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WO1996031697A1 - Sistema para la integracion de energia solar en una central termica convencional de generacion de energia electrica - Google Patents

Sistema para la integracion de energia solar en una central termica convencional de generacion de energia electrica Download PDF

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WO1996031697A1
WO1996031697A1 PCT/ES1995/000036 ES9500036W WO9631697A1 WO 1996031697 A1 WO1996031697 A1 WO 1996031697A1 ES 9500036 W ES9500036 W ES 9500036W WO 9631697 A1 WO9631697 A1 WO 9631697A1
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Antonio Lara Cruz
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Compañia Sevillana De Electricidad, S.A.
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the gas turbine (13) and through the conduit (14) provides its exhaust gases to the wind box (15).
  • Another option of realization would be for those plants that due to their intrinsic conditions and / or that of the solar field can not overheat all the steam in the main boiler, so the integration is carried out outside it.
  • Fuel in boiler Fuel, Gas, Coal. Steam cycle with intermediate reheating. Electric power in alternator pumps: 68.4MW

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  • Sustainable Energy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Se trata de integrar la energía solar obtenida mediante campo de helióstatos y receptor solar (1), en centrales térmicas ya existentes, dotadas o no de turbinas de gas (13), integración ésta que se realiza acondicionando el vapor producido en la caldera solar (2) a las condiciones de la turbina de vapor, para lo que se utilizan los gases de escape (14) de una turbina de gas (13) y se puede ejecutar tanto dentro como fuera de la caldera de la central térmica, en el primer caso el vapor de la caldera solar se introduce en el sobrecalentador (11) de la caldera principal (4) y los gases de escape en su zona de convección y/o en la caja de vientos (15) de ésta, mientras que en el segundo caso los gases de escape antes de llegar a la caja de vientos pasan por una caldera de recuperación (19) al igual que el vapor producido en la caldera solar (2).

Description

SISTEMA PARA LA INTEGRACIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN ÜNA CENTRAL TÉRMICA CONVENCIONAL DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema para la integración de energía solar en una central térmica convencional de generación de energía eléctrica, encaminada a aumentar el rendimiento de estas centrales y por tanto a disminuir el consumo de combustible, y como consecuencia directa de ello, disminuir también el nivel de contaminación ambiental.
Básicamente, la propuesta consiste en la modificación de centrales térmicas ya existentes de producción de energía eléctrica para la integración de aporte de energía de origen solar, basado en la tecnología de campo de eliostatos y receptor solar, con la utilización para ello de una turbina de gas.
ANTECENDETES DE LA INVENCIÓN
Actualmente, existen varios sistemas de utilización de energía térmica para la generación de energía eléctrica. Todos ellos se basan en la concentración de los rayos solares para la producción de vapor de agua, bien directamente o mediante la utilización de un fluido intermedio al que se calienta mediante la energía solar y que después pasa este calor al agua.
El vapor generado, que está en las condiciones de saturación, se puede expansionar en una turbina de vapor para generar energía eléctrica.
Por razones termodinámicas y de rendimiento de turbina, se aumenta el rendimiento de la transformación de energía térmica en eléctrica si el vapor que se introduce en la turbina de vapor está sobrecalentado. Para esto, se puede utilizar energía solar o aporte energético proporcionando por un combustible de origen fósil. Existen varias configuraciones en este sentido que de forma básica se distiguen por quemar el combustible en una caldera o por quemarlo en la cámara de combustión de una turbina de gas.
En el primer caso, la caldera se puede utilizar para sobrecalentar el vapor generado por el sistema solar o, actuando en paralelo con el sistema solar, suplir la energía solar para operación con bajo nivel de radiación. El principal problema de esta solución es la elevada inversión que es necesario realizar por unidad de potencia eléctrica instalada, lo cual hace que estas plantas no sean competitivas con otros medios de generación de electricidad.
