con un parámetro medido del sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida que controla automáticamente al menos uno de entre la pluralidad de componentes del sistema de producción de potencia. En realizaciones adicionales, los métodos pueden incluir una o más de las siguientes etapas, que pueden combinarse en cualquier número y orden.
La salida puede basarse en un algoritmo de control informatizado pre-programado.
El funcionamiento puede incluir una entrada de calor a través de la combustión de un combustible.
El funcionamiento puede incluir una entrada de calor a través de una fuente de calor sin combustión.
El funcionamiento puede incluir reciclar una corriente de CO<2>.
El funcionamiento puede incluir producir una cantidad de CO<2>que puede opcionalmente extraerse del sistema, tal como por introducción por un gaseoducto o por utilización para un propósito adicional, tal como para una recuperación de petróleo mejorada.
El funcionamiento puede incluir utilizar un fluido de trabajo que se comprima, caliente y expanda repetidamente.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la potencia producida por el sistema de producción de potencia y para dirigir una o ambas de entre las siguientes acciones: proporcionar una salida para el calentador para aumentar o disminuir la producción de calor por parte del calentador; proporcionar una salida para una válvula de combustible del sistema de producción de potencia para permitir que más combustible o menos combustible entre en el sistema de producción de potencia.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una o ambas de entre una entrada relacionada con el caudal de combustible y una entrada relacionada con el caudal de oxidante y para dirigir una o ambas de entre las siguientes acciones: proporcionar una salida para una válvula de combustible del sistema de producción de potencia para permitir que más combustible o menos combustible entre en el sistema de producción de potencia; proporcionar una salida para una válvula de oxidante del sistema de producción de potencia para permitir que más oxidante o menos oxidante entre en el sistema de producción de potencia.
El funcionamiento del método puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la temperatura de una corriente de escape de la turbina y para proporcionar una salida para la bomba aguas arriba de la turbina para aumentar o disminuir el caudal de una corriente que sale de la bomba.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de succión en un fluido aguas arriba de la bomba y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo que está situada aguas arriba de la bomba. En particular, se pueden cumplir uno o ambos de entre los siguientes requisitos: el controlador hace que más fluido o menos fluido retorne a un punto que está más aguas arriba de la válvula de reflujo; el controlador hace que más fluido o menos fluido sea extraído del sistema de producción de potencia aguas arriba de la bomba.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de escape de la turbina y para proporcionar una salida para una válvula de salida de fluido y permitir que el fluido salga de la corriente de escape y, opcionalmente, para proporcionar una salida para una válvula de entrada de fluido y permitir que el fluido entre en la corriente de escape.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la cantidad de agua en un separador incluido en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de extracción de agua para permitir o no permitir la extracción de agua del separador y mantener la cantidad de agua en el separador dentro de un valor definido.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre un flujo másico de un combustible y un flujo másico de un oxidante introducidos en el sistema de producción de potencia y calcular una relación de flujo másico del combustible y el oxidante. En particular, el controlador puede proporcionar una salida para una bomba de oxidante para cambiar la potencia de la bomba al objeto de afectar a la relación de flujo másico del combustible y el oxidante en el sistema de producción de potencia.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas abajo de un compresor de oxidante y para proporcionar una salida para una válvula de derivación de oxidante para hacer que más oxidante o menos oxidante sea desviado con respecto al compresor.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas arriba de un compresor de oxidante y para proporcionar una salida para una válvula de fluido reciclado para hacer que se añada más fluido reciclado o menos fluido reciclado a la corriente de oxidante aguas arriba del compresor de oxidante. En particular, el fluido reciclado puede ser una corriente de CO<2>substancialmente puro.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre el flujo másico de un oxidante y el flujo másico de una corriente de diluyente oxidante y calcular una relación de flujo másico del oxidante y el diluyente oxidante. En particular, el controlador puede estar configurado para proporcionar una salida para una válvula de entrada de oxidante para permitir que más oxidante o menos oxidante entre en el sistema de producción de potencia de modo que la relación de flujo másico del oxidante al diluyente oxidante esté dentro de un rango definido.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de succión de un fluido aguas arriba del compresor y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo que está situada aguas abajo del compresor y que hace que más fluido o menos fluido retorne a un punto que está aguas arriba del compresor.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de succión aguas arriba de la bomba y para proporcionar una salida para la bomba para aumentar o disminuir la velocidad de bomba.
El funcionamiento puede incluir usar un controlador para recibir una entrada relacionada con un requisito de flujo másico calculado para un flujo lateral de una corriente de reciclado de alta presión y para proporcionar una salida para una válvula de flujo lateral para aumentar o disminuir la cantidad de la corriente de reciclado de alta presión en el flujo lateral.
Breve compendio de las figuras
Habiendo descrito por tanto la invención en los términos generales anteriores, se hará referencia ahora a los dibujos adjuntos, que no están necesariamente dibujados a escala, y en los que:
La FIG. 1 es un esquema de un sistema de producción de potencia que incluye los componentes de un sistema de control según realizaciones de la presente invención, estando dichos componentes de control configurados en particular para llevar a cabo controles térmicos.
La FIG. 2 es un esquema de un sistema de producción de potencia que incluye los componentes de un sistema de control según realizaciones adicionales de la presente invención, estando dichos componentes de control configurados adicionalmente para controlar la fuente de calor.
La FIG. 3 es un esquema de un sistema de producción de potencia que incluye los componentes de un sistema de control según realizaciones adicionales de la presente invención, estando dichos componentes de control configurados en particular para controlar los elementos de un sistema de producción de potencia de combustión directa.
La FIG. 4 es un esquema de un sistema de producción de potencia que incluye los componentes de un sistema de control según realizaciones adicionales de la presente invención, estando dichos componentes de control configurados en particular para controlar unos elementos adicionales de un sistema de producción de potencia de combustión directa.
La FIG. 5 es un esquema de un sistema de producción de potencia que incluye los componentes de un sistema de control según realizaciones adicionales de la presente invención, estando dichos componentes de control configurados en particular para controlar unos elementos adicionales de un sistema de producción de potencia de combustión directa, incluyendo la eliminación de un exceso de masa del sistema de producción de potencia.
La FIG. 6 es un esquema de un sistema de producción de potencia que incluye los componentes de un sistema de control según realizaciones adicionales de la presente invención, estando dichos componentes de control configurados en particular para controlar unos elementos adicionales de un sistema de producción de potencia de combustión directa, incluyendo la eliminación de un exceso de masa del sistema de producción de potencia; y
La FIG. 7 es un esquema de un sistema de producción de potencia que incluye los componentes de un sistema de control según realizaciones adicionales de la presente invención, estando dichos componentes de control configurados en particular para controlar la entrada de calor al sistema de producción de potencia.
Descripción detallada
La presente invención se describirá a continuación de forma más completa.
Tal y como se usa en esta memoria descriptiva y en las reivindicaciones, las formas singulares "un", "una" y "el", "la" incluyen sus referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
En una o más realizaciones, la presente invención proporciona sistemas y métodos para el control de la producción de potencia. Los sistemas y métodos de control pueden utilizarse en relación con una amplia variedad de sistemas de producción de potencia. Por ejemplo, los sistemas de control pueden aplicarse a uno o más sistemas en los que se quema un combustible para producir calor para una corriente que puede o no estar presurizada por encima de la presión ambiente. Los sistemas de control se pueden aplicar asimismo a uno o más sistemas en los que se hace circular un fluido de trabajo para ser calentado y enfriado repetidamente y/o para ser presurizado y expandido repetidamente. Dicho fluido de trabajo puede comprender uno o más de entre H<2>O, CO<2>y N<2>, por ejemplo.
Ejemplos de sistemas y métodos de producción de potencia en los que se puede implementar un sistema de control como el descrito en la presente memoria se describen en los documentos de patente de EE.UU. n° US 9.068.743 de Palmer et al., n° US 9.062.608 de Allam et al., n° US 8.986.002 de Palmer et al., n° US 8.959.887 de Allam et al., n° US 8.869.889 de Palmer et al., n° US 8.776.532 de Aklam et al. y n° US 8.596.075 de Allam et al.
