ES2954106T3 - Sistema combinado de generación de turbina de gas y vapor de ciclo Brayton/Rankine operado en dos circuitos cerrados - Google Patents

Sistema combinado de generación de turbina de gas y vapor de ciclo Brayton/Rankine operado en dos circuitos cerrados Download PDF

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Abstract

Un sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado, que comprende un conjunto de turbina de gas (que comprende una cámara de combustión, un compresor, una primera bomba, un primer eje de transmisión, una turbina de gas y un primer generador) y un conjunto de turbina de vapor (que comprende una segunda bomba). , un segundo eje de transmisión, una turbina de vapor y un segundo generador). Dicha primera porción de dicho fluido de trabajo circula a través de dicho conjunto de turbina de gas y un primer intercambiador de calor. Dicha segunda porción de dicho fluido de trabajo circula a través de dicho conjunto de turbina de vapor y dicho primer intercambiador de calor. Dicho primer intercambiador de calor transfiere una primera energía térmica desde dicho circuito de turbina de gas a dicho circuito de turbina de vapor. Dicho conjunto de turbina de gas genera una primera porción de una producción eléctrica. Dicho conjunto de turbina de vapor genera una segunda parte de dicha producción eléctrica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema combinado de generación de turbina de gas y vapor de ciclo Brayton/Rankine operado en dos circuitos cerrados
Antecedentes
Esta invención se refiere en general a un sistema de generación de turbina de vapor y gas de ciclo Brayton/Rankine combinado operado en dos circuitos cerrados a partir de agua subterránea mejorada o fluidos geotérmicos calientes y que quema solo hidrógeno y oxígeno en lugar de un combustible fósil con aire en la turbina de gas.
Las centrales eléctricas de turbina de gas de ciclo combinado convencionales funcionan con gas natural u otros combustibles fósiles o basados en hidrocarburos que se queman con aire para calentar un fluido de trabajo, generalmente agua de alimentación, para producir vapor para operar generadores de turbina para producir electricidad que se alimenta a una red de distribución para suministrar electricidad a los clientes. Tales plantas producen calor residual que debe ser disipado, típicamente en torres de enfriamiento, radiadores, disipadores de calor, depósitos de condensación, etc. Aun cuando el calor residual se puede transferir al fluido de trabajo de alguna manera o suministrado para otros usos tales como sistemas de calentamiento, tales técnicas de mitigación son sólo parcialmente útiles para reducir las ineficiencias. Otras ineficiencias conocidas en la generación de electricidad usando turbinas incluyen las limitaciones de usar aire como agente oxidante, las pérdidas en porciones del sistema requeridas para disipar el fluido de trabajo de transferencia de calor y el aire de combustión dentro del sistema, etc.
También se sabe que las plantas generadoras de electricidad que funcionan con combustibles fósiles son importantes emisores de compuestos que causan contaminación del aire, principalmente dióxido de carbono (CO2), dióxido de silicio (SO2), óxido nítrico (NO) y otras sustancias tales como dioxinas, mercurio, cenizas volantes y otras partículas, etc. Además, el uso de combustibles a base de hidrocarburos tales como el petróleo, el carbón y los sintéticos, incluido el “gas de síntesis” o el así llamado biodiésel, requiere instalaciones y operaciones de minería, procesamiento y transporte a gran escala que se sabe que requieren una gran inversión de capital, usos sustanciales de otros recursos no renovables o incluso causan un daño ambiental significativo.
La mayoría de las centrales eléctricas convencionales operan en ciclos de circuito abierto. Por ejemplo, el agua, calentada por calderas que funcionan con combustibles de hidrocarburos, proporciona vapor para impulsar turbinas, que a su vez impulsan generadores para producir electricidad. El calor residual contenido en el vapor gastado que sale de la turbina, aunque puede utilizarse en plantas de calefacción o alimentarse a torres de refrigeración o depósitos para disipar el calor, no se recircula de vuelta a la entrada del sistema.
Un sistema clásico de circuito cerrado es el Ciclo Brayton, descrito por primera vez por George Brayton para un motor que quema aceite en 1870. Tenga en cuenta que un sistema de circuito cerrado se caracteriza por un sistema en el que la energía puede intercambiarse con su entorno (a través de la frontera del sistema) pero la masa en el sistema permanece constante, es decir, no se intercambia con su entorno ni se le permite cruzar la frontera del sistema. En un ciclo Brayton, se implementa con mayor frecuencia en sistemas que usan una turbina alimentada por aire comprimido que se calienta en una sección de combustión y se le permite expandirse en la turbina para hacer girar su árbol de salida y un generador conectado a él. El aire de escape de la turbina luego se retroalimenta a la entrada del compresor a través de un intercambiador de calor. Si bien el cambio neto de masa en el sistema es cero (en un sistema cerrado ideal) porque el fluido de trabajo (aire) regresa a la entrada, la energía devuelta a la entrada disminuirá por la cantidad de calor convertido en electricidad en el sistema y la cantidad de calor entregado a los alrededores debido a las pérdidas del sistema.
Se han ideado una serie de esquemas para recuperar el calor perdido en tales sistemas. En un método, se usa un regenerador para transferir calor desde el lado de escape al aire comprimido enrutado a dicha sección de combustión. Se puede usar un interenfriador con dos compresores operados en serie enfriando la salida de gas del primer compresor antes de que éste ingrese al segundo. El enfriamiento aumenta la densidad del aire comprimido mejorando así la relación de compresión. En una tercera técnica llamada recalentamiento, se usa con dos turbinas operadas en serie calentando el escape de la primera turbina antes de que éste ingrese a la segunda. El recalentamiento aumenta la relación de expansión de los gases y, por lo tanto, el impulso de rotación del generador.
Independientemente de estas mejoras y del potencial para una generación de electricidad más eficiente en un sistema de circuito cerrado, persisten las ineficiencias que limitan la utilidad de los sistemas de circuito cerrado. Las pérdidas de calor siguen siendo significativas, y los dispositivos adicionales agregados al sistema básico agregan complejidad y coste. Sin embargo, el uso de motores de turbina de gas para generar electricidad, aunque no es nuevo, debido a su uso generalizado en aeronaves y embarcaciones oceánicas, y algunas aplicaciones de plantas de energía, puede ofrecer economías sustanciales debido a su fácil disponibilidad, confiabilidad, etc. parece ser una gran promesa para un sistema de generación eléctrica si se pudiera encontrar una manera de operar un motor de turbina de gas en un ciclo cerrado usando energía renovable al superar las ineficiencias en los sistemas existentes.
En un sistema de circuito cerrado conocido, desarrollado recientemente por Sandia National Laboratories, una turbina de gas de ciclo Brayton reemplaza el aire, el fluido de trabajo habitual de un motor de turbina de gas, con dióxido de carbono supercrítico (C02) como fluido de trabajo, que se dice que es capaz de aumentar la eficiencia de conversión de dicha porción del conjunto 118 de turbina de gas de un sistema de generación compacto desde aproximadamente un 40 % hasta quizás un 50 %. El aumento de la eficiencia resulta de la mayor densidad del CO2 supercrítico, similar a la de un líquido, en comparación con el aire, que es un gas que tiene una densidad mucho más baja. El C02 supercrítico, debido a su mayor densidad y temperaturas mucho más altas, puede transportar mayores cantidades de calor a una turbina de gas para generar más electricidad. El aumento de la eficiencia permite huellas correspondientemente más pequeñas para la instalación generadora. Sin embargo, acompañando las mayores temperaturas existe un mayor riesgo de corrosión en los componentes de la turbina de gas por la presencia de ácido carbónico diluido.
En resumen, los diseños de las centrales eléctricas existentes tienen varias desventajas, entre ellas (a) la operación con combustibles fósiles, sustancias basadas en hidrocarburos que no solo no son renovables, sino que también, cuando se queman, emiten numerosos subproductos a la atmósfera, lo que contribuye al cambio climático, la contaminación ambiental y los posibles efectos nocivos para la salud. Además, (b) los diseños existentes que queman combustibles fósiles para producir calor tienen una eficiencia relativamente baja, lo que resulta en el agotamiento de los recursos no renovables a un ritmo más rápido de lo prudente. Además, (c) las medidas empleadas para mitigar las ineficiencias inherentes tienden a ser complejas, reduciendo la confiabilidad y aumentando los costes de fabricación, instalación y mantenimiento. Además, (d) operar una planta de ciclo Brayton con CO2 supercrítico produce el riesgo de acortar la vida útil y/o el daño por corrosión que resulta de las temperaturas extremadamente altas con este fluido de trabajo.