En el segundo caso, la configuración de la planta normalmente corresponde a una planta de ciclo combinado en el que los gases de escape de la turbina de gas se hacen pasar por una caldera de recuperación donde se genera vapor sobrecalentado. El aporte térmico de origen solar tiene lugar para suplir parte de los procesos que tienen lugar en la caldera de recuperación: calentamiento de agua- evaporación-sobrecalentamiento de vapor, siendo el resultado del conjunto un aumento de vapor sobrecalentado generado y con ello un aumento de la energía eléctrica generada en la turbina de vapor. Esta solución hace que el coste de generación de energía eléctrica por unidad de potencia eléctrica instalada sea muy inferior a los sistemas con caldera descritos anteriormente, pero presenta los siguientes incovenientes: Necesidad de construcción de una planta de ciclo combinado que hace que la inversión a realizar se eleve de forma importante.
- El aporte energético debido al sol es muy pequeño en relación a la energía aportada por el combustible fósil (entre un 5% y 20 %) .
- La turbina de vapor opera en regímenes muy variados según el aporte solar, que hace que disminuya el rendimiento de la misma.
- Es necesario sobredi ensionar diversos equipos de la planta de ciclo combinado, como la caldera de recuperación de calor, la turbina de gas y el condensador.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema de integración de energías que la invención propone ha sido concebido para resolver esta problemática de forma plenamente satisfactoria, permitiendo que la integración de la energía de origen fósil y de la de origen solar sea total.
La repetida integración de la energía solar puede hacerse bien en el interior de la caldera, bien en el exterior de ésta y siempre con la coadyuvación de una turbina de gas, con el fin de que el vapor generado en la caldera solar adquiera las condiciones necesarias para su utilización en la turbina de vapor.
En el primero de los supuestos, el vapor generado en el receptor solar se inyecta en la caldera mesclándose con el vapor generado en el calderín de la misma, de forma que el total de vapor se sobrecalienta en la caldera hasta las condiciones de temperatura requeridas por la turbina de vapor.
El caudal del agua que se deriva a la caldera solar estará gobernado por la aportación solar en cada momento, de manera que esta será nula durante los períodos nocturnos o de falta de sol, máxima los días de mayor aportación solar, previéndose en todos los casos, para aumentar el rendimiento, hacer una extracción de agua a la salida del economizador de la caldera central que se bombea hasta el receptor solar.
El esquema anteriormente descrito, hace que se desequilibre la caldera con respecto a la situación actual, ya que necesita menos aporte energético en el evaporador, lo que se consigue bajando el aporte de combustible en la caldera, pero necesita el mismo aporte energético en la zona de sobrecalentador y recalentador.
Para solucionar esto, o lo que es lo mismo, poder integrar la energía solar en el interior de la caldera, se dispone de una turbina de gas, cuyos gases de escape se introducen en la caldera de la central térmica, de manera que se equilibre esta y se puedan asumir los procesos no asumidos por la parte solar ni por el combustible fósil.
La integración de la turbina de gas en la caldera de la central, se puede efectuar de dos maneras distintas, que son:
12.- Introduciendo directamente los gases de escape de la turbina de gas en la zona de convección de la caldera.
Cuando el aporte solar es menor del diseño, se genera menos vapor en la caldera solar, por lo que se requiere menos energía para sobrecalentar y recalentar vapor. En estos modos de operación, se deriva parte de los gases de escape de la turbina de gas a la caja de vientos de la caldera convencional, sustituyendo parte del aire de combustión. El aporte de los gases de escape se repercute directamente en un ahorro de combustible.
El caudal de gases de escape que se deriva a la caja de vientos de la caldera convencional viene fijado por las necesidades de energía térmica en la zona de convección de la caldera. En operación nocturna o en días de baja radiación solar, la totalidad de gases de escape es derivado a la caja de vientos de la caldera.
20.- Introducción directa de los gases de escape de la turbina de gas, en la caja de vientos de la caldera convencional, distribuyéndose la energía de combustión de dichos gases de manera natural en el interior de la caldera.
Los resultados teóricos y prácticos de esta segunda opción, son idénticos a los de la primera, pero con la ventaja de que no es necesario ningún tipo de sistema de distribución de gases, que a estas temperatura y presiones no se encuentran convenientemente desarrolladas.
Esta configuración, la introducción de los gases de escape en la caja de vientos, ( existen plantas en operación actualmente) , produce una elevación de la temperatura de los gases en caldera en la zona de sobrecalentador y recalentador. Cuando parte de la evaporación se realiza en el receptor solar, este efecto aumenta, lo que es beneficioso para sobrecalentar y recalentar el vapor solar.