A modo de ejemplo no limitativo, un sistema de producción de potencia con el que se puede utilizar un sistema de control como el descrito actualmente puede estar configurado para quemar un combustible con O<2>en presencia de un fluido de circulación de CO<2>en una cámara de combustión, preferiblemente en el que el CO<2>se introduce a una presión de al menos aproximadamente 12 MPa y a una temperatura de al menos aproximadamente 400 °C, para proporcionar una corriente de producto de combustión que comprende CO<2>, preferiblemente en el que la corriente de producto de combustión tiene una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C. Dicho sistema de producción de potencia puede estar caracterizado además por uno o más de entre los siguientes puntos:
La corriente de producto de combustión puede expandirse a través de una turbina con una presión de descarga de aproximadamente 1 MPa o mayor para generar potencia y proporcionar un vapor de descarga de turbina que comprende CO<2>.
La corriente de descarga de turbina puede hacerse pasar a través de una unidad de intercambiador de calor para proporcionar una corriente de descarga enfriada.
La corriente de descarga de turbina enfriada puede procesarse para eliminar uno o más componentes secundarios distintos de CO<2>para proporcionar una corriente de descarga purificada.
La corriente de descarga purificada puede ser comprimida para proporcionar una corriente de fluido de circulación de CO<2>supercrítico.
La corriente de fluido de circulación de CO<2>supercrítico puede ser enfriada para proporcionar un fluido de circulación de CO<2>de alta densidad (preferiblemente en el que la densidad es al menos aproximadamente 200 kg/m3).
El fluido de circulación de CO<2>de alta densidad puede ser bombeado hasta una presión adecuada para la entrada a la cámara de combustión.
El fluido de circulación de CO<2>presurizado puede ser calentado haciéndolo pasar a través de la unidad de intercambiador de calor utilizando el calor recuperado de la corriente de descarga de turbina.
Todo o una parte del fluido de circulación de CO<2>presurizado puede ser calentado adicionalmente con un calor que no se extrae de la corriente de descarga de turbina (preferiblemente en el que el calentamiento adicional se proporciona en uno o más momentos de entre antes, durante o después de pasar a través del intercambiador de calor).
El fluido de circulación de CO<2>presurizado y calentado puede reciclarse en la cámara de combustión (preferiblemente en el que la temperatura del fluido de circulación de CO<2>presurizado y calentado que entra en la cámara de combustión es menor que la temperatura de la corriente de descarga de turbina en no más de aproximadamente 50 °C).
Los sistemas de control descritos actualmente pueden ser particularmente útiles en relación con métodos de producción de potencia tales como los ilustrados anteriormente debido a la necesidad de proporcionar un control preciso de múltiples parámetros en relación con múltiples corrientes, necesitando dichos parámetros un control preciso para proporcionar el rendimiento y la seguridad deseados. Por ejemplo, en una o más realizaciones, los presentes sistemas de control pueden ser útiles en relación con una cualquiera o más de las siguientes funciones.
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para permitir el control de velocidad diferencial de una turbina de producción de potencia y un compresor que se utiliza para comprimir una corriente que se expande finalmente a través de la turbina. Esto es una ventaja con respecto a las turbinas de gas convencionales en las que el compresor y la turbina están montados en el mismo eje. Esta configuración convencional hace imposible hacer funcionar el compresor a velocidad variable. Las condiciones de velocidad de giro y entrada constantes dan lugar a un caudal másico substancialmente constante en el compresor y, por lo tanto, en la turbina. Esto puede ser alterado mediante el uso de paletas de guía de entrada, que restringen el flujo de aire que entra en el compresor y, por lo tanto, reducen el caudal másico. Según la presente invención, el uso de una bomba entre el compresor y la turbina hace posible niveles significativos de control del sistema de producción de potencia. Esto permite desacoplar el caudal másico del tren compresor-bomba y la velocidad de eje del tren turbina-compresor-generador.
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para controlar la presión de entrada y/o de salida de una turbina que expande una corriente de gas calentado. La corriente de gas calentado puede ser predominantemente CO<2>(en masa).
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para controlar una temperatura de salida de una turbina.
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para controlar el funcionamiento de un sistema de producción de potencia con unos medios de compresión de CO<2>para elevar la presión de CO<2>de un volumen de escape de turbina hasta la presión de un volumen de entrada de turbina de modo que se mantengan estas presiones.
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para controlar la eliminación del CO<2>neto formado a partir del carbono de un gas combustible de cámara de combustión en cualquier punto de los medios de compresión de CO<2>desde la presión de escape de turbina hasta la presión de entrada de turbina.
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para controlar el funcionamiento de un sistema de producción de potencia en el que un escape de turbina caliente es enfriado en un intercambiador de calor economizador a la vez que se calienta una corriente de CO<2>reciclado de alta presión para asegurar que la recuperación de calor del enfriamiento del escape de turbina proporciona el flujo óptimo de CO<2>reciclado de alta presión y calentado a una cámara de combustión a la temperatura más alta posible.
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para optimizar la entrada de calor a una corriente de CO<2>reciclado (por ejemplo, a una temperatura de aproximadamente 400 °C o menos) desde una fuente de calor externa para controlar que la diferencia de temperatura en un intercambiador de calor economizador esté por debajo de una temperatura de 400°C para maximizar la cantidad de CO<2>reciclado que puede ser calentado contra una corriente de escape de turbina de enfriamiento y minimizar la diferencia de temperatura de extremo caliente del intercambiador de calor economizador.
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para controlar el flujo de combustible que entra a una cámara de combustión para asegurar que los productos de combustión, cuando se mezclan con una corriente de CO<2>reciclado de alta presión y calentado, forman la corriente de gas de entrada a una turbina a la temperatura y presión requeridas.
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para controlar el flujo de oxígeno que entra a una cámara de combustión para proporcionar una concentración en exceso requerida de O<2>en una corriente de salida de turbina para asegurar la combustión completa de un combustible.
Los presentes sistemas de control pueden ser útiles para controlar el funcionamiento de un sistema de producción de potencia de modo que una corriente de escape de turbina que sale de un intercambiador de calor economizador puede ser enfriada adicionalmente por unos medios de enfriamiento ambiental para maximizar la condensación del agua formada en el proceso de combustión y rechazar la producción neta de agua a partir de la combustión de gas combustible junto con otro combustible o impurezas derivadas de combustión.
En una o más realizaciones, una producción de potencia adecuada para la implementación de un sistema de control como el descrito en la presente memoria puede estar configurada para un calentamiento a través de otros métodos distintos de la combustión de un combustible fósil. A modo de ejemplo no limitativo, se puede utilizar energía solar para complementar o reemplazar la entrada de calor derivada de la combustión de un combustible fósil en una cámara de combustión. Igualmente, se pueden utilizar otros medios de calentamiento. En algunas realizaciones, se puede usar cualquier forma de entrada de calor a una corriente de CO<2>reciclado a una temperatura de 400 °C o menos. Por ejemplo, se puede utilizar vapor de condensación, escape de turbina de gas, corrientes de gas comprimidas adiabáticamente y/u otras corrientes de fluido caliente que pueden estar por encima de 400 °C.
En algunas realizaciones, puede ser particularmente útil controlar una temperatura de salida de turbina a un valor máximo que está fijado por la temperatura máxima admisible de un intercambiador de calor economizador que se esté utilizando. Dicho control puede basarse en las presiones de entrada y salida de la turbina y en la diferencia de temperatura de extremo caliente de funcionamiento del intercambiador de calor.
Los sistemas de control de la presente invención pueden definirse por una o más funciones en las que un parámetro (por ejemplo, un parámetro medido y/o un parámetro calculado) puede vincularse a una o más acciones ejecutables. Las acciones ejecutables pueden incluir una o más acciones que regulan un flujo de un fluido en el sistema, tal como por medio de la apertura y el cierre de una o más válvulas. A modo de ejemplos no limitativos, los parámetros medidos en un sistema de control según la presente invención pueden incluir un caudal de fluido, una presión, una temperatura, un nivel de líquido, un volumen de fluido, una composición de fluido y similares. Un parámetro medido puede medirse usando cualquier dispositivo adecuado, tal como termopares, sensores de presión, transductores, detectores ópticos, medidores de flujo, equipos de análisis (por ejemplo, espectrómetros UV-VIS, espectrómetros IR, espectrómetros de masas, cromatógrafos de gas, cromatógrafos de líquido de alto rendimiento y similares), indicadores y dispositivos similares. Los parámetros calculados en un sistema de control según la presente invención pueden incluir, por ejemplo, el consumo de potencia de un compresor (por ejemplo, un compresor de CO<2>), consumo de potencia de una bomba (por ejemplo, una bomba de CO<2>), consumo de potencia de una planta de oxígeno criogénico, entrada de calor de combustible, una caída de presión (por ejemplo, una caída de presión en un intercambiador de calor) para una o más corrientes de fluido, un diferencial de temperatura (por ejemplo, una diferencia de temperatura en un extremo caliente de intercambiador de calor y/o en un extremo frío de intercambiador de calor), una salida de potencia de turbina, una salida de potencia de generador, y la eficiencia del sistema. Un parámetro calculado puede ser calculado, por ejemplo, por medio de un sistema de control de supervisión informatizado basado en parámetros medidos.
