ES2292886T3 - Planta de turbina a gas. - Google Patents
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Abstract
Planta de turbina a gas (1) con un compresor (9) asignado a una turbina a gas (5) y con un turbocompresor externo (13), conectado por reotécnica, al menos en parte paralelamente al compresor (9), caracterizada porque es posible suministrar aire comprimido (31) al compresor (9) mediante el turbocompresor (13), a través de los medios para toma de aire del compresor, incluidos en la planta de turbina a gas (1).
Description
Planta de turbina a gas.
La presente invención comprende una planta de
turbina a gas con un compresor asignado a la turbina a gas, y con
un turbocompresor externo, conectado por reotécnica y, al menos en
parte, paralelamente al condensador.
La potencia suministrada por una turbina a gas
depende en gran medida de la temperatura ambiente. Por ello la
potencia suministrada desciende conforme se eleva la temperatura
ambiente, dado que disminuye el caudal másico del compresor a
través de la turbina a gas.
Para compensar esta pérdida de potencia de la
planta de turbina a gas ante un ascenso de la temperatura ambiente,
se conoce, por ejemplo, la posibilidad de refrigerar mediante
enfriamiento por evaporación el aire aspirado por la turbina a gas.
Sin embargo, esta medida sólo muestra resultados favorables en caso
de aire ambiental seco y temperaturas ambiente preferentemente
altas. Esta medida requiere, además, un elevado consumo de agua.
Otro método conocido incluye la inyección de
agua en el compresor de la turbina a gas (wet compression). Para
eso se necesita, no obstante, una gran cantidad de agua
completamente desmineralizada. Además, se reduce la vida útil de al
menos algunos de los componentes de la turbina a gas. En la memoria
US 5 680 752, para aumentar la potencia de la cámara de combustión,
es suministrado aire comprimido adicional por un segundo
compresor.
Otra medida conocida es inyectar agua en la
cámara de combustión de la turbina a gas; medida que, no obstante,
presenta las desventajas que se mencionaron anteriormente y produce,
además, una clara disminución del rendimiento.
Las medidas conocidas mencionadas para aumentar
la potencia requieren, en parte, asumir desventajas agravantes a
fin de conseguir el aumento de la potencia deseado.
Por ello el objetivo de la invención se origina
en presentar una planta de turbina a gas de las características
mencionadas al principio, en sea posible elevar la potencia de
manera sencilla y sin desventajas agravantes para un funcionamiento
continuo de la planta.
El objetivo se alcanza conforme a la invención,
suministrando al compresor aire comprimido mediante el
turbocompresor a través de los medios para toma de aire del
compresor incluidos en la planta de turbina a gas.
El turbocompresor externo incrementa así el
caudal másico de aire comprimido suministrado a la turbina a gas.
De esta forma aumenta la potencia suministrada por la planta de
turbina a gas en comparación con una planta de turbina a gas sin
turbocompresor externo; sin reducirse el rendimiento de la planta de
turbina a gas ni su vida útil.
Dado que la potencia suministrada por una planta
de turbina a gas disminuye conforme aumenta la temperatura
ambiente, debido a que se reduce el caudal másico de aire
comprimido, una planta de turbina a gas acorde a la invención es
accionada, a una temperatura ambiente actual, mediante el aire
comprimido adicional provisto por el turbocompresor con una
potencia suministrada que corresponde a una temperatura ambiente más
fresca que la actual.
El compresor de la turbina a gas no debe
comprimir el aire adicional provisto por el turbocompresor de la
presión ambiente a la presión final, dado que el turbocompresor se
encarga parcialmente de esta tarea. De esta manera la potencia
suministrada por la turbina a gas se eleva más que proporcionalmente
a la elevación del caudal másico del aire comprimido afluente a la
turbina.
Por eso el balance de potencia de una planta de
turbina a gas acorde a la invención es positivo, a pesar del
consumo de energía algo elevado del compresor, así como de la
energía necesaria para el accionamiento del turbocompresor.
Para muchas plantas de turbina a gas, los medios
para la toma de aire del compresor son necesarios para el
funcionamiento y por ello, ya están previstos en la planta, podemos
mencionar por ejemplo, las tuberías de purga, las tuberías de
refrigeración y las tuberías de sobrante. Estos medios para toma de
aire del compresor sirven en las plantas de turbina a gas
conocidas, esencialmente para la reducción de presión del aire
comprimido, o bien para desviar al menos una parte del aire del
compresor para suministrarle, por ejemplo, a un dispositivo de
refrigeración.