Otros diseños conocidos incluyen Números de patente de EE. UU. 5687559 y 577509, Número de solicitud DE DE19808119A1 y particularmente el documento WO2012/013289A2, que divulga las características técnicas del preámbulo de la reivindicación independiente 1. Sin embargo, la presente invención presenta ganancias de eficiencia (tales como ganancias de eficiencia termodinámica) sobre estos rellenos.
Lo que se necesita es un sistema de generación que opere con un impacto ambiental y una contribución a la contaminación del aire reducidos, pueda depender de recursos renovables y menos de recursos no renovables, genere electricidad con una eficiencia sustancialmente mayor y una vida útil prolongada, tenga un tamaño compacto y pueda ser puestos en operación y operados a costes más bajos.
Ninguna de las invenciones y patentes conocidas, tomadas individualmente o en combinación, describe la presente invención como se reivindica. En consecuencia, sería ventajoso tener un sistema mejorado de generación de turbinas de vapor y gas en cascada operado en un circuito cerrado a partir de agua subterránea mejorada o fluidos geotérmicos y que queme solo hidrógeno y oxígeno en lugar de un combustible fósil con aire en dicho conjunto de turbina de gas.
Resumen
Se divulgan un sistema y un método.
La presente invención proporciona un sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de acuerdo con la reivindicación 1.
En una realización, existe un método para usar el sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado, que comprende: generar la primera porción de la salida eléctrica con el conjunto de turbina de gas quemando la porción de H2 y dicho O2; hacer circular el fluido de trabajo del circuito de turbina de gas a través del circuito de turbina de gas y dicho fluido de trabajo del circuito de turbina de vapor a través del circuito de turbina de vapor; calentar dicho circuito de turbina de vapor con la primera energía térmica procedente de dicho circuito de turbina de gas con dicho primer intercambiador de calor; transportar dicho fluido de trabajo del circuito de turbina de vapor al interior de dicho conjunto de turbina de vapor; y generar la segunda porción de dicha salida eléctrica con dicho conjunto de turbina de vapor.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 ilustra un diagrama simplificado de un sistema de generación de bloques de un sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual.
Las Figuras 2A y 2B ilustran un primer método y un segundo método de usar dicho sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual, respectivamente.
Las Figuras 3A y 3B ilustran dos realizaciones detalladas de dicho sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual.
La Figura 3A ilustra un diagrama detallado del sistema de generación de bloques.
La Figura 3B ilustra un diagrama detallado del sistema de generación de bloques.
Las Figuras 4A, 4B, 4C y 4D ilustran porciones detalladas de dicho diagrama simplificado del sistema de generación de bloques.
La Figura 4A ilustra una vista detallada de dicha entrada eléctrica.
La Figura 4B ilustra una vista detallada de dicho conjunto de turbina de gas.
La Figura 4C ilustra una vista detallada de dicho conjunto de turbina de vapor.
La Figura 4E ilustra una vista detallada de dicha salida eléctrica.
Las Figuras 5A, 5B y 5C ilustran el gráfico de carga del mercado.
La Figura 5A ilustra dicho gráfico de carga de mercado con un pronóstico de carga de mercado y una carga de mercado real.
La Figura 5B ilustra dicho gráfico de carga de mercado con solo dicha carga de mercado real.
La Figura 5C ilustra dicho gráfico de carga de mercado con dicho pronóstico de carga de mercado.
La Figura 6 ilustra un gráfico de modelo de recurso.
La Figura 7 ilustra un gráfico de escenario de carga base.
Descripción detallada
En el presente documento se describe un sistema de generación de turbina de vapor y gas de ciclo Brayton/Rankine combinado operado en dos circuitos cerrados a partir de agua subterránea mejorada o fluidos geotérmicos calientes y que quema solo hidrógeno y oxígeno en lugar de un combustible fósil con aire en dicho conjunto 118 de turbina de gas.
Las Figuras representan las características principales de la invención, números de referencia que se refieren a las características estructurales que forman la combinación operativa. Las entradas y salidas de conductores para señales, fluidos y similares se indican de la siguiente manera: una entrada se indica con una punta de flecha que apunta al símbolo de un componente y una salida se indica con una línea en contacto con el símbolo de un componente y que se extiende a un círculo en el extremo opuesto de la línea. Los ejemplos de los componentes principales son ilustrativos para una planta de energía a escala modesta ejemplar de capacidad de 1 a 35 megavatios. Los componentes escalados apropiadamente están disponibles para otras salidas de generación de energía. A menos que se indique lo contrario, 2 pt. las líneas entre componentes representan conductos con las entradas y salidas correspondientes. Obsérvese que un experto en la materia sería capaz de seleccionar un conducto suficientemente adecuado para las conexiones entre los componentes. Además, las líneas discontinuas se utilizan para indicar las líneas de transmisión de electricidad con puntas de flecha para indicar la dirección de los flujos de energía.
La Figura 1 ilustra un diagrama 100 simplificado del sistema de generación de bloques de un sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual. Obsérvese que el diagrama 100 del sistema generador de bloques simplificado representa una versión minimalista de dicho sistema 101 generador eléctrico de circuito cerrado dual, muchos de los elementos ilustrados en la Figura 1 se describen e ilustran con más detalle a continuación.
En una realización, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual comprende una entrada 102 eléctrica, un circuito 103a de turbina de gas, un circuito 103b de turbina de vapor, una entrada 104 de agua, una salida 106 eléctrica, un intercambiador 111 de calor, un electrolizador 112, un conjunto 113 separador, un conjunto 118 de turbina de gas, un tanque 120 de almacenamiento de H2, un tanque 122 de almacenamiento de O2, un conjunto 140 de turbina de vapor, una pluralidad de conductos, un fluido de trabajo de circuito de turbina de gas y un fluido de trabajo de circuito de turbina de vapor, una segunda bomba 160b y una primera bomba 160a. El circuito 103a de turbina de gas y dicho circuito 103b de turbina de vapor comprenden cada uno un sistema de circuito cerrado que transporta dichos fluidos de trabajo (que pueden ser suministrados por dicha entrada 104 de agua) a través de dicho conjunto 118 de turbina de gas y dicho conjunto 140 de turbina de vapor sin mezclar dicho fluido de trabajo del circuito de turbina de gas y dicho circuito de turbina de vapor entre sí.
El circuito 103a de turbina de gas y dicho circuito 103b de turbina de vapor se denominan juntos como dos circuitos cerrados. El circuito 103a de la turbina de gas comprende el fluido de trabajo del circuito de turbina de gas y dicho circuito de turbina de vapor 103b comprende dicho fluido de trabajo del circuito de turbina de vapor. En una realización, dicho fluido de trabajo del circuito de turbina de gas y el fluido de trabajo del circuito de turbina de vapor pueden correr en un pulidor de agua y un inhibidor de oxidación.
En una realización, los elementos que se encuentran en dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual están conectados por dicha pluralidad de conductos que están etiquetados con el número de etiqueta “180” seguido de una letra. Por ejemplo, dicha pluralidad de conductos puede comprender un primer conducto 180a, un segundo conducto 180b, un tercer conducto 180c, un cuarto conducto 180d, un quinto conducto 180e, un sexto conducto 180f, un séptimo conducto 180g, un octavo conducto 180h, un noveno conducto 180k, décimo conducto 180m, undécimo conducto 180n, duodécimo conducto 180p, decimotercer conducto 180q, decimocuarto conducto 180r, decimoquinto conducto 180t, decimosexto conducto 180w, decimoséptimo conducto 180x, decimoctavo conducto 180y, y un decimonoveno conducto 180z.
