ES2555531A1 - Planta termosolar con generador de vapor supercrítico combinado - Google Patents

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Abstract

Planta termosolar con generador de vapor supercrítico combinado, que comprende: - un receptor (3) de concentración solar térmica, - un circuito por el que circula un primer fluido caloportador FC1, que pasa por el receptor (3) de concentración solar térmica - un circuito por el que circula un segundo fluido caloportador FC2, de modo que la temperatura de FC2 es menor que la temperatura de FC1, - un intercambiador de calor (4) entre ambos circuitos - un tren (7) de generación de vapor supercrítico, con entradas para FC1, FC2 y un fluido de trabajo FT, y que comprende varios intercambiadores de calor, y - un circuito correspondiente al fluido de trabajo FT, con al menos una turbina (8) que trabaja con el vapor supercrítico generado en el tren (7) de generación de vapor supercrítico, y un condensador (9), siendo los rangos óptimos de temperaturas de trabajo de FC1 y FC2 distintos, y existiendo un solapamiento entre ellos.

Description

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a) Hacia el tanque caliente de almacenamiento de FC2 donde es almacenado a Tc2
b) Hacia el tren de generación de vapor supercrítico, donde comunica energía al fluido de trabajo FT en el sobrecalentador de baja temperatura y en el recalentador de baja temperatura en paralelo, para juntarse a la salida de ambos y circular a través del evaporador y, a continuación, del economizador, reduciendo su temperatura hasta Tf2 a la salida del economizador , continuando hasta el tanque frío de almacenamiento de FC2.
-
El agua procedente del condensador es bombeada y enviada al tren de generación de vapor supercrítico
-
El agua es precalentada mediante una serie de precalentadores, de modo que alcanza una temperatura Tp.
-
El agua circula sucesivamente por el economizador, el evaporador, el sobrecalentador de baja temperatura y el sobrecalentador de alta temperatura, para llegar a condiciones supercríticas de presión y temperatura a la salida del sobrecalentador de alta temperatura .
-
El agua es enviada a la turbina de alta presión, donde realiza trabajo haciendo girar la turbina en torno a su eje.
-
El agua sale de la turbina de alta presión y es enviada de nuevo al tren de generación de vapor supercrítico, donde circula sucesivamente a través del recalentador de baja temperatura y del recalentador de alta temperatura, obteniéndose vapor sobrecalentado.
-
El vapor sobrecalentado es turbinado en una segunda turbina, expandiéndose y realizando trabajo de nuevo, hasta llegar finalmente al condensador.
El hecho de que cada uno de los fluidos caloportadores ceda su energía en un rango distinto de temperaturas permite alcanzar mayores temperaturas y presiones finales en el vapor, lo que se traduce en un aumento de la eficiencia del ciclo termodinámico.
La utilización de los dos fluidos caloportadores dota al sistema de una mayor libertad para el diseño, debido al hecho de que ambos fluidos caloportadores pueden operar en diferentes rangos de temperaturas y son coincidentes en una parte de dichos rangos. Ello permite cierta flexibilidad para poder optimizar el sistema de almacenamiento térmico en función de los costes de cada uno de los fluidos caloportadores.
El hecho de trabajar con un ciclo supercrítico permite obtener un rendimiento del ciclo varios puntos por encima del rendimiento de los ciclos subcríticos, (se incrementa del 42% a más del 48%); ello implica un incremento en la producción cercano al 15%. El hecho de incrementar el rendimiento en el ciclo permite ir a menores tamaños en los equipos empleados en la planta, es decir, que para conseguir una misma potencia térmica de planta que con un ciclo subcrítico, con el ciclo supercrítico podemos emplear menores tamaños del receptor, así como menor tamaño de campo solar y menor número de heliostatos para una potencia eléctrica dada. Esto supone un ahorro importante no solo en coste, sino también en espacio, por lo que se puede construir plantas solares en fincas más pequeñas.