En este modo de ejecución de la invención, se
suministra a la planta de turbina a gas el aire comprimido provisto
por el turbocompresor, a través de medios ya previstos, de modo que
la construcción original de la planta de turbina a gas apenas debe
ser modificada.
En un modo de ejecución preferido el
turbocompresor es accionado por un motor eléctrico.
Este tipo de accionamiento es poco propenso a
averías, fácil y rápido de regular, y de utilización flexible.
En un acondicionamiento especialmente preferido,
la planta de turbina a gas está acondicionada como central eléctrica
a gas y vapor.
En una central eléctrica a gas y vapor, se
aprovecha la energía del gas de escape caliente de la turbina a
gas, para producir, en un proceso generador de vapor, el vapor de
trabajo para una turbina a vapor.
Dado que en una planta de turbina a gas acorde a
la invención, el caudal de gas de escape se eleva debido al elevado
caudal másico del compresor, aumenta a su vez también la potencia
suministrada por la turbina a vapor acoplada a la turbina a gas.
Por ello este modo de ejecución de la invención presenta una
potencia suplementaria mucho mayor y un buen rendimiento.
En otro modo de ejecución preferido, el
turbocompresor incluye al menos dos fases de compresión.
Asimismo es posible alcanzar una presión final
deseada para el aire comprimido con especial exactitud y con buen
rendimiento.
En este acondicionamiento de la invención es,
además, beneficioso si se conecta un refrigerador intermedio entre
dos de las fases de compresión, conformado preferentemente como
precalentador de combustible.
En un compresor de varias fases, el aire
comprimido puede tomarse tras una primera fase de compresión y ser
suministrado a un refrigerador intermedio. Para acondicionar el
refrigerador intermedio como precalentador de combustible, se
utiliza como agente refrigerante una mezcla de combustible para la
turbina a gas, que se calienta mediante un intercambio térmico con
el aire precomprimido. De esta forma se generan al menos dos efectos
positivos:
Por un lado se incrementa aún más el caudal
másico del compresor como consecuencia de la refrigeración
intermedia del aire precomprimido; por el otro, se lleva a cabo el
precalentamiento de la mezcla de combustibles, de modo que puedan
eliminarse los termocambiadores conocidos implementados hasta el
presente. Si el precalentamiento de la mezcla de combustible se
realiza tras las válvulas reguladoras para mezcla de combustible, se
puede diseñar un dispositivo de alimentación para la mezcla de
combustible para gas frío y, de ese modo, realizarlo de modo
económico.
Se reduce, además, la longitud necesaria de la
tubería que conduce la mezcla de combustible hacia el
precalentamiento y, desde allí, hacia la turbina a gas.
Por último, se puede suprimir el ciclo del agua
conocido para el precalentamiento de la mezcla de combustible,
incluyendo todos los ajustes correspondientes.
Preferentemente el refrigerador intermedio es
abastecido con un agente refrigerante mediante un suministrador de
agente refrigerante asignado a un generador u otro componente de la
planta de la turbina a gas.
Este modo de ejecución es realizable de manera
especialmente económica, si para la refrigeración intermedia del
aire comprimido del turbocompresor se necesita un agente
refrigerante como, por ejemplo, agua refrigerante. Este agente
refrigerante puede ser obtenido luego por una en general, ya
existente provisión de agente refrigerante, por ejemplo, para el
generador; asimismo el dispositivo con frecuencia está instalado a
solamente algunos metros de distancia.
En otro acondicionamiento preferido el
turbocompresor es abastecido con aceite lubricante a través de un
suministro de aceite lubricante asignado a la turbina a gas.
Asimismo la provisión de aceite lubricante para
un funcionamiento confiable y de bajo desgaste del turbocompresor
es especialmente sencillo, ya que puede aprovecharse una provisión
de aceite lubricante presente en la turbina.
Preferentemente se acciona el turbocompresor
durante el funcionamiento de la planta de turbina a gas, con su
potencia nominal.
El turbocompresor funciona en este caso con la
máxima potencia permanente, para la cual está diseñado.
Se puede omitir una regulación de la potencia
del turbocompresor, ya que la regulación de la potencia por medio
de una modificación de la cantidad de aire puede ser asumida
exclusivamente por la turbina a gas.
En otro acondicionamiento beneficioso de la
invención se suministra aire comprimido por el turbocompresor a la
turbina a gas, por medio de una válvula de mariposa, la cual se
puede abrir y cerrar de acuerdo con la característica de
regulación.