El fluido de trabajo del circuito de turbina de gas y el fluido de trabajo del circuito de turbina de vapor en dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual están etiquetados con el número de etiqueta “123” seguido de una letra. Por ejemplo, el fluido de trabajo en la pluralidad diferente de conductos está etiquetado como fluido 123a de trabajo, fluido 123b de trabajo, fluido 123c de trabajo, fluido 123d de trabajo, fluido 123e de trabajo, fluido 123f de trabajo, fluido 123g de trabajo, fluido 123h de trabajo, fluido 123k de trabajo, fluido 123m de trabajo, fluido 123n de trabajo, fluido 123p de trabajo, fluido 123q de trabajo, fluido 123r de trabajo y fluido 123t de trabajo.
En una realización, dicho circuito 103a de turbina de gas comprende: dicho primer conducto 180a que transporta dicho fluido 123a de trabajo (que puede comprender sustancialmente un vapor) desde dicho conjunto 118 de turbina de gas hasta dicho intercambiador 111 de calor; transportando dicho segundo conducto 180b dicho fluido 123b de trabajo (que puede comprender sustancialmente un vapor y un líquido) desde dicho intercambiador 111 de calor hasta dicho conjunto 113 separador; separando dicho conjunto 113 separador dicho fluido 123b de trabajo en dicho fluido 123c de trabajo (que comprende sustancialmente una porción de vapor) y dicho fluido 123d de trabajo (que comprende sustancialmente una porción líquida); transportando dicho cuarto conducto 180d dicho fluido 123d de trabajo desde dicho conjunto 113 separador, a través de dicha primera bomba 160a y a dicho conjunto 118 de turbina de gas; y dicho tercer conducto 180c que lleva dicho fluido 123c de trabajo desde dicho conjunto 113 separador a dicho conjunto 118 de turbina de gas. En una realización, dicha primera bomba 160a puede regular un caudal de dicho fluido 123d de trabajo entre el conjunto 118 de turbina de gas y dicho conjunto 113 separador.
Asimismo, en una realización, dicho circuito 103b de turbina de vapor comprende: dicho quinto conducto 180e que lleva dicho fluido 123e de trabajo desde dicho conjunto 140 de turbina de vapor a dicho intercambiador 111 de calor, dicho sexto conducto 180f que lleva dicho fluido 123f de trabajo desde dicho intercambiador 111 de calor a dicho conjunto 140 de turbina de vapor, y dicha segunda bomba 160b que regula un caudal de dicho fluido 123e de trabajo.
En una realización, dicho electrolizador 112 puede recibir dicha entrada 102 eléctrica y dicha entrada 104 de agua y generar el H2114 y el O2 116, que pueden almacenarse en dicho tanque 120 de almacenamiento de H2 y dicho tanque 122 de almacenamiento de O2, respectivamente. En una realización, dicho conducto 180t puede llevar dicho fluido 123t de trabajo de dicha entrada 104 de agua a dicho electrolizador 112. En una realización, dicho decimosexto conducto 180w puede transportar dicho H2 114 desde dicho electrolizador 112 hasta dicho tanque 120 de almacenamiento de H2 y un decimoséptimo conducto 180x puede transportar dicho H2114 desde dicho tanque 120 de almacenamiento de H2 hasta dicho conjunto 118 de turbina de gas. Asimismo, en una realización, dicho decimoctavo conducto 180y puede transportar dicho O2116 desde dicho electrolizador 112 a dicho tanque 122 de almacenamiento de O2 y dicho decimonoveno conducto 180z puede transportar dicho O2116 a dicho conjunto 118 de turbina de gas desde dicho tanque 122 de almacenamiento de O2. En una realización, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede derivar dicho tanque 120 de almacenamiento de H2 y/o dicho tanque 122 de almacenamiento de O2 donde el almacenamiento de dicho H2114 y/o dicho O2116 es innecesario.
En una realización, dicho conjunto 118 de turbina de gas quema una porción de dicho H2114 y dicho O2116 y genera una primera porción 106a de dicha salida 106 eléctrica. En una realización, dicho conjunto 118 de turbina de gas puede calentar dicho fluido 123d de trabajo y dicho fluido 123c de trabajo mientras genera dicha primera porción 106a de dicha salida 106 eléctrica. Alternativamente, en una realización, dicho fluido 123c de trabajo y dicho fluido 123d de trabajo pueden entrar en dicho conjunto 118 de turbina de gas más fríos que cuando salen de dicho conjunto 118 de turbina de gas en forma de dicho fluido 123a de trabajo.
En una realización, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede recibir y entregar energía a una red 105 de distribución. En una realización, dicha red 105 de distribución puede comprender equipos de generación de energía tales como una matriz eólica o solar, generación de energía tradicional y/o similar, como sería conocido por un experto en la materia.
Dicho intercambiador 111 de calor enfría dicho fluido 123a de trabajo. Así, en una realización, dicho fluido 123b de trabajo puede estar más frío que dicho fluido 123a de trabajo. En consecuencia, dicho intercambiador 111 de calor sirve para transferir calor desde dicho circuito 103a de turbina de gas a dicho circuito 103b de turbina de vapor.
Dicho fluido 123f de trabajo entra en dicho conjunto 140 de turbina de vapor más caliente que cuando sale como dicho fluido 123e de trabajo. Dicho intercambiador 111 de calor sirve para transferir energía térmica desde el circuito 103a de turbina de gas y dentro de dicho circuito 103b de turbina de vapor. En una realización, dicho conjunto 140 de turbina de vapor puede generar una segunda porción 106b utilizando dicha primera energía térmica.
El conjunto 118 de turbina de gas y dicho conjunto 140 de turbina de vapor accionan una pluralidad de generadores (que comprende dicho primer generador 119 y dicho segundo generador 142) para producir energía eléctrica; en el que, en una realización preferida, esta producción se logra sin emisiones basadas en carbono.
Las Figuras 2A y 2B ilustran un primer método 200 y un segundo método 210 de usar dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual, respectivamente.
Con respecto a la Figura 2A, en una realización, dicho primer método 200 de usar dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede comprender: una primera etapa 202 de recibir dicha entrada 102 eléctrica y dicha entrada 104 de agua; una segunda etapa 204 de electrolizar dicha entrada 104 de agua con dicho electrolizador 112; una tercera etapa 206 de generar un H2114 y un O2116 con dicho electrolizador 112; y una cuarta etapa 208 de generar dicha primera porción 106a de dicha salida 106 eléctrica con dicho conjunto 118 de turbina de gas quemando una porción de dicho H2114 y dicho O2116.
Con respecto a la Figura 2B, en una realización, dicho segundo método 210 de usar dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede comprender las etapas de dicho primer método 200 y que comprende además: una quinta etapa 212 de hacer circular una primera porción de dicho fluido de trabajo a través de dicho circuito 103a de turbina de gas y una segunda porción de dicho fluido de trabajo a través de dicho circuito 103b de turbina de vapor; una sexta etapa 214 de calentar dicho circuito 103b de turbina de vapor con dicha primera energía térmica procedente de dicho circuito 103a de turbina de gas a través de dicho intercambiador 111 de calor; una séptima etapa 216 de suministrar dicha segunda porción de dicho fluido de trabajo a dicho conjunto 140 de turbina de vapor; y una octava etapa 218 de generar una segunda porción 106b de dicha salida 106 eléctrica con dicho conjunto 140 de turbina de vapor.
En una realización, dicha primera porción de dicho fluido de trabajo puede comprender dicho fluido 123a de trabajo, dicho fluido 123b de trabajo, dicho fluido 123c de trabajo y dicho fluido 123d de trabajo. En una realización, dicha segunda porción de dicho fluido de trabajo puede comprender dicho fluido 123e de trabajo y dicho fluido 123f de trabajo.
Las Figuras 3A y 3B ilustran dos realizaciones detalladas de dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual. A modo de comparación, las Figuras 3A y 3B tienen detalles adicionales en comparación con la Figura 1. Por ejemplo, en una realización, dicho intercambiador 111 de calor de dicho diagrama 100 de sistema de generación de bloques simplificado se divide en un primer intercambiador 111a de calor y un segundo intercambiador 111b de calor. Se han agregado elementos adicionales como una caldera 124 (Figura 3B), un conjunto 128 condensador y un separador 302.
La Figura 3A ilustra un diagrama 300 detallado del sistema de generación de bloques. Dicho diagrama 300 detallado del sistema de generación de bloques comprende una realización preferida de dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual.