Asimismo, el hecho de tener dos circuitos con fluidos caloportadores que generan vapor otorga cierta redundancia al sistema, permitiendo el funcionamiento de la planta a carga parcial en el caso de que uno de los circuitos anteriores falle.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa y no limitativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Fig. 1: muestra un esquema de una planta termosolar según una realización de la invención.
Fig. 2: muestra un esquema detallado del tren de generación de vapor supercrítico combinado de la planta termosolar de la invención.
Fig. 3: muestra la evolución de las temperaturas de uno de los fluidos caloportadores de la invención, de un fluido del estado de la técnica y del fluido de trabajo FT en el ciclo de trabajo.
Las referencias de las figuras 1 y 2 corresponden a los siguientes elementos:
1.
Tanque frío de almacenamiento en sales (primer fluido caloportador FC1)
2.
Tanque caliente de almacenamiento en sales (primer fluido caloportador FC1)
3.
Receptor solar de sales fundidas (primer fluido caloportador FC1)
4.
Intercambiador de calor sales-sales (primer fluido caloportador FC1 – segundo fluido caloportador FC2)
imagen6
(FC2) es calentado a partir del primero en un intercambiador de calor 4. Ambos fluidos cederán su energía térmica al fluido de trabajo (FT) del sistema, que preferentemente es agua, y lo harán en un generador de vapor. Sin embargo, cada uno de los fluidos caloportadores cederá su energía en un rango distinto de temperatura, permitiendo de este modo alcanzar mayores temperaturas y presiones finales en el vapor, lo que se traduce en un aumento de la eficiencia del ciclo termodinámico. A continuación, se producirá la transformación de la energía térmica comunicada al vapor en energía mecánica, y posteriormente en energía eléctrica gracias al movimiento del eje de una turbina 8, solidario al del correspondiente generador. Estas elevadas temperaturas y presiones (supercríticas) en el vapor permiten alcanzar unos rendimientos del ciclo termodinámico Rankine mayores que los obtenidos actualmente.
El primer fluido caloportador FC1 que circula por el receptor 3 se calienta en un determinado rango de temperaturas siendo este intervalo entre 450ºC y 700ºC, inferior al de los receptores convencionales de sales fundidas que trabajan de 290ºC a 565ºC. Este menor gradiente
o diferencia de temperaturas en la dirección longitudinal de los tubos del receptor 3 hace que se alcance una mayor homogeneización de las temperaturas en cada uno de los paneles de receptor 3 y por tanto que las tensiones térmicas del material sean inferiores.
Además, este primer fluido caloportador FC1 permite almacenar la energía térmica a muy alta temperatura (650 ºC - 700 ºC) debido a que presenta un elevado poder calorífico igual o superior a los 1,54 kJ/kgC a 565ºC de los fluidos del estado del arte, e igual o superior al del segundo fluido caloportador FC2 en un 20%.
Por otro lado, el segundo fluido caloportador FC2 trabaja en un rango de temperaturas diferente al del primer fluido caloportador FC1, permitiendo el almacenamiento energético a (450 ºC - 565 ºC) y, por consiguiente, la optimización del almacenamiento energético.
La utilización de ambos fluidos caloportadores dota al sistema descrito de una mayor libertad para el diseño, debido a que ambos fluidos, pudiendo operar en diferentes rangos de temperatura, son además coincidentes en una parte de dicho rango. En el caso del primer fluido caloportador FC1 de la invención, éste opera en un rango óptimo de 450ºC-700ºC, mientras que el segundo fluido caloportador FC2 de nuestra invención opera de manera óptima en un rango de temperatura de 290ºC-565ºC, coincidiendo por lo tanto en un rango de temperaturas en el que se puede operar con ambos fluidos caloportadores (450ºC565ºC). Este solapamiento nos confiere cierta flexibilidad para poder optimizar en el momento de diseño de la planta, el sistema de almacenamiento térmico en función del coste de
cada uno de los reactivos ($/kWht), puesto que dependiendo del coste de los fluidos empleados, se puede utilizar mayor o menor cantidad de uno u otro fluido en el sistema. Teniendo en cuenta esto, y que la temperatura de almacenamiento del tanque frío de almacenamiento 1 del primer fluido caloportador FC1 y la temperatura de almacenamiento del tanque caliente de almacenamiento 6 del segundo fluido caloportador FC2 son coincidentes, podemos variar el valor de éstas dependiendo de cuál sea el fluido de mayor coste.