Las realizaciones de la presente invención se ilustran en la FIG. 1, que ilustra un sistema de control que puede usarse en particular para un ciclo de potencia cerrado. El sistema de control es particularmente útil en sistemas y métodos en los que no se requiere un control directo sobre la cantidad de calor que entra al sistema, por ejemplo en aplicaciones solares. En esta configuración, se hace circular un fluido de trabajo a través de un calentador 12, una turbina 10 conectada a un generador 11, un primer calentador/enfriador 16, un compresor 30, un segundo calentador/enfriador 18 y una bomba 20. Opcionalmente, se puede incluir un intercambiador de calor recuperador 50 de modo que el calor de la corriente de fluido de trabajo 101b que sale de la turbina 10 se pueda recuperar en la corriente de fluido de trabajo 101 g para salir como corriente de fluido de trabajo 101h que es calentada adicionalmente por el calentador 12.
El calor que entra al sistema de producción de potencia en el calentador 12 es añadido al fluido de trabajo, que es preferiblemente de alta presión (por ejemplo, de aproximadamente 10 bar o mayor, aproximadamente 20 bar o mayor, aproximadamente 50 bar o mayor, aproximadamente 80 bar o mayor, aproximadamente 100 bar o mayor, aproximadamente 150 bar o mayor, aproximadamente 200 bar o mayor, o aproximadamente 250 bar o mayor) para proporcionar una corriente de fluido de trabajo 101 a calentado de alta presión. Esta corriente pasa a la turbina 10 y se expande hasta una presión más baja para salir como la corriente de fluido de trabajo 101 b. El punto de comprobación de parámetros 13 está configurado aguas abajo de la turbina 10 y aguas arriba del primer calentador/enfriador 16 (y opcionalmente aguas arriba del intercambiador de calor recuperador 50 si está presente) e incluye un sensor de temperatura, termopar o similar. El controlador 2 (que puede caracterizarse como un controlador de bomba) dirige y/o recupera una o más lecturas de temperatura (lecturas que pueden ser continuas o periódicas) en el punto de comprobación de parámetros 13. Al objeto de mantener una temperatura substancialmente constante en el punto de comprobación de parámetros 13, el controlador 2 dirige los ajustes de potencia según sea necesario para la bomba 20. Por ejemplo, el controlador 2 puede controlar la velocidad de la bomba 20 como respuesta a la lectura de temperatura en el punto de comprobación de parámetros 13. De esta manera, el controlador 2 puede configurarse para mantener una temperatura deseada en la corriente de fluido de trabajo 101b con independencia de la cantidad de calor que se está introduciendo en el sistema en el calentador 12, e igualmente de forma independiente con respecto a la temperatura de entrada de turbina 10. Esto es beneficioso en el sentido de que la bomba 20 puede controlarse específicamente para suministrar el flujo másico correcto de fluido de trabajo a la presión correcta según lo dicta la temperatura de entrada a la turbina 10, según se indica por la cantidad de calor introducido en el calentador 12.
Dicho control dinámico puede afectar a uno o más parámetros adicionales del sistema de producción de potencia ilustrado en la FIG. 1. Por ejemplo, los cambios en el caudal que pasa a través de la bomba 20 dan lugar a cambios en la presión de succión inmediatamente aguas arriba de la bomba de la corriente de fluido de trabajo 101f. Al objeto de mantener la capacidad de control deseada de la bomba 20, las condiciones de succión de la bomba deben permanecer tan constantes como sea posible dentro del rango predeterminado. El segundo calentador/enfriador 18 puede ser útil para mantener la temperatura de succión en la bomba 20 en un valor deseado. Al objeto de mantener una presión de succión substancialmente constante para la bomba 20, el controlador 3 (que puede caracterizarse como un controlador de presión de succión de bomba) puede configurarse para monitorizar un sensor de presión, transductor o similar situado en el punto de comprobación de parámetros 23, y el controlador 3 puede utilizar las lecturas de presión tomadas del mismo para controlar una válvula de reflujo 31, que puede estar configurada para permitir que más o menos fluido de la corriente de fluido de trabajo 101e retorne al punto de comprobación de parámetros 44, que puede estar en cualquier posición de la corriente de fluido de trabajo 101c. El controlador 3 puede así esencialmente estar configurado para controlar la cantidad de flujo de recirculación alrededor del compresor 30 a través de la válvula de reflujo 31. Como tal, la presión en el punto de comprobación de parámetros 23 puede aumentarse reduciendo el flujo de fluido a través de la válvula de reflujo 31 y puede hacerse disminuir aumentando el flujo de fluido a través de la válvula de reflujo. A medida que el fluido retorna a la corriente de fluido de trabajo 101c, también puede ser deseable mantener una presión substancialmente constante en las corrientes de fluido de trabajo 101b y 101c. Por consiguiente, el punto de comprobación de parámetros 13 puede incluir asimismo un sensor de presión, transductor o similar. El sensor de temperatura y el sensor de presión pueden estar configurados en el mismo punto de comprobación de parámetros, o pueden utilizarse diferentes puntos de comprobación de parámetros en la corriente de fluido de trabajo 101b para los sensores respectivos.
Dado que el punto de comprobación de parámetros 13 está en comunicación de fluido con el punto de comprobación de parámetros 44 y con el punto de comprobación de parámetros 43, las presiones respectivas en los puntos 13, 44 y 43 pueden diferir substancialmente sólo debido a pérdidas inherentes de presión a través del equipo y de los conductos. El controlador 4 puede estar configurado para monitorizar un sensor de presión, transductor o similar situado en el punto de comprobación de parámetros 43, y el controlador 4 puede estar configurado para controlar la válvula 41 para permitir que el fluido de la corriente de fluido de trabajo 101d entre o salga del sistema al objeto de mantener una presión substancialmente constante en el punto de comprobación de parámetros 44. Como tal, el punto de comprobación de parámetros 44 puede incluir un sensor de presión, transductor o similar, que puede ser monitorizado por el controlador 4 si se desea. Alternativamente, dado que los puntos de comprobación de parámetros 43 y 44 están en comunicación de fluido, la presión medida en el punto de comprobación de parámetros 43 puede considerarse que es substancialmente idéntica a la presión en el punto de comprobación de parámetros 44. La válvula 41 puede estar configurada para extraer y/o añadir fluido a la corriente de fluido de trabajo con el fin de mantener la presión deseada. En algunas realizaciones, puede haber dos válvulas en lugar de la única válvula 41 -una primera válvula (es decir, una válvula de salida de fluido) configurada para permitir que salga fluido a un sumidero de presión más bajo, y una segunda válvula (es decir, una válvula de entrada de fluido) configurada para permitir que entre fluido desde una fuente de presión más alta.
En algunas realizaciones, el sistema ilustrado puede controlarse de manera que la válvula 41 esté ausente o no se utilice, y el controlador 3 puede funcionar en su lugar para evitar substancialmente una sobrepresión por parte del compresor 30. En tales realizaciones, el controlador 2 puede seguir funcionando para gestionar la temperatura en el punto de comprobación de parámetros 13, y el bucle de control puede ser un bucle completamente cerrado, cuya configuración puede ser particularmente útil para ciclos de producción de potencia calentados indirectamente. Por ejemplo, en una o más realizaciones, el calentador 12 puede estar configurado para la provisión de un calentamiento solar a un nivel de calor definido, o por encima de él, y el sistema de producción de potencia puede ser así substancialmente auto-regulador para producir tanta potencia como sea posible con una respuesta dinámica a cambios en la entrada solar. Dicha configuración podría mantenerse igualmente si se añadiera calor adicional por una fuente adicional de forma continua o intermitente en el calentador 12.