En una realización, dicho conjunto 118 de turbina de gas puede recibir dicho H2114 a través de dicho decimoséptimo conducto 180x, dicho O2116 a través de dicho decimonoveno conducto 180z, dicho fluido 123c de trabajo a través de dicho tercer conducto 180c y dicho fluido 123d de trabajo a través de dicho cuarto conducto 180d. A su vez, dicho conjunto 118 de turbina de gas puede generar dicha primera porción 106a quemando una porción de dicho H2114 y dicho O2116, como se conoce en la técnica. En una realización, dicha primera porción 106a puede pasar desde dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual a dicha red 105 de distribución a través de uno o más transformadores 156.
Volviendo ahora a dicho circuito 103a de turbina de gas, en una realización, dicho conjunto 113 separador puede comprender dicho segundo intercambiador 111b de calor y dicho separador 302. En una realización, dicho conjunto 113 separador puede recibir dicho fluido 123b de trabajo (a través de dicho segundo conducto 180b) y fluido 123g de trabajo (a través de un séptimo conducto 180g). En una realización, dicho conjunto 113 separador puede comprender dicho segundo intercambiador 111b de calory dicho separador 302. En una realización, dicho conjunto 113 separador puede separar una corriente de líquido (dicho fluido 123d de trabajo) y una corriente de vapor (dicho fluido 123c de trabajo) de dicho fluido 123b de trabajo al: enfriar dicho fluido 123b de trabajo en fluido 123h de trabajo con dicho segundo intercambiador 111b de calor; entregar dicho fluido 123h de trabajo a dicho separador 302 en un octavo conducto 180h; separar dicho fluido 123c de trabajo de dicho fluido 123d de trabajo con dicho separador 302; y descargar un fluido 123k de trabajo desde dicho separador 302 a dicha salida 108 de agua a través de un noveno conducto 180k. En una realización, dicho segundo intercambiador 111b de calor enfría dicho fluido 123b de trabajo: recibir dicho fluido 123g de trabajo desde dicha entrada 104 de agua; transferir una primera energía térmica desde dicho fluido 123b de trabajo a dicho fluido 123g de trabajo; y descargar fluido 123m de trabajo desde dicho segundo intercambiador 111b de calor y dentro de dicho pozo 110 de inyección a través de un décimo conducto 180m. En una realización, un volumen de fluido descargado desde dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual en dicho fluido 123k de trabajo puede ser sustancialmente igual a un volumen de fluido recibido en dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual en dicho electrolizador 112. Aunque no simultáneamente, esta conservación de la materia es el efecto de dicho H2114 y dicho O2116 que se recombina en H2O.
Volviendo ahora a dicho circuito 103b de turbina de vapor, en una realización, dicho fluido 123e de trabajo se puede enfriar con dicho conjunto 128 condensador entre dicho conjunto 140 de turbina de vapor y dicho primer intercambiador 111a de calor. En una realización, dicho conjunto 128 condensador puede recibir dicho fluido 123e de trabajo (a través de dicho quinto conducto 180e), y el fluido 123n de trabajo desde dicha entrada 104 de agua a través de un undécimo conducto 180n. En una realización, dicho fluido 123n de trabajo puede comprender agua. En una realización, dicho conjunto 128 condensador puede recibir dicho fluido 123e de trabajo y descargarlo como fluido 123p de trabajo a través de un duodécimo conducto 180p a dicho primer intercambiador 111a de calor. En una realización, dicho conjunto 128 condensador puede descargar fluido 123q de trabajo a través de un decimotercer conducto 180q. En una realización, dicho primer intercambiador 111a de calor puede calentar dicho fluido 123p de trabajo de la manera descrita anteriormente al describir dicho intercambiador 111 de calor; es decir, dicho primer intercambiador 111a de calor puede calentar dicho circuito 103b de turbina de vapor con dicha primera energía térmica procedente de dicho circuito 103a de turbina de gas.
El intercambiador 111 de calor puede ser preferiblemente una unidad de flujo totalmente cruzado, fabricada a medida, diseñada para una transferencia de calor máxima con pérdidas externas mínimas. En una realización, se definen e implementan respectivamente conductos intercalados del lado de la demanda y del lado de la fuente para conducir el escape de la turbina de gas y el fluido de trabajo de la turbina de vapor, respectivamente. De manera similar, el separador puede ser preferiblemente un diseño personalizado adaptado para separar eficientemente las sustancias en fase líquida y de vapor de la corriente de escape de la turbina. La caldera puede ser de tipo estándar. Los generadores pueden ser suministrados por fabricantes como Skinner Power Systems® de Erie, Pensilvania o Asea Brown Bovieri (ABB®) de Zúrich, Suiza. Los transformadores pueden estar disponibles en Allis-Chalmers Energy® de Houston, Texas, o Siemens Corporation®.
La Figura 3B ilustra un diagrama 310 detallado del sistema de generación de bloques. En una realización, dicho diagrama detallado del sistema de generación de bloques 310 puede comprender una realización de dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual que comprende además una caldera 124 que puede calentar dicho fluido 123f de trabajo antes de entrar en dicho conjunto 140 de turbina de vapor. Por ejemplo, en una realización, dicha caldera 124 puede recibir una entrada 312 de gas natural que puede calentar dicho fluido 123f de trabajo y entregar fluido 123r de trabajo en un decimocuarto conducto 180r a dicho conjunto 140 de turbina de vapor. En una realización, dicha caldera 124 puede ser opcional para dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual. En una realización, dicha entrada 312 de gas natural puede comprender un exceso de gas natural que, de otro modo, podría quemarse; en el que dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede recibir un gas de antorcha y convertirlo en dicha salida 106 eléctrica, que a su vez puede girarse para llenar dicho tanque 120 de almacenamiento de H2 y/o dicho tanque 122 de almacenamiento de O2 para uso posterior.
Como se discutió, en una realización, dicha caldera 124 puede ser alimentada por dicha entrada 312 de gas natural. En una realización, dicha entrada 312 de gas natural puede comprender metano (CH4) separado de dicha entrada 104 de agua (el fluido geotérmico) o de alguna otra fuente, que puede transportarse a través de un conducto separado (no mostrado). Se apreciará que los fluidos geotérmicos y de trabajo, los gases de hidrógeno y oxígeno, el vapor en diversos estados y la electricidad no son parte de la estructura del sistema sino más bien la materia operativa procesada por el sistema para producir electricidad.
En una realización, la fuente básica de la primera energía térmica para el funcionamiento del sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede ser un fluido geotérmico o agua subterránea obtenida de un depósito al que se accede por vía pozo a pozo, como se conoce en la técnica, por debajo de la superficie de la tierra. El agua subterránea o fluido geotérmico principalmente salmuera, que puede contener una variedad de fluidos portadores de minerales o hidrocarburos en forma líquida ingresa al sistema a través de dicha entrada 104 de agua. En una realización, dicho fluido geotérmico se transporta a través de dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual (como se ha explicado) seguido de la salida del fluido geotérmico enfriado a través de dicho décimo conducto 180m y dicho decimotercer conducto 180q, en dicho pozo 110 de inyección y dicha salida 108 de agua respectivamente. En una realización, dicha salida 108 de agua puede comprender un pozo de inyección o un uso municipal como se analiza a continuación. Alternativamente, el fluido geotérmico enfriado puede almacenarse para su posterior procesamiento o envío (no ilustrado).
El fluido geotérmico, luego de la separación de ciertas sustancias corrosivas o innecesarias, generalmente en forma gaseosa o de vapor, de la materia prima obtenida de los depósitos subterráneos, puede transportarse a través del decimoquinto conducto 180t a dicho electrolizador 112 para procesarlo y producir dicho H2114 y dicho O2116.
Las Figuras 4A, 4B, 4C y 4D ilustran porciones detalladas de dicho diagrama 100 del sistema de generación de bloques simplificado.
La Figura 4A ilustra una vista detallada de dicha entrada 102 eléctrica. En una realización, dicha entrada 102 eléctrica puede comprender una entrada eléctrica de dicha red 105 de distribución, que puede adquirir energía de un sistema 402 de generación de energía tradicional o una matriz 404 eólica o solar. La electricidad para el funcionamiento de dicho electrolizador 112 puede ser suministrada por dicha red 105 de distribución o fuentes renovables (tales como una matriz 404 eólica o solar).
