ES2635107T3 - Central termoeléctrica de vapor con una segunda turbina de baja presión y un sistema de condensación adicional y procedimiento para la operación de dicha central termoeléctrica de vapor - Google Patents

Central termoeléctrica de vapor con una segunda turbina de baja presión y un sistema de condensación adicional y procedimiento para la operación de dicha central termoeléctrica de vapor Download PDF

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Abstract

Una central termoeléctrica de vapor que comprende al menos una turbina de vapor (20) que comprende: una primera turbina (7) de baja presión; y una segunda turbina (21) de baja presión, caracterizada por que comprende: un sistema (13, 15) de condensación en húmedo principal para refrigerar el gas de escape procedente de la primera turbina (7) de baja presión; y un segundo sistema (25) de condensación en seco para refrigerar el gas de escape procedente de la segunda turbina (21) de baja presión.

Description

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DESCRIPCION
Central termoelectrica de vapor con una segunda turbina de baja presion y un sistema de condensacion adicional y procedimiento para la operacion de dicha central termoelectrica de vapor.
La invencion reivindicada esta relacionada con una central termoelectrica de vapor que incluye al menos una y preferiblemente mas de una turbina de vapor que estan conectadas a un sistema de condensacion (principal).
Las centrales termoelectricas de vapor comprenden una o mas turbinas de vapor, tambien denominadas como "unidades". Cada unidad comprende una turbina de alta presion, una turbina de presion intermedia y una turbina de baja presion. El vapor expandido es conducido por un escape de vapor desde la turbina de baja presion a un condensador. El condensador esta conectado a un sistema de refrigeracion, por ejemplo una torre de refrigeracion humeda. Las torres de refrigeracion humedas tienen un gran rendimiento de refrigeracion, pero requieren agua de refrigeracion.
En caso de que la central termica comprenda mas de una turbina en la mayor parte de los casos el escape de todas las turbinas es conectado a un sistema de condensacion principal. Esta implantacion es apropiada si hay disponible suficiente agua de refrigeracion para condensar el vapor.
Hoy en dfa hay una necesidad creciente para adaptar el regimen operativo de centrales termicas existentes a condiciones lfmites cambiantes, resultantes por ejemplo del cambio climatico o de restricciones medioambientales. Especialmente el suministro de agua restringido estacional y una escasez en la recuperacion de agua de refrigeracion resultante del mismo, han conducido a las centrales termicas a reducciones de carga forzadas.
El documento US 2010/0287935 A1 que ayuda en la carga de un fluido de trabajo. El sistema proporciona una primera parte del fluido de trabajo a una primera turbina de baja presion y una segunda parte del fluido de trabajo a una segunda turbina de baja presion. Un primer fluido de escape de la primera turbina de baja presion es proporcionado a un primer condensador. Un segundo fluido de escape de la segunda turbina de baja presion es proporcionado a un segundo condensador. El refrigerante puede ser proporcionado tanto al primer como al segundo condensador en donde el refrigerante puede ser proporcionado desde una torre de refrigeracion o del aire ambiente.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
Consecuentemente, es un objeto de la invencion reivindicada proporcionar una central termoelectrica de vapor con una dependencia reducida de la salida electrica a partir de los recursos de agua de refrigeracion disponibles.
En otras palabras: la central termoelectrica de vapor de acuerdo con la invencion deberfa ser capaz de mantener una elevada salida de electricidad, incluso si la capacidad de refrigeracion del condensador regular es reducida debido a la escasez temporal de agua de refrigeracion.
Otro objeto de la invencion es reducir el consumo de agua de refrigeracion de la central termica.
Estos objetivos son conseguidos por medio de una central termoelectrica de vapor como se ha definido en la reivindicacion 1 independiente, comprendiendo al menos una turbina de vapor una turbina de baja presion y un sistema de condensacion principal, anadiendo una segunda turbina de baja presion y un segundo sistema de condensacion, que es preferiblemente un condensador refrigerado por aire (ACC).