En el sistema ilustrado de la FIG. 1, el compresor 30 recibe su corriente de fluido de trabajo de entrada procedente de la turbina 10, y su corriente de fluido de trabajo de salida se suministra finalmente a la bomba 20. El compresor 30 puede estar montado en eje en la turbina 10, y las condiciones de trabajo del compresor pueden permanecer substancialmente sin cambios en base al control de las condiciones de escape de turbina.
Aunque el controlador 2, el controlador 3 y el controlador 4 están ilustrados y se analizan como controladores independientes, se entiende que los controladores respectivos pueden estar configurados como parte de una unidad más grande. Por ejemplo, una única unidad de control puede incluir una pluralidad de subunidades que pueden conectarse individualmente con sus puntos de comprobación de parámetros designados y sus dispositivos controlados (por ejemplo, la bomba 20, la válvula de reflujo 31 y la válvula 41). Además, las unidades de control pueden estar configuradas substancialmente como subrutinas en un controlador general (por ejemplo, un ordenador o un dispositivo electrónico similar) con una pluralidad de entradas y una pluralidad de salidas que se designan para los respectivos puntos de comprobación de parámetros y para los dispositivos controlados.
En realizaciones en las que se incluye el intercambiador de calor recuperador 50, el control de la temperatura en el punto de comprobación de parámetros 13 puede ser particularmente importante. Por medio del mantenimiento de la temperatura en el punto de comprobación de parámetros 13 en un valor de estado estacionario, o substancialmente cerca de él, los perfiles de temperatura en el intercambiador de calor recuperador 50 también pueden permanecer substancialmente constantes. Como mínimo, dicho esquema de control es beneficioso debido a la reducción o eliminación del ciclo térmico de los conductos, intercambiadores de calor y otros equipos de alta temperatura utilizados en el sistema, lo que a su vez puede aumentar significativamente la vida útil de los componentes.
Las realizaciones de la presente invención se ilustran en la FIG. 2, que muestra un sistema de producción de potencia que es substancialmente idéntico al sistema de producción de potencia ilustrado en la FIG. 1. En el sistema de la FIG.
2, se incluye un controlador adicional 1 (que puede caracterizarse como un controlador de potencia) y que puede estar configurado para monitorizar una variedad de valores y dirigir una serie de comandos de control.
En una o más realizaciones, el controlador 1 puede estar configurado para medir y/o recibir mediciones en relación a la salida de potencia del generador 11. En algunas realizaciones, el controlador 1 puede estar configurado para dirigir la entrada de calor a través del calentador 12 para generar la potencia requerida. Por lo tanto, si la salida de potencia en el generador 11 está por encima o por debajo de la salida deseada, la entrada de calor a través del calentador 12 puede reducirse o aumentarse para suministrar la salida de potencia deseada. De manera similar, la monitorización de la salida de potencia con el controlador 1 puede permitir cambios dinámicos en la entrada de calor de modo que se pueda proporcionar una salida de potencia substancialmente constante. A modo de ejemplo no limitativo, cuando se utiliza calentamiento solar para el calentador 12, la salida de potencia en el generador 11 se puede utilizar como un disparador de modo que, por ejemplo, pueden dirigirse más espejos hacia una torre de recogida para aumentar la salida de calor cuando la salida de potencia cae por debajo de un nivel definido y/o cuando la salida de potencia es insuficiente para cumplir con un algoritmo de calentamiento predefinido, tal como uno en el que la salida de potencia puede aumentarse de forma automática en un momento del día cuando se espera que el uso aumente. A modo de ejemplo no limitativo adicional, se puede utilizar una pluralidad de fuentes de calor en las que una primera fuente de calor se puede utilizar principalmente, y una segunda fuente de calor se puede poner automáticamente en línea cuando la salida de energía en el generador 11 es insuficiente. Por ejemplo, el calentamiento solar puede combinarse con el calentamiento por combustión, siendo uno de ellos la fuente de calor primaria y siendo el otro la fuente de calor secundaria para complementar a la fuente de calor primaria.
A medida que se añade más o menos calor al sistema, la temperatura de entrada de turbina cambiará y, después de la expansión a través de la turbina, la temperatura en el punto de comprobación de parámetros 13 cambiará. Como tal, una o más de las funciones de control descritas anteriormente en relación con la FIG. 1 también se pueden implementar en el sistema ilustrado en la FIG. 2.
Se ilustran adicionalmente realizaciones de la presente invención en la FIG. 3, que ilustra un sistema de control que puede usarse en particular para un ciclo de potencia semicerrado. El sistema de control es particularmente útil en sistemas y métodos en los que el ciclo es un ciclo de oxi-combustible de combustión directa que quema un combustible carbonoso con oxígeno. Como se ilustra, al menos dos componentes que pueden combinarse para proporcionar una reacción exotérmica son introducidos en el sistema a través de la válvula 14 y la válvula 71. Los componentes se muestran siendo introducidos directamente en la turbina 10; sin embargo, en una o más realizaciones, los componentes pueden introducirse en un reactor, tal como en una cámara de combustión. En algunas realizaciones, la turbina 10 es un componente multi-etapa que incluye una cámara de reacción o combustión aguas arriba de una turbina. En la FIG. 3, la parte del elemento 10 por debajo de la línea discontinua puede ser una cámara de combustión, y la parte del elemento 10 por encima de la línea discontinua puede ser una turbina. A modo de ejemplo no limitativo, la válvula 14 puede estar configurada para dosificar un combustible, tal como gas natural u otro combustible fósil, y la válvula 71 puede estar configurada para dosificar un oxidante, tal como aire u oxígeno substancialmente puro (por ejemplo, de al menos el 95 %, al menos el 98 %, al menos el 99 % o al menos el 99,5 % de oxígeno puro).
En el sistema ejemplificado en la FIG. 3, el controlador 1 puede estar configurado para monitorizar la salida de potencia del generador 11. En base a la salida de potencia medida, el controlador 1 controla la válvula de combustible 14 para permitir que más combustible o menos combustible entre en el sistema de producción de potencia. A medida que se añade más combustible o menos combustible al sistema de producción de potencia, el controlador 7 (que puede caracterizarse como un controlador de relación combustible/oxidante) compara el caudal de combustible en el punto de comprobación de parámetros 15 con el caudal de oxidante en el punto de comprobación de parámetros 72, y el controlador 7 ordena a la válvula de oxidante 71 que permita que pase más oxidante o menos oxidante a través de la misma al objeto de mantener la relación prescrita de combustible a oxígeno.
Los productos de reacción (por ejemplo, de combustión) pasan a través de la turbina 10 (o de la parte de turbina de una combinación de reactor/turbina) y salen como una corriente de escape de turbina. A modo de ejemplo, cuando se dosifican gas natural y oxígeno a través de la válvula 14 y la válvula 71, los productos principales en la corriente de escape de la turbina serán H<2>O y CO<2>. La corriente de escape de turbina puede pasar a través de un intercambiador de calor recuperador 50 (aunque tal componente es opcional) y luego pasar a través del primer calentador/enfriador 16. La corriente de escape de turbina se trata a continuación en un separador de agua 60 en el que el agua puede extraerse a través de la válvula 61. Una corriente de CO<2>substancialmente puro sale por la parte superior del separador 60 y se hace pasar a través del compresor 30 (extrayéndose una fracción a través de la válvula 41). Una corriente de CO<2>reciclado comprimido que sale del compresor 30 se hace pasar a través del segundo calentador/enfriador 18 y después a través de la bomba 20 para proporcionar una corriente de CO<2>reciclado de alta presión, que puede ser devuelta a la turbina 10 (opcionalmente pasando a través del intercambiador de calor recuperador 50 para ser calentada con calor extraído de la corriente de escape de turbina). Una corriente de CO<2>substancialmente puro puede contener al menos 95 % en peso, al menos 97 % en peso, al menos 98 % en peso, al menos 99 % en peso o al menos 99,5 % en peso de CO<2>.