En una realización, dicho electrolizador 112 puede comprender un electrolizador autónomo para separar dicho H2114 y dicho O2116 de dicha entrada 104 de agua (que comprende sustancialmente H2O). Posteriormente, dicho H2114 y dicho O2 116 pueden ser quemados por dicho conjunto 118 de turbina de gas para producir vapor supercrítico a presiones y temperaturas más altas que impulsan directa o indirectamente dicho conjunto 118 de turbina de gas y dicho conjunto 140 de turbina de vapor con mayor eficiencia.
En una realización, dicho electrolizador 112 puede comprender un ITM Power Electrolyzer, que puede producir hidrógeno y oxígeno a presión. En una realización, dicho electrolizador 112 puede comprender una unidad de 15 kW fabricada por Giner Electrochemical Systems, LLC, de Newton, MA, una pila de electrolizadores de peso ligero para uso en aeronaves ligeras de gran altitud.
En una realización, dicho electrolizador 112 puede requerir una fuente de agua mineralizada. En una realización, dicha entrada 104 de agua puede comprender un agua 403 en conexión fluida con un sistema 405 de tratamiento de agua. En una realización, dicha agua 403 puede comprender un fluido geotérmico como se conoce en la técnica. En una realización, dicho sistema 405 de tratamiento de agua puede eliminar productos químicos e hidrocarburos de dicha agua 403 dejando agua y minerales ordinarios necesarios para una operación adecuada de dicho electrolizador 112. En una realización, dicha agua 403 no necesita ser filtrada y tratada por dicho sistema 405 de tratamiento de agua para su uso como dicho undécimo fluido 123n de trabajo y dicho séptimo fluido 123g de trabajo. En una realización, dicha agua 403 puede comprender agua subterránea o una fuente de agua municipal.
Dicho electrolizador 112 puede funcionar con electricidad extraída de dicha red 105 de distribución, que puede comprender fuentes renovables (tal como dicha matriz 404 eólica o solar), de celdas de combustible, o de cualquiera o ambos de dicho conjunto 118 de turbina de gas y dicho conjunto 140 de turbina de vapor. Las salidas de dicho electrolizador 112 incluyen oxígeno (O2116) e hidrógeno (H2114) sustancialmente puros, que se transportan a los respectivos tanques de almacenamiento a través de los respectivos conductos. En una realización, dicho electrolizador 112 puede comprender un cátodo (no ilustrado) y un ánodo (no ilustrado), como se conoce en la técnica. En una realización, dicho decimoctavo conducto 180y está acoplado a dicho ánodo dentro de dicho electrolizador 112, que suministra dicho O2116. De manera similar, en una realización, dicho decimosexto conducto 180w puede acoplarse a dicho cátodo dentro de dicho electrolizador 112, que alimenta dicho H2 114. En una realización, durante el funcionamiento de dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual, dicho H2114 y dicho O2116 se transportan a los puertos de entrada respectivos de una cámara 408 de combustión (ilustrada y analizada a continuación) dentro de dicho conjunto 118 de turbina de gas.
La Figura 4B ilustra una vista detallada de dicho conjunto 118 de turbina de gas. En una realización, dicho conjunto 118 de turbina de gas puede comprender un primer generador 119, un compresor 406, dicha cámara 408 de combustión, una turbina 410 de gas y un primer eje de mando 412. En una realización, dicho compresor 406 recibe dicho fluido 123c de trabajo (que puede comprender un vapor) a través de dicho tercer conducto 180c. En una realización, dicho compresor 406 puede comprimir dicho fluido 123c de trabajo y trabajar en conjunto con dicha turbina 410 de gas. En una realización, dicho compresor 406 puede producir fluido 414 de trabajo y entregar dicho fluido 414 de trabajo a dicha cámara 408 de combustión a través de un vigésimo conducto 415. En una realización, dicha cámara 408 de combustión puede recibir: dicho H2114 a través de dicho decimoséptimo conducto 180x; dicho O2116 a través de dicho decimonoveno conducto 180z; dicho fluido 414 de trabajo a través de dicho vigésimo conducto 415; y dicho fluido 123d de trabajo a través de dicho cuarto conducto 180d. En una realización, dicha cámara 408 de combustión puede producir un fluido 416 de trabajo que se puede suministrar a dicha turbina 410 de gas a través de un vigésimo primer conducto 417. En una realización, dicha turbina 410 de gas puede usar dicho fluido 416 de trabajo para impulsar dicho primer eje de mando 412. En una realización, dicha turbina 410 de gas puede comprender un escape que puede comprender dicho fluido 123a de trabajo.
En una realización, dicho primer eje de mando 412 se puede unir de forma giratoria a dicho primer generador 119; en el que dicha turbina 410 de gas puede impulsar dicho primer eje de mando 412 y dicho primer generador 119 puede generar dicha primera porción 106a, como se conoce en la técnica.
En una realización, dicho separador 302 puede regular las proporciones de vapor admitido en una entrada 419a de dicho compresor 406 a través de dicho tercer conducto 180c y la proporción de líquido admitido en dicha cámara 408 de combustión (en un puerto 419b de inyección de agua) a través de dicho cuarto conducto 180d. En una realización, dicho puerto 419b de inyección de agua se puede ubicar en la porción más trasera de dicha cámara 408 de combustión. En una realización, dicho separador 302 puede dividir dicho vapor en dicho fluido 123c de trabajo y dicho líquido en dicho fluido 123d de trabajo, como se explicó anteriormente. En una realización operativa preferida, dicho fluido 123c de trabajo puede comprender aproximadamente el 25 % de dicho fluido 123g de trabajo y dicho fluido 123d de trabajo puede comprender el resto de dicho fluido 123g de trabajo.
En una realización, dicho fluido 123c de trabajo (que comprende un vapor) que puede ser utilizado por dicho compresor 406 puede estar limitado por el caudal volumétrico de la entrada 419a en dicho compresor 406 (es decir, el límite de parada de dicho compresor 406). Esta limitación es necesaria para evitar que el motor se pare. El resto de dicho fluido 123c de trabajo puede alimentarse a dicha cámara 408 de combustión en dicho puerto 419b de inyección de agua. En una realización, esto se logra convenientemente cuando un motor de turbina de gas tipo T56-A (fabricado por Rolls-Royce®) se usa porque está equipado con un puerto de inyección de agua (no se muestran las figuras) justo después de la cámara de combustión (“cámara de quema”). Allí, el fluido de trabajo (que puede comprender una porción de dicha entrada 104 de agua) se mezcla con dicho H2114 y dicho O2116 y se recalienta para accionar dicha turbina 410 de gas. En una realización, el fluido de trabajo se alimenta a dicho puerto 419b de inyección de agua, lo que aumenta el volumen de vapor y también enfría el vapor a una temperatura que cumple una o más especificaciones metalúrgicas de los componentes en dicha turbina 410 de gas. En una realización, dicho fluido de trabajo y un producto de combustión se mezclan en la sección de escape de dicho conjunto 118 de turbina de gas en dicho fluido 123a de trabajo.
En una realización, los materiales combustibles (es decir, las entradas de dicha cámara 408 de combustión) para el sistema incluyen hidrógeno puro H2 y oxígeno puro O2 producido por dicho electrolizador. El fluido de trabajo de alta presión/baja temperatura entrante en el puerto 419b de inyección de agua desde dicho separador 302 sufre una compresión del orden de 12: 1 a 16: 1 en dicha primera bomba 160a de agua, y el fluido de trabajo comprimido se mezcla en dicha cámara 408 de combustión con dicho H2114 y dicho O2 116, preferiblemente mezclado en una proporción de 1 kg de dicho H2114 a 8 kg de dicho O2116, medido en un medidor de flujo (no mostrado) y verificado por análisis de vapor (no mostrado), para producir vapor supercrítico para accionar dicha turbina 410 de gas. En una realización, dichos gases H2114 y O2 116 se utilizan como combustible en lugar de un combustible fósil u otro combustible a base de carbono mezclado con aire atmosférico por dos razones: (a) aumentar la temperatura del vapor a niveles supercríticos; y (b) eliminar la liberación de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. Como es bien sabido, la combinación de combustibles basados en carbono (por ejemplo, carbón, fueloil, gas natural, etc.) y aire, si bien proporcionan dichos combustibles de combustión utilizados en las centrales eléctricas convencionales, sufren las ineficiencias de las bajas temperaturas y los efectos nocivos ambientales de las emisiones a la atmósfera y la corrosión de los componentes de dicho sistema 101 de generación eléctrica dual de circuito cerrado.