El aire de combustión adicional comprimido por
el turbocompresor, para la turbina a gas se suministra a la turbina
a gas a través de la válvula de mariposa, conforme a una
característica de regulación deseada, la cual permite, por ejemplo,
un lento y homogéneo suministro o extracción del aire de combustión
adicional durante la puesta en marcha o detención del
turbocompresor. En cuanto a la característica de regulación, puede
tratarse de un programa de mando para un motor, que accione la
válvula de mariposa.
El turbocompresor se pondrá en marcha, por
ejemplo, con la válvula de mariposa cerrada. En cuanto la presión
delante de la válvula de mariposa es mayor que la presión corriente
abajo del compresor asignado a la turbina a gas, la válvula de
mariposa es llevada continuamente de su posición de cerrado a su
posición de apertura completa. Este proceso de apertura puede
durar, por ejemplo, 60 segundos. Dado que el caudal másico del
compresor se incrementa de forma suficientemente lenta, la
regulación de la potencia puede ser asumida sólo por la turbina a
gas.
De este modo se podrá, además, poner el
turbocompresor fuera de servicio, llevando continuamente la válvula
de mariposa de su posición de apertura a la de cerrado, por ejemplo,
en el lapso de 60 segundos. También en este caso la modificación
del caudal másico del compresor es lo suficientemente lenta, de modo
que la turbina a gas sola puede efectuar la regulación de la
potencia sin dificultad mediante un ajuste de sus álabes de
distribuidor.
También es beneficioso poder interrumpir
súbitamente el suministro de aire comprimido por el turbocompresor
a la turbina a gas, mediante una válvula de retención.
En caso de una falla del turbocompresor debe
bloquearse la tubería de conexión entre la turbina a gas y el
turbocompresor tan rápidamente como sea posible, a fin de evitar
poner en peligro el funcionamiento de la planta de turbina a gas
como consecuencia de la caída de la presión que surge en la tubería
del turbocompresor. Por eso en este modo de ejecución de la
invención está prevista la válvula de retención, a fin de impedir
el reflujo de aire comprimido del compresor de la turbina a gas en
el turbocompresor; y poder así interrumpir súbitamente, es decir,
dentro del menor tiempo posible, la tubería de conexión del
turbocompresor con la turbina a gas.
En ese caso la válvula de retención puede
accionarse preferentemente de modo hidráulico o neumático.
Un accionamiento de la válvula de retención de
estas características ayuda a cerrar esta válvula en caso de falla
del turbocompresor, de modo que el turbocompresor pueda desacoplarse
de la turbina a gas tan rápidamente como sea posible.
A continuación se exponen más detalladamente dos
ejemplos de ejecución de la invención.
Se muestran:
Figura 1 una planta de turbina a gas conforme a
la invención con un compresor asignado a una turbina a gas, así
como un turbocompresor de dos fases, conectado de forma totalmente
paralela con el compresor, y
Figura 2 otra planta de turbina a gas acorde a
la invención, en la cual el turbocompresor está conectado, en
parte, por reotécnica, paralelamente al compresor.
En la figura se representa una planta de turbina
a gas 1 acorde a la invención.
Ella comprende un compresor 9, el cual está
dispuesto, junto a la turbina a gas 5 y un generador 11, sobre un
eje común.
Por medio de la turbina a gas 5, la energía
contenida en un combustible gaseoso se transforma en energía de
rotación para el accionamiento del generador 11.
La combustión del combustible gaseoso en una
cámara de combustión 25 requiere el agregado de aire 31, el cual se
comprime mediante el compresor 9 para aumentar la eficiencia de la
combustión, y se introduce luego en la cámara de combustión 25.
El aire 31 es aspirado por un aspirador 7
(carcasa de aspiración) y suministrado al compresor 9.
Paralelamente al compresor 9 se halla dispuesto
junto a la planta de turbina a gas 1 un turbocompresor 13, el cual
también recibe aire 31.
El turbocompresor 13 comprende una primera fase
de compresión 15 y una segunda fase de compresión 17.
El accionamiento del turbocompresor 13 se lleva
a cabo mediante un motor eléctrico 19.
Tras la compresión del aire 31 mediante la
primera fase de compresión 15, se suministra el aire precomprimido
correspondiente a un precalentador de combustible 21 y luego se lo
conduce a la segunda fase de compresión 17 para continuar la
compresión del aire 31 a la presión final deseada.
El aire comprimido 31 de esta manera por el
turbocompresor 13 es suministrado a la turbina a gas 5 tras
abandonar el turbocompresor 13, a través de una válvula de mariposa
27, especialmente, a su cámara de combustión 25.