Como se ilustra en la FIG. 3, el sistema de control utilizado con el sistema de producción de potencia a modo de ejemplo incluye el controlador 2, el controlador 3 y el controlador 4, que pueden funcionar substancialmente de forma idéntica a la descrita anteriormente con respecto a los sistemas de la FIG. 1 y la FIG. 2. Además, el controlador 6 (que puede caracterizarse como un controlador de separador de agua) se utiliza para monitorizar el nivel de agua en el separador 60, el cual puede incluir uno o más sensores adecuados para proporcionar una salida de nivel de agua que puede ser leída por el controlador 6. En base a la señal de nivel de agua recibida, el controlador 6 puede dar instrucciones a la válvula 61 para que se abra a los intervalos y duraciones correctos para mantener el nivel de agua en el separador 60 en un nivel deseado. Aunque la medición se referencia en relación a un nivel de agua, se entiende que el volumen, la masa u otros parámetros pueden utilizarse para proporcionar la señal al controlador 6.
Se ilustran realizaciones adicionales de la presente invención en la FIG. 4, la cual ilustra un sistema de control que puede usarse en particular para un ciclo de potencia semicerrado que utiliza una fuente de aire artificial. El sistema de control es particularmente útil en sistemas y métodos en los que el ciclo es un ciclo de oxi-combustible de combustión directa que quema un combustible carbonoso con oxígeno. El controlador 1 monitoriza de nuevo la salida de potencia del generador 11 y dosifica la entrada de combustible a través de la válvula 14 en consecuencia.
Como se ilustra en la FIG. 4, el combustible y el oxidante entran en la parte de combustión de la cámara de combustión/turbina 10 doble, y una corriente de escape de turbina sale de la parte de turbina. La corriente de escape de turbina puede pasar a través de un intercambiador de calor recuperador 50 (aunque tal componente es opcional) y luego pasar a través del primer calentador/enfriador 16. La corriente de escape de turbina se trata a continuación en un separador de agua 60 en el que el agua puede extraerse a través de la válvula 61. Una corriente de CO<2>substancialmente puro sale por la parte superior del separador 60 y se hace pasar a través del compresor 30 (extrayéndose una fracción a través de la válvula 41). Una corriente de CO<2>reciclado comprimido que sale del compresor 30 se hace pasar a través del segundo calentador/enfriador 18 y después a través de la bomba 20 para proporcionar una corriente de CO<2>reciclado de alta presión, que puede ser devuelta a la cámara de combustión/turbina 10 doble (opcionalmente pasando a través del intercambiador de calor recuperador 50 para ser calentada con calor extraído de la corriente de escape de turbina).
En esta configuración, el oxidante entra a través de la válvula 111 y pasa a través de la unión 114, en el que el CO<2>se puede combinar con el oxidante. La corriente oxidante (opcionalmente diluida con la corriente de CO<2>) pasa a través del calentador/enfriador 22, se presuriza en el compresor 90, pasa a través del calentador/enfriador 24, y finalmente se hace pasar a través de la bomba 80. Un controlador 8 (que puede caracterizarse como un controlador de bomba de oxidante) mide la relación entre el flujo másico del combustible (leído en el punto de comprobación de parámetros 26) y el flujo másico del oxidante (leído en el punto de comprobación de parámetros 82). En base a la relación calculada, el controlador 8 puede dar instrucciones a la bomba de velocidad variable 80 para cambiar la potencia de la bomba y permitir el suministro de oxidante en un flujo másico correcto para mantener la relación deseada de oxidante a combustible a la presión requerida. De esta manera, la cantidad de oxidante suministrada al sistema de producción de potencia se proporciona de forma consistente en el caudal correcto y a la presión correcta para el paso al interior de la cámara de combustión/turbina 10 doble. Si, por ejemplo, la presión en el punto de comprobación de parámetros 82 fuera a aumentar debido a la contrapresión de la cámara de combustión/turbina 10, el controlador 8 puede configurarse para ordenar a la bomba 80 que opere a una velocidad diferente adecuada para proporcionar la presión y el flujo másico de oxidante correctos. En base a una lectura de presión tomada en el punto de comprobación de parámetros 93, el controlador 9 (que puede caracterizarse como un controlador de presión de oxidante) puede dar instrucciones a la válvula de reflujo 91 para disminuir o aumentar la presión en el punto de comprobación de parámetros 93 al permitir que más o menos fluido retorne (o se recicle) a un punto aguas arriba del compresor 90 (en particular entre la unión 114 y el calentador/enfriador 22). Asimismo, en el punto de comprobación de parámetros 102 se puede monitorizar la presión (presión que corresponde a la succión del compresor 90). En base a esta presión, el controlador 100 (que puede caracterizarse como un controlador de presión de oxidante) puede dar instrucciones a la válvula 103 para que no desvíe nada o ninguna parte del fluido aguas arriba del compresor 30 a la unión 114 al objeto de mantener una presión substancialmente constante en el punto de comprobación de parámetros 102. La corriente de CO<2>substancialmente puro desviada a través de la válvula 103 se puede utilizar para diluir el oxidante, y el controlador 100 puede estar configurado de forma similar para aumentar o disminuir el flujo a través de la válvula 103 para proporcionar la dilución deseada. El flujo másico de la corriente de CO<2>proporcionada a través de la válvula 103 puede medirse en el punto de comprobación de parámetros 113, y el flujo másico del oxidante proporcionado a través de la válvula 111 puede medirse en el punto de comprobación de parámetros 112. El controlador 110 (que puede caracterizarse como un controlador de dilución) puede estar configurado para calcular la relación de los flujos en los puntos de comprobación 112 y 113, y puede estar configurado para dar instrucciones a la válvula 111 para permitir que más oxidante o menos oxidante entre al sistema al objeto de garantizar que se mantenga la relación correcta.
En una o más realizaciones, un sistema de control según la presente invención puede estar configurado para proporcionar específicamente un control de masa a lo largo de un amplio rango de presiones. El control de masa a baja presión (por ejemplo, a presión ambiente hasta aproximadamente 10 bar, hasta aproximadamente 8 bar o hasta aproximadamente 5 bar) puede conseguirse de forma similar a la descripción del controlador 4 anterior. En particular, el controlador 4 puede configurarse para abrir o cerrar la válvula 41 para aliviar el exceso de masa del sistema de producción de potencia. Por ejemplo, en un sistema que utiliza una corriente de CO<2>reciclado como fluido de trabajo y que quema un combustible fósil, se puede formar un exceso de CO<2>. Para mantener un equilibrio de masa correcto en el sistema, todo o una parte del CO<2>formado puede extraerse a través de la válvula 41. La cantidad de fluido extraído a través de la válvula 41 con fines de control de masa puede calcularse en base a la estequiometría conocida de la reacción de combustión, y el controlador 4 puede estar configurado para controlar el flujo másico a través de la válvula 41 en consecuencia. Si se desea, se pueden utilizar uno o más sensores para medir y/o calcular la masa de fluido aguas abajo de la cámara de combustión y/o para medir y/o calcular la relación de masa de fluido entre una corriente entre la cámara de combustión y la válvula 41 en relación a una corriente que está aguas abajo del compresor 30 y/o de la bomba 20.
En la realización ilustrada en la FIG. 5, el controlador 3 y el controlador 4, como se ha descrito anteriormente, están ausentes, y se proporcionan controladores adicionales con el fin de liberar la masa en exceso del sistema de producción de potencia substancialmente a la misma presión que la presión de salida del compresor 30 (que es substancialmente idéntica a la succión de la bomba 20). Como se ha descrito anteriormente, la velocidad de la bomba 20 se controla con la temperatura de escape de la turbina 10 a través del controlador 2. En la realización ilustrada a modo de ejemplo en la FIG. 5, sin embargo, se controla la presión de succión del compresor 30. En particular, el punto de comprobación de parámetros 54 puede incluir un sensor de presión, y el controlador 35 (que puede caracterizarse como un controlador de succión de compresor) puede estar configurado para abrir y cerrar la válvula 31 en base a la presión en la succión del compresor 30 medida en el punto de comprobación de parámetros 54. Si la presión en el punto de comprobación de parámetros 54 comienza a caer, el controlador 35 puede estar configurado para abrir la válvula 31 y permitir que el fluido retorne a un punto aguas arriba del punto de comprobación de parámetros 54 (retorno que va al punto de comprobación de parámetros 44 en la realización ilustrada) y elevar la presión en el punto de comprobación de parámetros 54. Si la presión en el punto de comprobación de parámetros 54 comienza a aumentar, el controlador 35 puede estar configurado para cerrar la válvula 31 al objeto de reducir la cantidad de fluido que retorna y bajar la presión en el punto de comprobación de parámetros 54.