Para el caso, por ejemplo, en el que el primer fluido caloportador FC1 sea de un coste más elevado que el segundo fluido caloportador FC2, la diferencia de temperatura entre el tanque frío 1 y el tanque caliente 2 del fluido FC1 sería menor que la diferencia de temperatura entre el tanque frío 5 y el tanque caliente 6 del fluido FC2 (por ejemplo 565ºC para el tanque frío 1 y 700 ºC para el tanque caliente 2 del fluido FC1, frente a 250º del tanque frío 5 y 565ºC del tanque caliente 6 del fluido FC2, de manera que se utilice menos cantidad de fluido FC1 que de fluido FC2 en el sistema por ser éste más caro. Por el contrario, en el caso de que el fluido FC1 tenga un coste inferior al fluido FC2 la diferencia de temperatura entre el tanque frío 1 y el tanque caliente 2 del fluido FC1 sería mayor que la diferencia de temperatura entre el tanque frío 5 y el tanque caliente 6 del fluido FC2, usando así menos cantidad del fluido FC2 que del fluido FC1 (tanque frío 1 a 450ºC y tanque caliente 2 a 700ºC para el fluido FC1, y tanque frío 5 a 290ºC y tanque caliente 6 a 450ºC para el fluido FC2).
La combinación de estos fluidos en el tren 7 de generación de vapor supercrítico permite finalmente trabajar con un ciclo de vapor supercrítico de muy alta eficiencia, superior al 48%. En particular, un ciclo de estas características exige unas presiones y temperaturas de trabajo superiores a lo habitual (por encima de los 240 bares, preferentemente en un rango de presión de 260 - 350 bares y en un rango de temperaturas de 620 ºC - 680 ºC), que, con la configuración típica de tren de generación de vapor con los fluidos convencionales, no resultaría óptimo desde un punto de vista de la diferencia de temperaturas a la entrada y a la salida del SGS (sistema de generación de vapor).
Concretamente, según podemos observar en la figura 3, la diferencia de temperatura (T1-T3) entre un fluido caloportador del estado del arte y el fluido de trabajo FT (preferentemente, agua) a la salida del economizador 70, y la diferencia de temperatura (T2-T3) entre un fluido de la invención y el agua a la salida del economizador 70, es mucho mayor para el caso del fluido del estado del arte, lo que implica que en ese caso, no se está optimizando el uso de dicho intercambiador 4, teniendo que emplear una mayor cantidad de fluido del esta
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do del arte para alcanzar la misma temperatura de fluido de trabajo FT que en el caso de nuestra invención con uno o varios de los fluidos mencionados FC1, FC2.
Para que todas las ventajas anteriormente explicadas se puedan combinar, se incorporan algunos equipos clave en el funcionamiento de la planta:
- Un intercambiador de calor 4 entre ambos fluidos caloportadores FC1 y FC2.
-
Cuatro tipos de tanques de almacenamiento energético, dos tanques fríos 1, 5 y dos tanques calientes 2, 6. El almacenamiento se realiza con dos fluidos caloportadores FC1 y FC2 diferentes, presentando ambos una buena capacidad calorífica (preferentemente igual o superior a 1,54 kJ/kgC a 565ºC).
-
Un tren 7 de generación de vapor supercrítico compartido (con dos fluidos caloportadores FC1 y FC2 y un fluido de trabajo FT).