Los ejemplos de dicha turbina 410 de gas y turbina 428 de vapor, para uso en dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual, incluyen una turbina de gas de la serie T56-A fabricada por Rolls-Royce®; y una turbina de vapor tipo SST-200 fabricada por Siemens Corporation® de Alemania respectivamente.
La Figura 4C ilustra una vista detallada de dicho conjunto 140 de turbina de vapor. El conjunto 140 de turbina de vapor comprende una turbina 428 de vapor, un segundo eje de mando 430 y un segundo generador 142. En una realización, dicha turbina 428 de vapor puede recibir dicho fluido 123f de trabajo (que comprende un vapor); en el que dicha turbina 428 de vapor puede accionar dicho segundo eje de mando 430 con la energía recibida de dicho fluido 123f de trabajo; además, dicho segundo eje de mando 430 puede impulsar dicho segundo generador 142 que, a su vez, puede generar dicha segunda porción 106b de dicha salida 106 eléctrica.
En una realización, dicho conjunto 140 de turbina de vapor puede recibir dicho fluido 123f de trabajo a través de dicho sexto conducto 180f y descargar dicho fluido 123e de trabajo dentro de dicho quinto conducto 180e. En una realización, dicho fluido 123e de trabajo puede comprender un líquido de escape vapor que luego se condensa en dicho conjunto 128 condensador. En una realización, dicho conjunto 128 condensador puede recibir dicho fluido 123e de trabajo a través de dicho quinto conducto 180e y dicho fluido 123n de trabajo a través de dicho undécimo conducto 180n. En una realización, dicho conjunto 128 condensador puede comprender dicho fluido 123p de trabajo a través de dicho duodécimo conducto 180p y dicho fluido 123q de trabajo a través de dicho decimotercer conducto 180q. En una realización, dicho fluido 123n de trabajo y dicho fluido 123e de trabajo no se mezclan; más bien, dicho fluido 123n de trabajo se usa para enfriar y condensar dicho fluido 123e de trabajo.
En una realización, dicho fluido 123q de trabajo puede salir de dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual en dicha salida 108 de agua (ilustrada) o puede reutilizarse en dicha entrada 104 de agua (no ilustrada). En una realización, dicha salida 108 de agua se puede utilizar con fines comerciales o municipales. En una realización, dicho fluido 123q de trabajo puede denominarse fluidos de “descarga”. En una realización, dicho fluido 123q de trabajo puede comprender un fluido de agua sustancialmente pura que puede necesitar mezclarse para uso humano, como se conoce en la técnica.
El conjunto 140 de turbina de vapor acciona un árbol 430 que, a su vez, acciona dicho segundo generador 142 generando dicha segunda porción 106b de dicha salida 106 eléctrica.
La Figura 4E ilustra una vista detallada de dicha salida 106 eléctrica. En una realización, dicha salida 106 eléctrica puede comprender además dicho uno o más transformadores 156 para recoger y transformar dicha primera porción 106a y dicha segunda porción 106b de dicha salida 106 eléctrica, que se transmite a dicha red 105 de distribución. En una realización, un operador de la red o diseñador del sistema puede determinar un número adecuado de dichos uno o más transformadores 156 para usar de acuerdo con la preferencia, la seguridad y el presupuesto, como se conoce en la técnica. Por ejemplo, en una realización, se sabe que en los sistemas de bus en anillo se usa a menudo un transformador redundante.
Las Figuras 5A, 5B y 5C ilustran el gráfico 500 de carga de mercado. La Figura 5A ilustra dicho gráfico 500 de carga de mercado con un pronóstico 502 de carga de mercado y una carga 504 de mercado real. La Figura 5B ilustra dicho gráfico 500 de carga de mercado con solo dicha carga 504 de mercado real. La Figura 5C ilustra dicho gráfico 500 de carga de mercado con dicho pronóstico 502 de carga de mercado. Dicho gráfico 500 de carga de mercado representa un gráfico disponible públicamente del Southwest Power Pool (spp.org) y son datos del operador de la red.
Como se sabe en la técnica, dicha carga 504 de mercado real no siempre coincide con dicho pronostico 502 de carga de mercado. En consecuencia, aunque los operadores de la red se esfuerzan mucho en predecir dicha carga 504 de mercado real, no son exactamente correctos. El delta entre dicho pronóstico 502 de carga de mercado y dicha carga 504 de mercado real representa un problema significativo para los operadores de la red. En una realización, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede ayudar a superar picos y caídas inesperados en dicha carga 504 de mercado real y a que dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual es capaz de aumentar económicamente para satisfacer la demanda inesperada. Por el contrario, cuando dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual se usa para proporcionar una porción de la carga base para dicho pronóstico 502 de carga de mercado, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede usarse para absorber la sobreproducción de energía mediante la compra de dicha sobreproducción y convertir el mismo en dicho H2114 y dicho O2116.
Dicho gráfico 500 de carga de mercado también ilustra un evento 510 del sistema que comprende una caída 512 de carga inesperada y una compensación 514 de reequilibrio. En una realización, dicho evento 510 del sistema puede comprender un evento en dicha carga 504 de mercado real que difiere sustancialmente de lo que se anticipó por dicho pronóstico 502 de carga de mercado. Aquí, dicha caída 512 de carga inesperada puede haber sido causada por una falla del equipo o por muchas otras circunstancias inesperadas. En este caso, el sistema sobrecompensó en dicha compensación 514 de reequilibrio y finalmente se estabilizó de nuevo en y alrededor de dicho pronóstico 502 de carga de mercado.
Dicho diagrama 100 de sistema de generación de bloques simplificado incluye varias características novedosas que otorgan una serie de ventajas a la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables en un sistema de agua/vapor de dos circuitos cerrados basado en una combinación de turbina de gas y turbina de vapor que opera en un ciclo combinado Brayton/Rankine.
En primer lugar, dicho conjunto 118 de turbina de gas se alimenta con hidrógeno puro (H2) y oxígeno puro (O2) que se alimentan a dicha cámara 408 de combustión de dicho conjunto 118 de turbina de gas para producir vapor supercrítico. Por lo tanto, (a) dicha presión y temperatura de combustión es mucho más alta de lo que sería el caso si se usara aire (que es solo un 20 % de oxígeno) como en las centrales eléctricas convencionales. Esta mezcla produce el vapor supercrítico que sale de dicha cámara de combustión a alta presión, por lo que tiene un mayor contenido de energía para impulsar dicha combinación de conjunto 118 de turbina de gas y generador. El vapor supercrítico producido con hidrógeno puro y oxígeno también es mucho menos propenso a causar corrosión que otros materiales; (b) además, mezclar el vapor alimentado a dicha cámara de combustión desde el compresor con dicho H2114 y dicho O2 116 que se queman en dicha cámara de combustión agrega masa para mantener el vapor en dicha cámara de combustión dentro de los límites térmicos de los materiales utilizados en dicho conjunto 118 de turbina de gas que acciona el generador; además, (c) dado que el único producto de la combustión es el vapor, no se producen contaminantes atmosféricos nocivos ni sustancias corrosivas, como sucedería con el uso de un agente de aire atmosférico que debe calentarse junto con el componente de oxígeno del aire, que de lo contrario representaría una pérdida sustancial de calor al sistema.
En segundo lugar, se encuentran eficiencias en la reutilización de calor en dicho intercambiador 111 de calor (Figura 1) y/o dicho primer intercambiador 111a de calor (Figura 3A-3B).