Además de controlar la velocidad de la bomba 20, también se puede controlar la presión de succión de la bomba. En particular, la presión leída en el punto de comprobación de parámetros 23 puede ser utilizada por el controlador 75 (que puede caracterizarse como un controlador de velocidad de bomba), que puede estar configurado para abrir y cerrar la válvula 88. Por consiguiente, la presión de succión de la bomba 20 se controla por medio de la extracción del exceso de fluido del sistema de producción de potencia en la válvula 88, lo cual, a su vez hace posible el mantenimiento de la presión deseada del sistema.
En la realización ilustrada en la FIG. 6, el sistema de control de potencia está configurado de forma similar a la construcción ilustrada en la FIG. 5, pero sin el uso de la válvula 88. En esta realización ilustrada, el compresor 30 opera sobre el control de presión de succión como se ha descrito en relación con la FIG. 5, y la bomba 20 también opera sobre el control de presión de succión. En particular, la presión leída en el punto de comprobación de parámetros 23 puede ser utilizada por el controlador 75, que puede estar configurado para ajustar la velocidad de la bomba 20 para mantener las condiciones de succión controladas y producir una salida a la presión correcta dictada por los parámetros adicionales del ciclo de combustión. Además, la temperatura tomada del punto de comprobación de parámetros 13 puede ser usada de nuevo por el controlador 2; sin embargo, el controlador 2 puede estar configurado para dirigir el flujo a través de la válvula 115 para controlar la temperatura del escape de la turbina 10. Al permitir que salga más fluido del sistema de producción de potencia a través de la válvula 115 (o al mantener más fluido en el sistema de producción de potencia), se puede controlar la presión de entrada (y, por lo tanto, el flujo másico) en la turbina 10, y se puede controlar igualmente la temperatura de salida de la turbina 10.
En una o más realizaciones, un sistema de potencia mostrado en la FIG. 7 puede comprender una turbina 10 acoplada a un generador eléctrico 11. Se dosifica una corriente de combustible a través de la válvula 14, y se dosifica oxígeno a través de la válvula 71, y el combustible se quema con el oxígeno en la cámara de combustión 10. El combustible y el oxígeno se mezclan con una corriente de CO<2>reciclado calentado de alta presión 120 que sale del intercambiador de calor economizador 50. Los gases de combustión pasan a la turbina 10b. La corriente de descarga de turbina se enfría en el intercambiador de calor economizador 50 contra la corriente de CO<2>reciclado de alta presión 119 y se enfría adicionalmente hasta cerca de la temperatura ambiente en el primer calentador/enfriador 16. En algunas realizaciones, el primer calentador/enfriador 16 puede ser un intercambiador de calor indirecto que usa, por ejemplo, agua de enfriamiento, o puede ser un intercambiador de calor de contacto directo que tanto enfría la corriente de escape de turbina como condensa el agua. La corriente de temperatura próxima a la ambiente entra en el separador de agua 60 que descarga la corriente de agua líquida condensada a través de la válvula 61. La corriente puede incluir impurezas derivadas del combustible o de la combustión que están en estado oxidado, tal como SO<2>y NO<2>. En el caso de un enfriador de contacto directo, la unidad actúa como una combinación de enfriador de gas, contactor de gas/agua y separador de fase líquida. La corriente de CO<2>reciclado 116 entra en el compresor de CO<2>reciclado 30, en el que se eleva su presión (por ejemplo, desde aproximadamente 30-70 bar hasta aproximadamente 80 bar). El compresor 30 está provisto de una línea de CO<2>reciclado 45 con una válvula 31 para reducir la presión y devolver una parte del flujo de compresor a la succión en el punto 44. El producto de CO<2>neto, que contiene todo el carbono derivado de la corriente de gas combustible después de la oxidación en la cámara de combustión de turbina, se descarga del compresor como una corriente a través de la válvula 41. El producto de CO<2>neto puede ser entregado a presión desde la succión del compresor a la descarga de la bomba. La corriente de CO<2>reciclado que sale del compresor 30 se enfría hasta cerca de la temperatura ambiente en el segundo calentador/enfriador 18. La densidad aumenta típicamente hasta aproximadamente 0,7 kg/litro a aproximadamente 0,85 kg/litro. El CO<2>supercrítico denso se bombea hasta típicamente 320 bar en una bomba multi-etapa 20. La corriente de CO<2>reciclado 119 que sale de la bomba 20 entra en el intercambiador de calor economizador 50.
Una parte 119a de la corriente de CO<2>reciclado que sale de la bomba 20 se calienta en un intercambiador de calor 56 contra una corriente de calentamiento 53, que puede provenir de cualquier fuente, tal como calor extraído de una unidad de separación de aire. Esta corriente 119a se calienta típicamente hasta una temperatura de aproximadamente 200 °C a aproximadamente 400 °C. La corriente calentada se hace pasar entonces al intercambiador de calor 50 en un punto intermedio y se vuelve a mezclar con la corriente de CO<2>reciclado de alta presión 119. El sistema está controlado por unas válvulas de control que regulan los flujos de fluido. El sistema está provisto de sensores que miden caudales, presiones, temperaturas y composiciones gaseosas. Estas mediciones pueden ser suministradas, por ejemplo, a un sistema de control digital que regula la central eléctrica utilizando unos algoritmos de control junto con programas de control de supervisión almacenados. La salida del sistema de control regula el grado de apertura de las válvulas de control más la velocidad de la bomba 20 y otras funciones del sistema. El objetivo es conseguir un funcionamiento de alta eficiencia definido con cualquier salida de potencia requerida, unas condiciones de puesta en marcha óptimas, tasas de incremento controladas, ya sea hacia arriba o hacia abajo, parada y respuestas a fallos del sistema. Aunque dicho sistema de control digital y algoritmos de control se mencionan en relación con el sistema de la FIG. 7, se entiende que dicha divulgación se aplica igualmente a cualquier realización adicional descrita en la presente memoria, incluyendo las realizaciones descritas en relación con la FIG. 1 a la FIG. 6 y la FIG. 8.
El control funcional del sistema puede estar definido por las conexiones entre las variables medidas por los sensores y la respuesta de la válvula de control particular. Una o más realizaciones de sistemas de control que pueden utilizarse en relación con cualquier realización descrita en la presente memoria incluyen lo siguiente.
El caudal de combustible a través de la válvula 14 puede controlarse mediante la demanda de electricidad impuesta al generador eléctrico 58.
La velocidad de la bomba 20 se puede utilizar para controlar su caudal de descarga. En particular, la consigna de caudal puede variarse para mantener una temperatura de salida de turbina definida.
La presión de salida del compresor de CO<2>30 puede mantenerse en un valor definido constante variando la consigna de la válvula de control de flujo de reciclado de compresor 31.
La descarga de CO<2>producido en el ciclo de producción de potencia puede controlarse mediante la válvula de control de flujo 41. La consigna de este controlador de flujo se puede variar para mantener una presión de entrada constante al compresor de CO<2>y en la descarga de turbina. En algunas realizaciones en las que la descarga a través de la válvula 41 tiene lugar en la descarga del compresor 30, el sistema de control puede configurarse para variar el flujo a través de la válvula 41 y a través de la válvula de reciclado 31.
La cantidad de CO<2>reciclado de alta presión que es calentada por la fuente de calor añadida en el intercambiador de calor 56 puede ser controlada por la válvula de control de flujo 42 y por el controlador 17 (que puede caracterizarse como un controlador de calor de flujo lateral). La consigna del flujo de CO<2>se controla para minimizar la diferencia de temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor 50 entre la corriente de CO<2>reciclado de alta presión 120 y la corriente de escape de turbina en el punto 13 por debajo de 50 °C.
La descarga de agua condensada junto con combustible e impurezas oxidadas derivadas de la combustión puede controlarse manteniendo un nivel de agua constante en el separador de agua 60 o en el sumidero del enfriador de contacto directo alternativo. En este último caso, el exceso de agua se descarga a la vez que el flujo principal de descarga de agua se bombea a través de un intercambiador de calor de agua de enfriamiento y es introducido en la parte superior del enfriador de contacto directo por encima de la capa de relleno.