En caso de escasez de agua de refrigeracion, al menos una parte del vapor procedente de una turbina de presion intermedia puede ser conducido a la segunda turbina de baja presion y despues de haber sido expandido ser condensado en el segundo sistema de condensacion. Como resultado incluso si la capacidad de refrigeracion del sistema de condensacion principal no es suficiente debido al flujo insuficiente de agua de recuperacion, el segundo sistema de condensacion es capaz de manipular el flujo de entalpfa cuando la salida de potencia no sea reducida.
El sistema existente sera descargado con un segundo disipador termico, que es independiente de la disponibilidad de agua, el sistema necesitana ser hecho funcionar en una contrapresion de la turbina de baja presion mas elevada para ser capaz de equilibrar en paralelo un sistema de refrigeracion en humedo y en seco. Como el segundo disipador termico esta desacoplado del sistema de condensacion y refrigeracion principal en esta disposicion, el segundo disipador termico puede estar disenado y ser operado a una presion diferente, presumiblemente mas elevada, que el disipador termico principal.
Esta disposicion mejora la flexibilidad de funcionamiento de la central termoelectrica de vapor, ya que, si la temperatura ambiente es lo bastante baja y solamente hay disponible una pequena cantidad de agua de refrigeracion, la segunda turbina de baja presion y el segundo sistema de condensacion pueden ser activados y consecuentemente la salida de electricidad de la central termoelectrica de vapor es reducida solo un poco, incluso aunque la central termica tenga escasez de agua de refrigeracion.
Una realizacion preferida del segundo sistema de condensacion de la invencion reivindicada es de tipo de refrigeracion sin evaporacion y/o de proceso directo para conseguir un rendimiento de refrigeracion elevado sin consumo adicional de
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agua de refrigeracion.
La segunda turbina de baja presion reivindicada puede ser conectada a la turbina por medio de una pieza de derivacion en la tubena de rebose entre la turbina de presion intermedia y la primera turbina de baja presion. Para ser capaz de controlar el flujo de vapor a la primera turbina de baja presion y/o a la segunda turbina de baja presion hay instalada una primera valvula de control entre la pieza de derivacion y la primera turbina de baja presion. Ademas, una segunda valvula de control esta instalada entre la pieza de derivacion y la segunda turbina de baja presion.
Desde luego son posibles otros disenos que permiten el control del flujo de vapor a traves de la primera turbina de baja presion y/o de la segunda turbina de baja presion.
Para ser capaz de controlar el rendimiento de refrigeracion del segundo sistema de condensacion el segundo sistema de condensacion comprende un ventilador, preferiblemente un ventilador de velocidad variable. Un ventilador de velocidad variable permite controlar el rendimiento de refrigeracion del segundo sistema de condensacion combinado con un consumo mmimo de energfa del ventilador.
En una realizacion preferida de una central termoelectrica de vapor con varias turbinas o unidades cada una de las cuales comprende una turbina de alta presion, una turbina de presion intermedia y una turbina de baja presion y todas las cuales estan conectadas al tema de condensacion principal.
Al menos una de estas turbinas comprende una segunda turbina de baja presion y segundo sistema de condensacion. Este diseno permite suministrar todas las turbinas excepto la que tiene la segunda turbina de baja presion, con capacidades de refrigeracion procedentes del sistema de condensacion principal y solamente una turbina, que ha de ser equipada con un segundo sistema de condensacion.
Esto significa, que la instalacion adicional es mas bien baja, ya que solamente se requiere una sistema de condensacion para toda la central termica y la salida electrica de la central termica puede ser mantenida a un nivel elevado, incluso si hay una escasez de agua de refrigeracion.
Una realizacion ejemplar de la invencion es explicada en los dibujos y su descripcion.
DIBUJOS
Los dibujos muestran
La fig. 1 una central termoelectrica de vapor convencional con tres o mas turbinas de vapor.
La fig. 2 dos diagramas graficos que ilustran la reduccion de la salida de potencia debido a la escasez de agua de refrigeracion.
La fig. 3 una turbina de vapor con dos turbinas de baja presion y un segundo sistema de refrigeracion, y
La fig. 4 un diagrama grafico que ilustra la salida de potencia de la central termoelectrica de vapor reivindicada en caso de escasez de agua de refrigeracion.