En tercer lugar, la combinación de dicho conjunto 118 de turbina de gas y dicho conjunto 140 de turbina de vapor en dos circuitos cerrados (a) protege dicho conjunto 118 de turbina de gas de daños debidos a objetos extraños que son propensos a entrar en un sistema alimentado por aire de circuito abierto, reduciendo así el tiempo de inactividad debido a reparaciones y mantenimiento. Además, (b) funcionamiento en circuito cerrado significa que dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual funciona en condiciones ISO estándar el 100 % del tiempo, es decir, 15 grados centígrados, 60 % de humedad relativa y presión atmosférica a nivel del mar de 29.72 pulg. de Hg. Además, (c) la ausencia de emisiones de compuestos de carbono (en su caso) a la atmósfera elimina la contaminación del aire por estas sustancias.
En funcionamiento, la arquitectura en cascada de circuito cerrado de dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual, que utiliza hidrógeno y oxígeno puros como combustible y agua geotérmica o subterránea como agua de alimentación o fuente de calor inicial, brinda la oportunidad de aumentar la eficiencia y reducir sustancialmente pérdidas, así como una reducción sustancial de las emisiones nocivas a la atmósfera.
En una realización, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede ser útil para proporcionar VAR según lo requiera dicha red 105 de distribución. En la transmisión y distribución de energía eléctrica, el voltamperio reactivo (var) es una unidad utilizada para medir la potencia reactiva en un sistema de energía eléctrica de CA. Existe potencia reactiva en un circuito de CA cuando la corriente y el voltaje no están en fase. En una realización, la potencia reactiva se produce por inductancia según la ley de Henry y no por desequilibrios. Los desequilibrios provocan la pérdida del control de voltaje. En una realización, una pluralidad de dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede distribuirse en dicha red 105 de distribución para proporcionar VAR correctivos a dicha red 105 de distribución según sea necesario. En una realización, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede filtrar y equilibrar los requisitos de VAR en dicha red 105 de distribución.
La Figura 6 ilustra un gráfico 600 de modelo de recurso. En una realización, dicho gráfico 600 de modelo de recurso puede ilustrar un recurso que puede pasar sin problemas de la carga a la generación. En una realización, dicho gráfico 600 de modelo de recurso puede comprender una columna 602 con índice de aumento del sistema (que representa un índice de aumento para dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual), una columna 604 de generación y una columna 606 de respuesta a la demanda. En una realización, dicho gráfico 600 de modelo de recurso puede ilustrar un principio de generación y consumo de energía entre un límite 608 superior y un límite 610 inferior. En una realización, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede aumentar para satisfacer las necesidades de dicha red 105 de distribución más rápido que los sistemas alternativos y almacenar energía cuando la generación está más allá de la demanda. Esta capacidad de aumentar rápidamente y almacenar energía adicional sirve para hacer que dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual sea una herramienta invaluable para los operadores de dicha red 105 de distribución.
Dicho gráfico 600 de modelo de recurso se ha basado en un gráfico similar encontrado en la presentación ISO de California por Greg Cook en la Conferencia APEC el 30/10/2013 en Nueva York, NY.
Dicho gráfico 600 de modelo de recurso puede comprender una rampa 612 máxima que representa una suma de los valores absolutos de dicho límite 608 superior y dicho límite 610 inferior. En una realización, dicha rampa 612 máxima puede comprender una distancia que debe superar los sistemas de energía, y se prevé que dicha rampa 612 máxima aumente en función de las demandas futuras de los sistemas de energía. En consecuencia, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede ayudar a adaptarse a las necesidades de índice de aumento de potencia.
Alternativamente, en una realización, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede usar dicho electrolizador para proporcionar equilibrio del sistema, capturar viento desaprovechado, filtrar armónicos y transitorios de grandes fuentes de inducción y resolver problemas de secuencia cero. De hecho, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede reaccionar casi instantáneamente para equilibrar las cargas en dicha red 105 de distribución.
La Figura 7 ilustra un gráfico 700 de escenario de carga base. En una realización, dicho gráfico 700 de escenario de carga base puede ilustrar una carga a lo largo del tiempo para el año 2020 en California. En una realización, dicho gráfico 700 de escenario de carga base puede comprender valores para una carga 702 eólica, una carga 704 solar total, una carga 706 neta y una carga 708. Dicho gráfico 700 de escenario de carga base ilustra la variabilidad de dicha carga 702 eólica y dicha carga 704 solar total al pronosticar la generación de energía. En consecuencia, el índice de aumento rápido de dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede utilizarse para ayudar en este entorno de gestión de energía. Por lo tanto, en una realización, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede utilizar sus reservas de dicho H2114 y dicho O2116 para ayudar a gestionar las demandas de dicha red 105 de distribución. De hecho, dicho sistema 101 de generación eléctrica de circuito cerrado dual puede ayudar a lidiar con ráfagas de viento repentinas representadas en dicha carga 702 eólica, o una nube pasajera representada en dicha carga 704 solar total almacenando energía entre tiempos de producción y tiempos de consumo. En última instancia, esta tecnología ayudará a implementar más de dicha matriz 404 eólica o solar, ya que los administradores ahora tienen una herramienta para usar la energía que generan.
Tenga en cuenta que dicho gráfico 700 de escenario de carga base se tomó de una presentación del Sr. Mark Rothleder en el Seminario de verano Innovating for Flexibility 2013 de California ISO del 5 de agosto de 2013.
En una realización alternativa, la caldera en el circuito de entrada de la turbina de vapor puede ser opcional.
Son posibles diversos cambios en los detalles de los métodos operativos ilustrados sin apartarse del alcance de las siguientes reivindicaciones. Algunas realizaciones pueden combinar las actividades descritas en este documento como etapas separadas. De manera similar, se pueden omitir una o más de las etapas descritas, dependiendo del entorno operativo específico en el que se implemente el método. Debe entenderse que la descripción anterior pretende ser ilustrativa y no restrictiva. Por ejemplo, las realizaciones descritas anteriormente se pueden usar en combinación entre sí. Muchas otras realizaciones serán evidentes para los expertos en la técnica al revisar la descripción anterior. Por lo tanto, el alcance de la invención debe determinarse con referencia a las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones adjuntas, los términos “que incluye” y “en el que” se utilizan como equivalentes en inglés sencillo de los términos respectivos “que comprende” y “en el que”.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado, que comprende:
un conjunto (118) de turbina de gas que comprende una cámara (408) de combustión, un compresor (406), una primera bomba (160a), un primer eje de mando (412), una turbina (410) de gas y un primer generador (119);
un conjunto (140) de turbina de vapor que comprende una segunda bomba (160b), un segundo eje de mando (430), una turbina (428) de vapor y un segundo generador (142);
un circuito (103a) de turbina de gas capaz de contener y transportar un fluido (123) de trabajo de circuito de turbina de gas;
un circuito (103b) de turbina de vapor capaz de contener y transportar fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor;
caracterizado porque dicho circuito (103a) de turbina de gas y dicho circuito (103b) de turbina de vapor comprenden cada uno un sistema de circuito cerrado para transportar dicho fluido (123) de trabajo de circuito de turbina de gas y dicho fluido (123) de trabajo de circuito de turbina de vapor a través de dicho conjunto (118) de turbina de gas y dicho conjunto (140) de turbina de vapor sin mezclar dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas y dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor entre sí; comprendiendo dicho fluido de trabajo de circuito de turbina de gas y dicho fluido (123) de trabajo de circuito de turbina de vapor un líquido y un vapor en diferentes etapas dentro de dichos circuitos cerrados de turbina de gas y turbina de vapor;
dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas circula a través del conjunto (118) de turbina de gas, la primera bomba (160a) y un primer intercambiador (111) de calor;
dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor circula a través del conjunto (140) de turbina de vapor, la segunda bomba (160b) y dicho primer intercambiador (111) de calor;
dicho primer intercambiador (111) de calor transfiere la primera energía térmica desde dicho circuito (103a) de turbina de gas a dicho circuito (103b) de turbina de vapor; dicho conjunto (118) de turbina de gas genera una primera porción de una salida (106) eléctrica quemando H2 y O2 que recorre dicha turbina (410) de gas y accionar dicho primer generador (119); y
dicho conjunto (140) de turbina de vapor genera una segunda porción de dicha salida (106) eléctrica; y se proporciona un electrolizador (112) para generar H2 (114) y O2 (116) y tanques (120, 122) de almacenamiento se proporcionan para almacenar dicho H2 y O2 por separado, antes de su uso por el conjunto (118) de turbina de gas.