Haciendo referencia a la FIG. 5, el caudal de oxígeno que entra a la cámara de combustión puede controlarse por medio de la válvula de control de flujo 111. La consigna del controlador de flujo puede variarse para mantener una relación definida de oxígeno a gas combustible que asegurará típicamente un 1 % de oxígeno en exceso por encima del valor estequiométrico para asegurar una combustión completa del combustible más la oxidación de cualquier impureza derivada del combustible. Con el fin de controlar la temperatura de llama adiabática de la cámara de combustión integral de turbina, puede ser útil diluir el oxígeno con una cantidad de CO<2>para producir una mezcla gaseosa de CO<2>más O<2>que tiene entre un 15 % y un 40 %, típicamente un 25 % (molar) de concentración de O<2>. La corriente de oxígeno puede diluirse con una corriente de CO<2>tomada de la línea de entrada del compresor de CO<2>30. El CO<2>extraído pasa a través de la válvula de control de flujo 103 y entra en la unión 114, la cual, en algunas realizaciones, puede ser un mezclador estático. La consigna del controlador de flujo para la válvula 91 se puede ajustar mediante el programa informático de supervisión para mantener una presión constante en el punto 102. La consigna de la válvula de control de flujo de entrada de oxígeno 111 se puede ajustar para mantener una relación fija de oxígeno a flujo de dióxido de carbono que entra en el mezclador 114. La corriente de oxidante mezclada pasa a través del calentador/enfriador 22. La corriente de oxidante enfriada entra en el compresor de oxidante 90 donde se comprime típicamente hasta el rango de aproximadamente 90 bar a aproximadamente 120 bar de presión. La consigna de la válvula de control de flujo 91 puede variarse para controlar la presión de descarga del compresor de oxidante 90. El compresor de oxidante 90 puede funcionar con presiones de entrada y salida fijas. La descarga del compresor 90 puede ser enfriada hasta cerca de la temperatura ambiente en el calentador/enfriador 24. Su densidad es aumentada hasta el rango de, por ejemplo, aproximadamente 0,6 kg/litro a aproximadamente 0,75 kg/litro. La corriente de oxidante supercrítico denso 82 es bombeada hasta una presión típicamente de 320 bar en la bomba centrífuga multi-etapa 80. La corriente de descarga de alta presión que sale de la bomba 80 entra en el intercambiador de calor economizador 50 donde es calentada por una parte del calor liberado por la corriente de descarga de turbina de enfriamiento. El caudal de oxidante puede controlarse ajustando la velocidad de la bomba de oxidante 80. La consigna de caudal puede ajustarse para mantener una relación definida de oxígeno a gas combustible que proporcionará típicamente un 1 % de oxígeno en exceso por encima de la cantidad requerida para la combustión estequiométrica del gas combustible al objeto de asegurar una combustión completa del gas combustible más la oxidación de cualquier impureza derivada del combustible.
Muchas modificaciones y otras realizaciones de la invención resultarán evidentes para un experto en la técnica a la que pertenece esta invención que tenga el beneficio de las enseñanzas presentadas en la descripción anterior. Por lo tanto, se ha de entender que la invención no se debe limitar a las realizaciones específicas descritas, y que se pretende que las modificaciones y otras realizaciones estén incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (15)
1. Un sistema de producción de potencia que comprende:
un sistema de control integrado configurado para el control automatizado de al menos un componente del sistema de producción de potencia, incluyendo el sistema de control al menos una unidad controladora configurada para recibir una entrada relacionada con un parámetro medido del sistema de producción de potencia, y configurada para proporcionar una salida para el al menos un componente del sistema de producción de potencia sujeto al control automatizado;
una turbina (10);
un generador de producción de potencia (11);
un compresor (30) aguas abajo de la turbina (10) y en conexión de fluido con la turbina (10);
una bomba (20) aguas abajo del compresor (30) y en conexión de fluido con el compresor (30); y
un calentador (12) dispuesto aguas abajo de la bomba (20) y en conexión de fluido con la bomba (20) y dispuesto aguas arriba de la turbina (10) y en conexión de fluido con la turbina (10);
en el que el sistema de control integrado es un controlador de potencia (1) configurado para recibir una entrada relacionada con la potencia producida por el generador de producción de potencia (11) y para proporcionar una salida para un calentador (12) del sistema de producción de potencia para aumentar o disminuir la producción de calor por parte del calentador (12);
en el que el sistema de control integrado incluye un controlador de bomba (2) configurado para recibir una entrada relacionada con la temperatura de una corriente de escape que sale de la turbina (10) y para proporcionar una salida para la bomba (20) para controlar un caudal de una corriente que pasa desde la bomba (20) al calentador (12) y de este modo controlar la salida de calor del calentador (12).
2. El sistema de producción de potencia de la reivindicación 1, en el que el sistema de control integrado incluye uno o más de los siguientes:
un controlador de relación combustible/oxidante (7) configurado para recibir una o ambas de entre una entrada relacionada con el caudal de combustible que entra al calentador (12) y una entrada relacionada con el caudal de oxidante que entra al calentador (12) y para proporcionar una salida que está configurada para controlar la salida de calor por parte del calentador (12);
un controlador de presión de succión de bomba (3) configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de succión de un fluido aguas arriba de una bomba (20) en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo (31) que está situada aguas arriba de la bomba (20);
un controlador de regulación de presión (4) configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de escape de una turbina en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de salida de fluido (41) y permitir que el fluido salga de la corriente de escape y, opcionalmente, para proporcionar una salida para una válvula de entrada de fluido y permitir que el fluido entre en la corriente de escape;
un controlador de separador de agua (6) configurado para recibir una entrada relacionada con la cantidad de agua en un separador (60) del sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de extracción de agua (61) para permitir o no permitir la extracción de agua del separador (60) y mantener la cantidad de agua en el separador (60) dentro de un valor definido;
un controlador de bomba de oxidante (8) configurado para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre un flujo másico de un combustible y un flujo másico de un oxidante en el sistema de producción de potencia y calcular una relación de flujo másico del combustible y el oxidante;
un controlador de presión de oxidante (9) configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas abajo de un compresor de oxidante (90) y para proporcionar una salida para una válvula de derivación de oxidante (91) para hacer que más oxidante o menos oxidante sea desviado con respecto al compresor;
un controlador de presión de oxidante (100) configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas arriba de un compresor de oxidante (90) y para proporcionar una salida para una válvula de fluido reciclado (103) para hacer que se añada más fluido reciclado o menos fluido reciclado del sistema de producción de potencia a la corriente de oxidante aguas arriba del compresor de oxidante (90);
un controlador de dilución (110) configurado para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre el flujo másico de un oxidante y el flujo másico de una corriente de diluyente oxidante y para calcular una relación de flujo másico del oxidante y el diluyente oxidante;
un controlador de presión de succión de compresor (35) configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de succión de un fluido aguas arriba de un compresor (30) en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo (31) que está situada aguas abajo del compresor y que hace que más fluido o menos fluido retorne hacia a un punto que está aguas arriba del compresor (30);
un controlador de velocidad de bomba (75) configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de succión aguas arriba de la bomba (20) y para proporcionar una salida para la bomba (20) para aumentar o disminuir la velocidad de bomba;
un controlador de calor de flujo lateral (17) configurado para recibir una entrada relacionada con un requisito de flujo másico calculado para un flujo lateral de una corriente de reciclado de alta presión en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de flujo lateral (42) para aumentar o disminuir la cantidad de la corriente de reciclado de alta presión en el flujo lateral.
3. El sistema de producción de potencia de la reivindicación 2, en el que el controlador de potencia (1) está configurado para proporcionar una salida para una válvula de combustible (14) para permitir que más combustible o menos combustible entre en el sistema de producción de potencia.
4. El sistema de producción de potencia de la reivindicación 2 o 3, en el que el controlador de relación combustible/oxidante (7) está configurado para cumplir uno o ambos de entre los siguientes requisitos:
proporcionar una salida para una válvula de combustible (14) para permitir que más combustible o menos combustible entre en el sistema de producción de potencia;
proporcionar una salida para una válvula de oxidante (71) para permitir que más oxidante o menos oxidante entre en el sistema de producción de potencia.