DESCRIPCION DE LAS REALIZACIONES
La fig. 1 es una ilustracion esquematica de una turbina de vapor convencional 1.1. En esta realizacion ejemplar, la turbina 1 de vapor es del tipo de un solo arbol y multiples presiones y comprende una turbina 3 de alta presion, una turbina 5 de presion intermedia, una turbina 7 de baja presion y un generador G.
La turbina 7 de vapor de baja presion es suministrada con vapor por un tubo 9 de rebose. Este tubo 9 de rebose conecta la turbina de presion intermedia con la turbina 7 de vapor de baja presion. Un escape 11 conecta la turbina 7 de vapor de baja presion con el sistema 13 de condensacion principal. Despues de la expansion del vapor en la turbina 7 de baja presion el vapor entra en el condensador 13 con una presion de aproximadamente 0,03 bar a 0,1 bar. El sistema 13 de condensacion principal puede ser del tipo de condensador de superficie que esta conectado con un sistema 15 de refrigeracion en humedo, por ejemplo una torre de refrigeracion de tiro natural o mecanico. Aguas abajo del sistema 13 de condensacion principal hay una bomba 14 de condensador que entrega el vapor condensado a un tren 16 de precalentamiento de baja presion y al deposito 18 de agua de alimentacion.
Despues o aguas abajo del deposito 18 de agua de alimentacion otra bomba 22 de agua de alimentacion esta aumentando la presion del condensado (desde aqrn en adelante denominado agua de alimentacion) al nivel requerido y bombear el agua de alimentacion a traves de los precalentadores 24 de alta presion a la caldera 17.
Grandes estaciones generadoras o centrales termoelectricas comprenden varios de los procesos de ciclo del Rankine descritos (o turbinas 1); cada proceso con su propia caldera y disipador termico. En esta descripcion ejemplar la estacion generadora se supone que consiste en tres unidades. Desde luego, son posibles tambien otros numeros de unidades.
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La fig. 2a muestra un diagrama de barras de una central termoelectrica con tres unidades 1, 2 y 3 con la misma disposicion y capacidad. Cada una de las unidades esta conectada a un disipador termico individual que se supone es un sistema de refrigeracion por evaporacion humedo, por ejemplo una torre de refrigeracion de tiro natural o mecanico.
La fig. 2a ilustra el caso en el que hay bastante agua de refrigeracion disponible y las unidades 1, 2 y 3 funcionan a plena carga, dando como resultado un gran salida de 1980 MWelectric de las tres unidades 1,2 y 3.
La fig. 2b ilustra el caso en el que no hay bastante agua de refrigeracion disponible y las unidades 1, 2 y 3 estan conectadas al sistema 15 de refrigeracion principal. Como el sistema 15 de refrigeracion principal opera a carga reducida debido a la escasez de agua de refrigeracion, la salida electrica de las unidades 1, 2 y 3 es de solamente de 1380 MWelectric, que es una reduccion de mas del 25% comparada con 1980 MWelectric en caso de suficiente agua de refrigeracion.
En la fig. 3 se ha ilustrado una turbina 20 de vapor de acuerdo con la invencion. La turbina 20 de vapor comprende ademas de la (primera) turbina 7 de baja presion una segunda turbina 21 de baja presion y segundo generador G2.
No se han mostrado en la fig. 3 la bomba 14 de condensado, el tren 16 de precalentamiento de baja presion, el deposito 18 de agua de alimentacion, la bomba 22 de agua de alimentacion y los precalentadores 24 de alta presion, que son similares a los explicados en combinacion con la fig. 1.
El escape de la turbina 21 de baja presion, que puede ser una turbina de flujo individual o doble con escape axial o radial, esta conectado a un condensador 25 refrigerado por aire. El segundo condensador 25 comprende usualmente un ventilador 27 que fuerza el aire ambiente a traves de los elementos 26 de intercambiador de calor aire-vapor condensando asf el vapor de baja presion de la segunda turbina 21 de vapor de baja presion sin ningun consumo de agua de refrigeracion.