La válvula de mariposa 27 es accionada por un
motor 33 correspondientemente a una característica de
regulación.
En especial durante la puesta en marcha y la
detención del turbocompresor 13, la válvula de mariposa 27 es
abierta o cerrada continuamente. Durante el funcionamiento de la
planta de turbina a gas 1, la válvula de mariposa 27 se encuentra,
en general, en una posición de apertura constante.
Para poder interrumpir tan rápidamente como sea
posible el reflujo del aire de la turbina a gas 5 en caso de una
falla del turbocompresor 13, se prevé una válvula de retención 29.
En este caso, la válvula de retención 29 es llevada súbitamente a
la posición de cerrado.
La figura 2 muestra otro modo de ejecución de la
invención. A diferencia de figura 1, el turbocompresor 13 aquí está
conectado sólo parcialmente por reotécnica paralelo al compresor 9.
El aire comprimido mediante el turbocompresor 13 es suministrado al
compresor 9 a un nivel de presión determinado 35. El compresor 9
asume luego la compresión siguiente hasta la presión final
deseada.
En resumen, una planta de turbina a gas conforme
a la invención puede describirse como sigue:
Para elevar el caudal másico se prevé, en una
planta de turbina a gas acorde a la invención, un turbocompresor
externo conectado por reotécnica, al menos en parte paralelamente a
la turbina a gas, dicho turbocompresor es accionado preferentemente
por un motor eléctrico.
De esta forma, la turbina a gas es accionada, a
una temperatura ambiente actual con una potencia suministrada
superior, correspondiente a una temperatura ambiente inferior, la
potencia suministrada por la turbina a gas corresponde así a
aquella de una planta de turbina a gas convencional a temperatura
ambiente inferior.
Claims (13)
1. Planta de turbina a gas (1) con un compresor
(9) asignado a una turbina a gas (5) y con un turbocompresor
externo (13), conectado por reotécnica, al menos en parte
paralelamente al compresor (9), caracterizada porque es
posible suministrar aire comprimido (31) al compresor (9) mediante
el turbocompresor (13), a través de los medios para toma de aire
del compresor, incluidos en la planta de turbina a gas (1).
2. Planta de turbina a gas (1) conforme
reivindicación 1, caracterizada porque el turbocompresor (13)
es accionable por un motor eléctrico (19).
3. Planta de turbina a gas (1) según
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque los medios para
extracción de aire del compresor incluyen al menos un componente
del grupo {tubería de purga, tubería de refrigeración, tubería de
sobrante}.
4. Planta de turbina a gas (1) acorde a alguna
de las reivindicaciones 1 a 3, asimismo la planta de turbina a gas
(1) está configurada como una central eléctrica a gas y vapor.
5. Planta de turbina a gas (1) acorde a alguna
de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el
turbocompresor (13) abarca al menos dos fases de compresión (15,
17).
6. Planta de turbina a gas (1) según
reivindicación 5, caracterizada por un refrigerador
intermedio conectado entre dos de las fases de compresión (15,
17).
7. Planta de turbina a gas conforme a la
reivindicación 6, caracterizada porque el refrigerador
intermedio está configurado como precalentador de
combustible (21).
combustible (21).
8. Planta de turbina a gas acorde a la
reivindicación 6 ó 7, caracterizada porque el refrigerador
intermedio puede abastecerse con un agente refrigerante mediante un
suministrador de agente refrigerante asignado a un generador (11) u
otro componente de la planta de la turbina a gas (1).
9. Planta de turbina a gas (1) acorde a una de
las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque el
turbocompresor (13) puede abastecerse con aceite lubricante a
través de un suministro de aceite lubricante asignado a la turbina a
gas.
10. Planta de turbina a gas (1) acorde a una de
las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque durante el
funcionamiento de la planta de turbina a gas (1) el turbocompresor
(13) es accionado con su potencia nominal.
11. Planta de turbina a gas (1) acorde a alguna
de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque es
posible suministrar aire comprimido (31) a la turbina a gas (5)
mediante el turbocompresor (13), a través de una válvula de
mariposa (27); la cual puede abrirse y cerrarse según una
característica de regulación.
12. Planta de turbina a gas (1) acorde a una de
las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque un reflujo
del aire comprimido (31) por el compresor (9) en dirección al el
turbocompresor (13), puede interrumpirse súbitamente por medio de
una válvula de retención (29).
13. Planta de turbina a gas (1) acorde a la
reivindicación 12, caracterizada porque la válvula de
retención (29) puede accionarse de forma hidráulica o
neumática.
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