5. El sistema de producción de potencia de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que el sistema de control integrado incluye el controlador de presión de succión de bomba (3) configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de succión en un fluido aguas arriba de una bomba (20) en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo (31) que está situada aguas arriba de la bomba (20), y en el que el controlador de presión de succión de bomba (3) está configurado para cumplir uno o ambos de entre los siguientes requisitos:
hacer que más fluido o menos fluido retorne a un punto que está más aguas arriba de la válvula de reflujo (31);
hacer que más fluido o menos fluido sea extraído del sistema de producción de potencia aguas arriba de la bomba (20).
6. El sistema de producción de potencia de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que el sistema de control integrado incluye el controlador de bomba de oxidante (8) configurado para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre un flujo másico de un combustible y un flujo másico de un oxidante en el sistema de producción de potencia y calcular una relación de flujo másico del combustible y el oxidante, y en el que el controlador de bomba de oxidante (8) está configurado para proporcionar una salida para la bomba de oxidante (80) para cambiar la potencia de la bomba (80) al objeto de afectar a la relación de flujo másico del combustible y el oxidante en el sistema de producción de potencia.
7. El sistema de producción de potencia de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el que el sistema de control integrado incluye el controlador de presión de oxidante (100) configurado para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas arriba de un compresor de oxidante (90) y para proporcionar una salida para una válvula de fluido reciclado (103) para hacer que se añada más fluido reciclado o menos fluido reciclado del sistema de producción de potencia a la corriente de oxidante aguas arriba del compresor de oxidante (90), y en el que el fluido reciclado es una corriente de CO<2>substancialmente puro.
8. El sistema de producción de potencia de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en el que el controlador de dilución (110) está configurado para proporcionar una salida para una válvula de entrada de oxidante (111) para permitir que más oxidante o menos oxidante entre en el sistema de producción de potencia de modo que la relación de flujo másico del oxidante al diluyente oxidante esté dentro de un rango definido.
9. Un método para el control automatizado de un sistema de producción de potencia, comprendiendo el método operar un sistema de producción de potencia que comprende una pluralidad de componentes que incluyen:
una turbina (10);
un generador de producción de potencia (11);
un compresor (30) aguas abajo de la turbina (10) y en conexión de fluido con la turbina (10);
una bomba (20) aguas abajo del compresor (30) y en conexión de fluido con el compresor (30); y
un calentador (12) dispuesto aguas abajo de la bomba (20) y en conexión de fluido con la bomba (20) y dispuesto aguas arriba de la turbina (10) y en conexión de fluido con la turbina (10);
en el que dicha operación incluye usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la potencia producida por el generador de producción de potencia (11) y para proporcionar una salida que está configurada para controlar una salida de calor del calentador (12);
en el que dicha operación incluye usar un controlador para recibir una o ambas de entre una entrada relacionada con el caudal de combustible que entra al calentador (12) y una entrada relacionada con el caudal de oxidante que entra al calentador (12) y para proporcionar una salida que está configurada para controlar la salida de calor del calentador (12); y
en el que dicha operación incluye usar un controlador para recibir una entrada relacionada con una temperatura de una corriente de escape que sale de la turbina (10) y para proporcionar una salida para la bomba (20) para controlar un caudal de una corriente que pasa desde la bomba (20) al calentador (12) y de este modo controlar la salida de calor del calentador (12).
10. El método de la reivindicación 9, en el que la salida se basa en un algoritmo de control informatizado pre programado.
11. El método de la reivindicación 9 o 10, en el que dicha operación incluye una o más de las siguientes:
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la potencia producida por el generador de producción de potencia (11) y para proporcionar una salida que está configurada para controlar una salida de calor del calentador (12) mediante una o ambas de entre las siguientes acciones: proporcionar una salida para el calentador (12) para aumentar o disminuir la producción de calor por parte del calentador (12); proporcionar una salida para una válvula de combustible (14) del sistema de producción de potencia para permitir que más combustible o menos combustible entre en el sistema de producción de potencia;
usar un controlador para recibir una o ambas de entre una entrada relacionada con el caudal de combustible que entra en el calentador (12) y una entrada relacionada con el caudal de oxidante que entra en el calentador (12), y para proporcionar una salida que está configurada para controlar la salida de calor del calentador (12) mediante una o ambas de entre las siguientes acciones: proporcionar una salida para una válvula de combustible (14) del sistema de producción de potencia para permitir que entre más combustible o menos combustible en el sistema de producción de potencia; proporcionar una salida para una válvula de oxidante (71) del sistema de producción de potencia para permitir que entre más oxidante o menos oxidante en el sistema de producción de potencia;
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de succión en un fluido aguas arriba de la bomba y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo (31) que está situada aguas arriba de la bomba;
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de escape de la turbina y para proporcionar una salida para una válvula de salida de fluido (41) y permitir que el fluido salga de la corriente de escape y, opcionalmente, para proporcionar una salida para una válvula de entrada de fluido y permitir que el fluido entre en la corriente de escape;
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la cantidad de agua en un separador (60) incluido en el sistema de producción de potencia y para proporcionar una salida para una válvula de extracción de agua (61) para permitir o no permitir la extracción de agua del separador (60) y mantener la cantidad de agua en el separador (60) dentro de un valor definido;
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre un flujo másico de un combustible y un flujo másico de un oxidante introducidos en el sistema de producción de potencia y calcular una relación de flujo másico del combustible y el oxidante;
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas abajo de un compresor de oxidante (90) y para proporcionar una salida para una válvula de derivación de oxidante (91) para hacer que más oxidante o menos oxidante sea desviado con respecto al compresor;
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas arriba de un compresor de oxidante (90) y para proporcionar una salida para una válvula de fluido reciclado (103) para hacer que se añada más fluido reciclado o menos fluido reciclado a la corriente de oxidante aguas arriba del compresor de oxidante (90);
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre el flujo másico de un oxidante y el flujo másico de una corriente de diluyente oxidante y calcular una relación de flujo másico del oxidante y el diluyente oxidante;
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de succión de un fluido aguas arriba del compresor (30) y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo (31) que está situada aguas abajo del compresor (30) y que hace que más fluido o menos fluido retorne hacia un punto que está aguas arriba del compresor (30);
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de succión aguas arriba de la bomba (20) y para proporcionar una salida para la bomba (20) para aumentar o disminuir la velocidad de bomba;
usar un controlador para recibir una entrada relacionada con un requisito de flujo másico calculado para un flujo lateral de una corriente de reciclado de alta presión y para proporcionar una salida para una válvula de flujo lateral (42) para aumentar o disminuir la cantidad de la corriente de reciclado de alta presión en el flujo lateral.
12. El método de la reivindicación 11, en el que dicha operación incluye usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de succión en un fluido aguas arriba de la bomba (20) y para proporcionar una salida para una válvula de reflujo (31) que está situada aguas arriba de la bomba (20), y en el que se cumple uno o ambos de entre los siguientes requisitos:
el controlador hace que más fluido o menos fluido retorne a un punto que está más aguas arriba de la válvula de reflujo (31);
el controlador hace que más fluido o menos fluido sea extraído del sistema de producción de potencia aguas arriba de la bomba (20).
13. El método de la reivindicación 11 o 12, en el que dicha operación incluye usar un controlador para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre un flujo másico de un combustible y un flujo másico de un oxidante introducidos en el sistema de producción de potencia y calcular una relación de flujo másico del combustible y el oxidante, y en el que el controlador proporciona una salida para una bomba de oxidante (80) para cambiar la potencia de la bomba (80) al objeto de afectar a la relación de flujo másico del combustible y el oxidante en el sistema de producción de potencia.
14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que dicha operación incluye usar un controlador para recibir una entrada relacionada con la presión de una corriente de oxidante aguas arriba de un compresor de oxidante (90) y para proporcionar una salida para una válvula de fluido reciclado (103) para hacer que se añada más fluido reciclado o menos fluido reciclado a la corriente de oxidante aguas arriba del compresor de oxidante, y en el que el fluido reciclado es una corriente de CO<2>substancialmente puro.
15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en el que dicha operación incluye usar un controlador para recibir una entrada relacionada con uno o ambos de entre el flujo másico de un oxidante y el flujo másico de una corriente de diluyente oxidante y calcular una relación de flujo másico del oxidante y el diluyente oxidante, y en el que el controlador está configurado para proporcionar una salida para una válvula de entrada de oxidante (111) para permitir que más oxidante o menos oxidante entre en el sistema de producción de potencia de modo que la relación de flujo másico del oxidante al diluyente oxidante esté dentro de un rango definido.
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