De esta manera, siempre hay un reparto adecuado de energía en cada zona de la caldera para diferentes aportes solares.
En cuanto a la integración fuera de la caldera se realiza utilizando una caldera de recuperación adicional, donde se hace llegar tanto el vapor de la caldera solar como los gases de escape de la turbina de gas, produciéndose en esta caldera de recuperación el sobrecalentamiento del vapor de agua, hasta las condiciones de utilización de la turbina de vapor. Este vapor sobrecalentado se suma al suministrado por - 6 - el sobrecalentador de la caldera principal, mientras que los gases de la turbina de gas que desaloja esta nueva caldera se introduce en la caja de vientos de la caldera principal. Este sistema es necesario para el acondicionamiento de centrales que por sus condiciones intrísicas y/o por las del campo solar, no pueda sobrecalentarse todo el vapor en la caldera principal.
La sustitución del aire de combustión de la caldera de la central por los gases de escape de la turbina de gas, hace que no sea necesario el calentador de aire que actualmente existe en la salida de la caldera. En su lugar se dispone de un economizador de alta presión, instalado en paralelo con el quinto y sexto calentador de agua de alimentación a caldera, hacia donde se deriva parte del caudal de agua y un economizador de baja presión, instalado en paralelo con los calentadores segundo y tercero de agua de condensado. El caudal de agua que se deriva a cada economizador se regulará de forma que se aproveche al máximo la energía térmica de los gases de combustión.
El calentamiento de agua en estos economizadores hace que disminuya el caudal de vapor en las extracciones de la turbina de vapor. Como consecuencia, se ha de disminuir el vapor de alimentación a la turbina para que no exista una sobrecarga en exceso en el escape de la turbina de vapor, lo cual significa que la potencia eléctrica generada en dicha turbina disminuye.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para completar la descripción que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor compresión de las características del invento, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma unas hojas de dibujos, cuya figura la representa el esquema de una central térmica para la producción de energía eléctrica, con la adición de la caldera solar, y con la introdución de los gases de escape de la turbina de gas en la caja de vientos de la caldera principal.
Figura 2a representa esquemáticamente la central en que la integración de energías se realiza fuera de la caldera.
REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
Como se ha dicho anteriormente en la parte expositiva de esta patente, la turbina de gas, es el elemento integrador de la energía solar con la energía de origen fósil, por lo que se debe dotar de esta para la realización propuesta, siempre que la central no disponga de ella, como suele ser lo habitual.
Así pues, la central eléctrica representada en la figura 1» integra la energía de origen solar con la fósil en el interior de la caldera, por lo que central solar (1) con su caldera (2) , recibe agua caliente proviniente del economizador (3) de la caldera (4) de la central, a través de la toma (9) . Este agua que llega a la caldera (2) suele estar sobre los 272SC y es calentada hasta 318BC, e introducida a través de la toma (10) a la zona del sobrecalentador (11), donde es sobrecalentada hasta los 538se y 101 Bar, junto con el resto de vapor generado en la caldera (4) estando así acondicionada para su utilización en la turbina de vapor (12) .
Por su parte, la turbina de gas (13) y através de la conducción (14) aporta sus gases de escape a la caja de vientos (15) . Otra opción de realización sería para aquellas centrales que por sus condiciones intrínsicas y/o por la del campo solar no pueda sobrecalentarse todo el vapor en la caldera principal, por lo que la integración se realiza fuera de esta.
En este caso, se dispone de una nueva caldera o caldera de recuperación (19) donde el vapor de origen solar a través de la conducción (20) , es sobrecalentada por la acción energética de los gases de escape de la turbina de gas (13) , hasta las condiciones requeridas por la turbina de vapor (12) , a la que llega sumado al originado en la caldera principal (4) , por la conducción (21) .
Los gases de escape (14) de la turbina de gas (13) a la salida de la caldera de recuperación (19) al igual que en la opción anterior, se introduce por la caja de vientos (15).