El ventilador 27 comprende preferiblemente un accionamiento de velocidad variable que permite el control del rendimiento de la refrigeracion y el consumo resultante de energfa electrica a un optimo economico y/o termodinamico.
El tubo 9 de rebose comprende una pieza 29 de derivacion que conduce el vapor desde la turbina 5 de presion intermedia bien a la primera turbina 7 de baja presion o bien a la segunda turbina 21 de baja presion.
Entre la pieza de derivacion 29 y la primera turbina 7 de baja presion el tubo 9 de rebose comprende una primera valvula de control 31. Entre la pieza de derivacion 29 y la segunda turbina 21 de baja presion el tubo 9 de rebose comprende una segunda valvula de control 33. Las valvulas de control 31, 33 permiten controlar la cantidad de vapor que entra en la primera y en la segunda turbinas 7 y 21 de baja presion.
Como la segunda turbina 21 de baja presion y el segundo generador G2 estan conectados con la turbina 20 solo por medio del tubo de rebose, el rendimiento, numero de revoluciones y otras caracterfsticas de la segunda turbina 21 de baja presion y del segundo generador G2 puede ser disenados independientes de la primera turbina 7 de baja presion dando como resultado un comportamiento y eficiencia optimizados de la segunda turbina 21 de baja presion, el segundo generador G2 y el segundo sistema 25 de condensacion.
En caso de que una central termoelectrica de vapor comprenda mas de una unidad, en la mayor parte de los casos es suficiente equipar una unidad con una turbina 20 que comprende una segunda turbina 21 de baja presion, un segundo generador G2 y segundo condensador 25. Las otras unidades pueden estar equipadas como se ha ilustrado en la fig. 1.
Esto da como resultado unos costes totales reducidos para la central termoelectrica y no obstante los efectos positivos del equipo adicional.
Estos efectos positivos son explicados subsiguientemente de manera ejemplar en combinacion con la fig. 4. La fig. 4 muestra un diagrama de barras de una central termoelectrica que comprende tres unidades 1, 2 y 3. Las unidades 1 y 2 pueden estar equipadas con una turbina 1 como se ha ilustrado en la fig. 1. La unidad 3 ha de ser equipada con una turbina 20 como se ha ilustrado y explicado en combinacion con la fig. 3.
Para permitir una comparacion de la invencion reivindicada con una central termoelectrica de vapor de la tecnica anterior se ha asumido que las unidades 1, 2 y 3 de la fig. 4 han de ser hechas funcionar bajo las mismas circunstancias (escasez de agua) que las unidades 1, 2 y 3 de la fig. 2b.
Mirando ahora a la fig. 4 puede verse que el agua de refrigeracion disponible esta distribuida a las unidades de una manera diferente:
Las unidades 1 y 2 son suministradas completamente con el agua de refrigeracion que necesitan y el resto del agua de refrigeracion disponible es entregado a la unidad 3.
La demanda 35 de refrigeracion residual es entregada por el segundo condensador 25 de la segunda turbina 21 de baja presion. Esto significa que las tres unidades 1,2 y 3 pueden ser hechas funcionar a plena carga.
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Como la segunda turbina 21 de LP tiene una mayor contrapresion, debido al disipador termico refrigerado por aire, la salida de potencia de la unidad 3 es menor que si fuera hecha funcionar una turbina 7 de LP enfriada completamente humeda. Ademas un consumo de electricidad parasito incrementado es anadido al equilibrio de la central termoelectrica por medio de ventiladores 27 para el equipo de refrigeracion de aire y las bombas en el sistema de condensado. La salida de potencia de la red electrica de 1870 MWe de las unidades 1, 2 y 3 de turbina es reducida comparada a la salida de potencia electrica de 1980 MWe, de las unidades 1, 2 y 3 sin restricciones de agua de refrigeracion.
Pero la salida de potencia electrica esta un 45% por encima de la salida de potencia electrica en la central termoelectrica de la tecnica anterior con las unidades 1, 2 y 3 con escasez de agua de refrigeracion (vease la salida de potencia de las figs. 2b y 4).