2. El sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de la reivindicación 1, en el que: dicho circuito (103a) de turbina de gas comprende
el conjunto (118) de turbina de gas, la primera bomba (160a) y un conjunto (113) separador;
un primer conducto (180a) que transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas que comprende un escape de dicho conjunto (118) de turbina de gas a dicho primer intercambiador (111) de calor,
un segundo conducto (180b) que transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas desde dicho primer intercambiador (111) de calor hasta el conjunto (113) separador,
un tercer conducto (180c) que transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas en fase de vapor desde dicho conjunto (113) separador hasta dicho conjunto (118) de turbina de gas, y
un cuarto conducto (180d) que transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas en forma líquida desde dicho conjunto (113) separador hasta dicho conjunto (118) de turbina de gas;
dicho cuarto conducto (180d) comprende dicha primera bomba (160a) capaz de regular un caudal de dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas a través de dicho cuarto conducto (180d); y
dicho conjunto (113) separador es capaz de separar dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas en la fase de vapor y la forma líquida.
3. El sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de la reivindicación 1, en el que: dicho circuito (103b) de turbina de vapor comprende
el conjunto (140) de turbina de vapor, la segunda bomba (160b) y el primer intercambiador (111) de calor;
un quinto conducto (180e) que transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor que comprende un escape de dicho conjunto (140) de turbina de vapor a dicho primer intercambiador (111) de calor, y
un sexto conducto (180f) que transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor desde dicho primer intercambiador (111) de calor hasta dicho conjunto (140) de turbina de vapor;
dicho primer intercambiador (111) de calor capaz de calentar dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor antes de ser transportado de regreso a dicho conjunto (140) de turbina de vapor; y
dicha segunda bomba (160b) está colocada en dicho quinto conducto (180e) y es capaz de regular un caudal de dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor desde dicho conjunto (140) de turbina de vapor a un segundo intercambiador (111b) de calor;
dicho primer intercambiador (111) de calor transfiere energía térmica desde dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas de dicho conjunto (118) de turbina de gas al fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor del conjunto (140) de la turbina de vapor desde un conjunto (128) condensador regulada por dicha segunda bomba (160b).
4. El sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de la reivindicación 2, en el que: dicho conjunto (113) separador comprende un segundo intercambiador (111b) de calor y un separador (302); dicho segundo conducto (180b) transporta dicho fluido (123) de trabajo de circuito de turbina de gas desde dicho primer intercambiador (111) de calora dicho segundo intercambiador (111b) de calor;
un séptimo conducto (180g) transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas desde una entrada (104) de agua a dicho segundo intercambiador (111b) de calor en un décimo conducto (180m) después de enfriar el fluido de trabajo del circuito de turbina de gas que entra en el segundo intercambiador (111b) de calor y sale en un octavo conducto (180h) al separador (302);
el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas en forma de vapor desde dicho separador (302) entra en dicho compresor (406) utilizando el tercer conducto (180c);
el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas en forma líquida desde dicho separador (302) entra en dicha cámara (408) de combustión utilizando el cuarto conducto (180d);
El H2 (114) y O2 (116) desde sus respectivos tanques (120, 122) de almacenamiento ingresa a dicha cámara (408) de combustión y es quemado en la cámara (408) de combustión mezclado en una proporción de 1Kg de H2 y 8Kg de O2 bajo presión por encima de la atmósfera;
el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas comprimido en forma de vapor procedente de dicho compresor (406) y el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas en forma líquida procedente de dicho separador (302) se inyecta en la cámara (408) de combustión a presión que excede la presión atmosférica para agregar masa al fluido de trabajo del circuito de turbina de gas y producir vapor a un nivel supercrítico, respectivamente;
la temperatura del fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas que sale de la cámara (408) de combustión hacia la cámara de gas está limitada a los límites térmicos del material utilizado en el conjunto de la turbina de gas.
5. El sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de la reivindicación 4, en el que: dicho décimo conducto (180m) transporta dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas desde dicho segundo intercambiador (111b) de calor hasta un pozo (110) de inyección;
dicho separador (302) expulsa una porción del fluido (123) de trabajo del circuito de la turbina de gas en forma líquida a través de un noveno conducto (180k) hacia una salida (108) de agua, y la masa expulsada de fluido (123) de trabajo del circuito de la turbina de gas no exceda la masa del H2 (114) y O2 (116) que ingresa a la cámara (408) de combustión en un instante;
el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas en la salida (108) de agua es agua ultrapura que se puede mezclar con otras fuentes de agua disponibles de manera controlada para mejorar la calidad final del agua mezclada que se puede usar.
6. El sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de la reivindicación 3, en el que: dicho circuito (103b) de turbina de vapor comprende además un conjunto (128) condensador entre dicho conjunto (140) de turbina de vapor y dicha segunda bomba (160b);
dicho quinto conducto (180e) transporta dicho fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor desde dicho conjunto (140) de turbina de vapor a dicho conjunto (128) condensador;
un duodécimo conducto (180p) transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor en fase líquida desde dicho conjunto (128) condensador hasta dicho primer intercambiador (111) de calor;
un undécimo conducto (180n) transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor desde una entrada (104) de agua a dicho conjunto (128) condensador para enfriar el fluido de trabajo del circuito de turbina de vapor que sale del conjunto (128) condensador por un decimotercer conducto (180q) a la salida (108) de agua.
7. El sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de la reivindicación 3, que comprende además una caldera (124);
dicha caldera (124) es capaz de calentar el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor desde el primer intercambiador (111) de calor hasta el conjunto (140) de turbina de vapor de dicho circuito (103b) de turbina de vapor quemando una porción de una entrada de gas natural;
dicho sexto conducto (180f) transporta dicho fluido (123) de trabajo de circuito de turbina de vapor desde dicho primer intercambiador (111) de calor a dicha caldera (124); y
un decimocuarto conducto (180r) transporta el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor desde dicha caldera (124) hasta dicho conjunto (140) de turbina de vapor;
el producto de la combustión de dicho gas natural no se mezcla con el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor.
8. El sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de la reivindicación 1, en el que: dicho fluido de trabajo del circuito de turbina de gas y el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor es agua que puede correr en un pulidor de agua e inhibidor de corrosión;
dicho fluido de trabajo del circuito de turbina de gas y el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor no se mezclan;
dicho fluido de trabajo del circuito de turbina de gas y el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor existen en forma de líquido, vapor y una mezcla de líquido y vapor en diferentes componentes del circuito (103a) de turbina de gas y el circuito (103b) de turbina de vapor.
9. El sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de la reivindicación 1, en el que: dicha primera porción de la salida (106) eléctrica se genera cuando el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas procedente de la cámara (408) de combustión entra en la turbina (410) de gas y la hace girar;
la turbina (410) de gas está unida al primer eje de mando (412) que está unido al primer generador (119) que genera la primera porción de la salida (106) eléctrica;
la segunda porción de la salida (106) eléctrica se genera cuando el fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de vapor procedente del primer intercambiador (111) de calor entra en la turbina (428) de vapor y la hace girar;
la turbina (428) de vapor está unida al segundo eje de mando (430) que está unido al segundo generador que genera la segunda porción de la salida (106) eléctrica;
el primer eje de mando (412) y el segundo eje de mando (430) no están conectados entre sí;
dicha primera porción y dicha segunda porción de dicha salida (106) eléctrica están conectadas a uno o más transformadores (156) que están, a su vez, conectados a una red (105) de distribución.
10. El sistema de generación eléctrica de circuito cerrado dual de ciclo combinado de la reivindicación 2, en el que el conjunto (113) separador comprende un separador (302), dicho separador (302) separa la fase de vapor de la fase líquida del fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas que entra al separador (302) desde el primer intercambiador (111) de calor usando un octavo conducto (180h);
la fase de vapor del fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas desde el separador (302) sale hacia el compresor del conjunto (118) de turbina de gas usando un tercer conducto (180c);
la fase líquida del fluido (123) de trabajo del circuito de turbina de gas desde el separador (302) sale hacia la cámara (408) de combustión y el conjunto (118) de la turbina de gas utilizando un cuarto conducto (180d) regulado por la primera bomba (160a).
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