En todos los casos y como consecuencia de las fluctuaciones térmicas que se producen en el interior de la caldera (4) , la temperatura de salida de humos (16) de la combustión que se produce en el interior de la caldera (4) , también sufre fluctuaciones que puede ser aprovechada por un economizador de alta presión (17) instalado en paralelo con el quinto (5) y sexto (6) calentador de agua de alimentación a caldera (4) , pudiendo aquí alcanzar esta una temperatura entre 200 y 2302C. Como aún así la temperaruta de salida de los gases del economizador (17) suele estar alrededor de los 147se, se coloca un nuevo economizador (18) de baja presión instalado en paralelo con los condesadores segundo (7) y tercero (8) de agua de condensado.
Para poder analizar el aumento de rendimiento que se produce en las centrales eléctricas con el aporte de energía solar, a continuación se relacionan datos extraídos de una planta actual instalada en Huelva (España) , y los que se obtienen con la integración de energía solar, según la opción 2a de integración de energías dentro de la caldera.
PLANTA ACTUAL
Combustible en caldera: Fuel, Gas, Carbón. Ciclo de vapor con recalentamiento intermedio. Potencia eléctrica en bomas alternador: 68,4MW
Potencia térmica del combustible s/PCI: 178,6MWt Rendimiento eléctrico bruto S/PCI: 38,3% Vapor generado en caldera: 60,5 Kg/s
110 bar Vapor entrada turbina de vapor: 60 kg/s
101 bar 538fiC
OPERACIÓN CON SOL
Los principales parámetros del ciclo según cálculos previos realizados son :
Potencia en turbina de vapor: 59,4MW
Potencia turbina de gas: 23,7MW
Consumo combustible caldera s/PCI: 104,9M t
Consumo combustible turbina de gas: 70,0M t
Rendimiento bruto s/PCI: 47,3%
Caudal gases escape turbina de gas: 78,5 Kg/s
Temperatura de gases de escape: 540SC
Caudal de vapor a la entrada de la turbina de vapor: 45,28 Kg/s
Vapor generado en caldera solar: 13,9 Kg/S
Potencia térmica absobida por el fluido en la caldera solar: 21 MWt OPERACIÓN SIN SOL
Los principales parámetros del ciclo en este modo de operación son: Potencia en turbina de vapor: 59,4 MW
Potencia turbina de gas: 23,7 MW
Consumo combustible caldera s/PCI 127 MWt Consumo combustible turbina de gas: 70,0 MWt Rendimiento bruto s/PCI: 41,9% Caudal gases escape turbina de gas: 78,5 Kg/s
Temperatura de gases de escape: 540QC Caudal de vapor a la entrada de la turbina de vapor: 45,28 Kg/s
Vapor generado en caldera solar: 0 Kg/s. No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan.
Los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos serán susceptibles de variación siempre y cuando ello no suponga una alteración en la esencialidad del invento.
Los términos en que se ha redactado esta memoria deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no limitativo.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
ia.- Sistema para la integración de energía solar en una central térmica convencional de generación de energía eléctrica, que sirviendo para la utilización conjunta de energía solar y convencional y para ser utilizadas en centrales ya existentes dotadas o no con turbinas de gas, esencialmente se caracteriza porque, la integración puede realizarse dentro o fuera de la caldera principal (4) , pero siempre utilizando los gases de escape de una turbina de gas (13) para acondicionar al vapor de la caldera solar (2) a las necesidades de la turbina de vapor (12) , disponiéndose en el primero de los casos que estos gases
(14) se introduzcan simultánea y reguladamente en la zona de convención de la caldera (4) y en su caja de vientos
(15) y más ventajosamente en esta caja de vientos (15) únicamente, mientras que en la integración externa, estos gases (14) se introducen primero en una caldera de recuperación (19) y después en la caja de vientos, previéndose que el vapor generado en la caldera solar (2) se adicione al de la caldera (4) antes del sobrecalentador (11) en el primer caso, y a la salida de éste tras pasar por la caldera de recuperación (19) en el segundo.
2a.- sistema para la integración de energía solar en una cental térmica convencional de generación de energía eléctrica, según reivindicación l que se caracteriza porque el agua que le llega a la caldera solar (2) , en todos los casos proviene del economizador (3) de la principal (4) .
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