En otras palabras: una central termoelectrica de vapor de acuerdo con la invencion, puede mantener su salida electrica a un nivel elevado, incluso si el agua de refrigeracion es escasa.
Como la unica conexion entre la segunda turbina 21 de baja presion y el sistema 25 de condensacion adicional y la central termoelectrica de vapor es el tubo 9 de rebose, simplemente no existen restricciones con respecto al espacio disponible y al lugar en el que la segunda turbina 21 de baja presion y el segundo condensador 25 estan situados.
Esto significa que la invencion reivindicada puede ser realizada incluso bajo condiciones diffciles, en tanto en cuanto se refiere al espacio disponible. La invencion reivindicada es muy adecuada como una actualizacion de las centrales termoelectricas de vapor existentes. Esto significa que la invencion reivindicada puede ser realizada no solamente en nuevos disenos de turbina de vapor de baja presion, sino que es una solucion de actualizacion para las centrales termoelectricas de vapor existentes, lo que puede conducir a una salida de electricidad igual o mejorada, incluso si la capacidad del sistema de condensacion principal es reducida debido a restricciones en el agua de refrigeracion.
La flexibilidad de la invencion reivindicada es bastante elevada por las siguientes razones:
La contrapresion, a la que estara conectado el disipador termico adicional, sera disenada considerando los requerimientos de la instalacion de potencia individual.
Con la reduccion de carga del condensador existente, es tambien posible maximizar la salida de potencia con un consumo limitado de recuperacion de agua de refrigeracion.
Cuando el objetivo es reducir el consumo de agua de refrigeracion, el sistema de refrigeracion adicional sera del tipo sin evaporacion. El beneficio principal en este contexto es, que un sistema de condensacion adicional permitina superar las restricciones de carga existentes para un cierto consumo de agua de refrigeracion.
La solucion descrita mantiene, o incluso mejora la flexibilidad de operacion de la central. La turbina 21 de baja presion adicional y el sistema de condensacion 25 pueden ser puestos fuera de servicio sin comprometer al rendimiento de la central comparado con el estado anterior a la modificacion.
Por ejemplo cuando hay disponible suficiente agua de recuperacion para el sistema de condensacion principal, el sistema de condensacion adicional podrfa ser puesto fuera de servicio y la central volvena a sus parametros operativos originales.
En caso de que la primera turbina 20 de LP debiera ser calzada o no hubiera disponible suficiente capacidad de condensacion, el nivel de salida de MW total podrfa incluso ser incrementado cuando se hace disponible mas capacidad de condensacion.
La segunda turbina 21 de LP, a la que esta conectado el disipador termico adicional, puede estar disenada para optimizar la presion de escape para un equipamiento de refrigeracion seco, ya que la superfine del intercambiador de calor requerida es reducida con una mayor presion de extraccion.
La tecnologfa del condensador del sistema 25 de condensacion adicional puede seguir todos los principios funcionales posibles pero tendra casi con toda certeza que tener un disipador termico sin evaporacion, cuando el proposito es reducir el consumo de agua de refrigeracion.
El sistema 25 de condensacion adicional podrfa estar colocado en cualquier lugar, pero preferiblemente junto a la turbina 21 de LP para mantener bajas las perdidas de presion en los conductos de vapor.
El condensado cuando se produce en el sistema 25 de condensacion adicional, sera realimentado al ciclo de vapor de agua existente en el punto de toma apropiado.
El sistema descrito consiste de los siguientes componentes principales:
• Segunda turbina 21 de baja presion,
• Segundo generador G2,
• Segundo sistema 25 de condensacion,
• Pieza 29 de derivacion y
• Valvulas de control 31, 33.
Como se ha mostrado en la fig. 3 y se ha explicado anteriormente la reivindicacion incluye la instalacion de cualquier 5 clase de disipador termico adicional a la segunda turbina 21 de baja presion (escape o extraccion), por ejemplo, refrigeracion sin evaporacion, refrigeracion de proceso directo, etc. con el condensador apropiado, por ejemplo condensador de tubo de superficie, condensador de chorro, condensador refrigerado por aire, etc.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una central termoelectrica de vapor que comprende al menos una turbina de vapor (20) que comprende: una primera turbina (7) de baja presion; y
    una segunda turbina (21) de baja presion, caracterizada por que comprende:
    un sistema (13, 15) de condensacion en humedo principal para refrigerar el gas de escape procedente de la primera turbina (7) de baja presion; y
    un segundo sistema (25) de condensacion en seco para refrigerar el gas de escape procedente de la segunda turbina (21) de baja presion.