El funcionamiento normal de la planta sería entonces de la siguiente manera:
El primer fluido caloportador FC1 es bombeado desde su tanque de almacenamiento frío 1 donde puede encontrarse a una temperatura Tf1 (temperatura fría del fluido FC1) de entre 450 ºC y 565 ºC hasta lo alto de la torre, donde recoge la radiación concentrada y eleva su temperatura hasta Tr (temperatura del receptor) de entre 650 ºC - 700 ºC. Posteriormente, se circula este fluido FC1 por tres caminos diferentes: uno hacia el generador de vapor supercrítico, otro hacia el intercambiador de calor 4 con el segundo fluido caloportador FC2 y finalmente, otro hacia el tanque de almacenamiento caliente 2 a muy alta temperatura Tc1 (temperatura caliente del fluido FC1) de entre 650 ºC y 700 ºC.
Por otro lado, el segundo fluido caloportador FC2 alojado en su correspondiente tanque frío 5 a una Tf2 (temperatura fría del fluido FC2) de 290 ºC será bombeado para hacerlo circular por el intercambiador de calor 4 donde recogerá la energía que le ceda el primer fluido caloportador FC1, elevando su temperatura hasta el valor deseado Tc2 (temperatura caliente del fluido FC2) de entre 450 ºC - 565 ºC. A continuación, seguirá dos caminos: uno hacia el generador de vapor supercrítico y otro hacia su tanque de almacenamiento caliente 6.
De esta manera, se estará almacenando la energía necesaria para permitir continuar con la producción de electricidad después de que se haya puesto el sol.
La configuración de planta propuesta cuenta con los siguientes elementos:
-Tanque frío de almacenamiento 5 en sales (segundo fluido caloportador FC2)
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-Tanque caliente de almacenamiento 6 en sales (segundo fluido caloportador FC2)
-Tanque frío de almacenamiento 1 en sales (primer fluido caloportador FC1)
-Tanque caliente de almacenamiento 2 en sales (primer fluido caloportador FC1)
-Receptor solar 3 de sales fundidas (primer fluido caloportador FC1)
-Intercambiador de calor 4 sales-sales (primer fluido caloportador FC1 – segundo fluido caloportador FC2)
-Tren 7 de generación de vapor supercrítico combinado, sales-vapor (primer fluido caloportador FC1 – vapor; segundo fluido caloportador FC2 – vapor)
En una realización preferente, la configuración sería la mostrada en la figura 1.
En dicha figura 1 se observa que a la salida de cada uno de los tanques fríos de almacenamiento 1, 5 y a la salida de cada uno de los tanques calientes de almacenamiento 2, 6 hay una bomba 10, permitiendo estas bombas 10 el bombeo del primer fluido caloportador FC1 y del segundo fluido caloportador FC2 en sus respectivos circuitos.
La figura 2 muestra el detalle de cómo sería el tren 7 de generación de vapor supercrítico combinado. Se describe a continuación cómo sería el funcionamiento del sistema en conjunto.
En primer lugar, las sales fundidas (fluido FC1) almacenadas a una temperatura Tf1 de 550 ºC en un tanque 1, son bombeadas a lo alto de la torre donde se encuentra un receptor solar
3. Dicho receptor solar 3 está constituido preferentemente por paneles formados a su vez por tubos verticales. La radiación solar es concentrada en la superficie exterior de estos tubos, comunicando la potencia necesaria para acometer el salto de temperatura deseado en el fluido FC1, alcanzando los 650 ºC (Tr) a la salida del receptor 3. Tras esto, el fluido FC1 ya caliente es circulado hacia tres equipos diferentes. Por un lado, se envía al intercambiador de calor 4, donde se enfriará hasta aproximadamente 550 ºC (Tf1), para ser reconducido después al tanque de almacenamiento frío 1. Por otro lado, se envía al tren 7 de generación de vapor supercrítico entrando en nuestra realización preferente a 650 ºC, donde comunica energía en dos de los equipos: el sobrecalentador de alta temperatura 73 y el recalentador de alta temperatura 75, enfriándose también hasta 550 ºC (Tf1) para ser reconducido igualmente al tanque de almacenamiento frío 1. Por último, el tercero de los caminos tras el receptor solar 3 es enviar parte de este fluido FC1 directamente al tanque de almacenamiento caliente 2, donde será almacenado a 650 ºC para disponer de él cuando no haya aporte
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