  2. 2. La central termoelectrica de vapor segun la reivindicacion 1, caracterizada por que el segundo sistema (25) de condensacion en seco es del tipo de refrigeracion sin evaporacion y/o del tipo de refrigeracion de proceso directo.
  3. 3. La central termoelectrica de vapor segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizada por que la turbina (20) comprende una turbina (3) de alta presion y una turbina (5) de presion intermedia, estando la turbina (5) de presion intermedia y la primera turbina (7) de baja presion conectadas por un tubo (9) de rebose.
  4. 4. La central termoelectrica de vapor segun la reivindicacion 3, caracterizada por que la segunda turbina (21) de baja presion esta conectada al tubo (9) de rebose.
  5. 5. La central termoelectrica de vapor segun la reivindicacion 4, caracterizada por que el tubo (9) de rebose comprende una pieza (29) de derivacion.
  6. 6. La central termoelectrica de vapor segun la reivindicacion 5, caracterizada por que entre la pieza de derivacion (29) y la primera turbina (7) de baja presion hay instalada una primera valvula (31) de vapor.
  7. 7. La central termoelectrica de vapor segun la reivindicacion 5 o 6, caracterizada por que entre la pieza de derivacion (29) y la segunda turbina (21) de baja presion hay instalada una segunda valvula (33) de vapor.
  8. 8. La central termoelectrica de vapor segun las reivindicaciones 6 y 7, caracterizada por que un medio de control controla la primera valvula (31) de vapor y la segunda valvula (33) de vapor dependiendo del lfquido disponible para el sistema (13, 15) de condensacion en humedo principal.
  9. 9. La central termoelectrica de vapor segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el segundo sistema (25) de condensacion en seco comprende un ventilador (27) para enfriar el gas de escape de la segunda turbina (21) de baja presion utilizando un gas.
  10. 10. La central termoelectrica de vapor segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el segundo sistema (25) de condensacion en seco utiliza aire para enfriar el gas de escape de la segunda turbina (21) de baja presion.
  11. 11. La central termoelectrica de vapor segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende mas de una unidad (1, 2, 3) y porque una o mas unidades (3) comprenden una turbina de vapor (20) con una segunda turbina (21) de baja presion y segundo sistema (25) de condensacion.
  12. 12. Un metodo para hacer funcionar una central termoelectrica de vapor que comprende al menos una turbina (20) de vapor que comprende:
    proporcionar una primera parte de un gas de escape a una primera turbina (7) de baja presion; y
    proporcionar una segunda parte del gas de escape a una segunda turbina (21) de baja presion, caracterizado por que comprende:
    refrigerar el gas de escape procedente de la primera turbina (7) de baja presion por un sistema (13, 15) de condensacion en humedo principal y refrigerar el gas de escape procedente de la segunda turbina (21) de baja presion por un segundo sistema (25) de condensacion en seco.
  13. 13. El metodo segun la reivindicacion 12, caracterizado por que el segundo sistema (25) de condensacion en seco es del tipo de refrigeracion sin evaporacion y/o de refrigeracion de proceso directo.
  14. 14. El metodo segun la reivindicacion 12 o 13, caracterizado por que controlar la cantidad de gas de escape proporcionada a cada una de la primera turbina (7) de baja presion y a la segunda turbina (21) de baja presion depende del lfquido disponible para el sistema (13, 15) de condensacion en humedo principal.
  15. 15. El metodo segun una de las reivindicaciones 12 -14, caracterizado por que el segundo sistema (25) de condensacion
    7
    en seco comprende un ventilador (27) para enfriar el gas de escape de la segunda turbina (21) de baja presion utilizando un gas.
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