MX2015004159A - Un turboexpansor y sistema de turbomaquina accionada. - Google Patents

Abstract

El turboexpansor y sistema de turbomáquina accionada comprenden: un turboexpansor (13) configurado para expandir un primer fluido y comprende una etapa de expansión con un propulsor expansor; un primer conjunto de álabes guía de entrada móviles (23) en la entrada de la etapa de expansión; una turbomáquina accionada (21) configurada para procesar un segundo fluido y comprende un propulsor de turbomáquina; un segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles (27) en la entrada del propulsor de turbomáquina; una transmisión mecánica (19) entre el turboexpansor y la turbomáquina; y un controlador (25, 29) conectado a un segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles (27) y configurado para controlar el segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles (27) para ajustar la velocidad de rotación de la turbomáquina y dicho turboexpansor.

Description

UN TURBOEXPANSOR Y SISTEMA DE TURBOMÁOUINA ACCIONADA CAMPO DE LA INVENCIÓN Las modalidades de la materia aquí descrita se relacionan en general con sistemas que comprenden turboexpansores, turbomáquinas accionadas y métodos para operar los mismos.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA Los turboexpansores son ampliamente usados para refrigeración industrial, procesamiento de petróleo y gas y en procesos a bajas temperaturas. En algunas solicitudes conocidas, los turboexpansores se usan en ciclos de recuperación de calor para accionar un generador eléctrico. El documento US 2011/0305556 describe un sistema y un método para generación de energía que incluye un turboexpansor con por lo menos dos etapas de expansión para recuperación de calor y generación de energía mecánica para accionar un generador eléctrico. En esta solicitud conocida, el turboexpansor es introducido en un ciclo de Rankine.

El documento EP 2400117 describe la solicitud de un sistema de turboexpansor-compresor de acuerdo con la téenica antecedente, en donde el mismo fluido es procesado en el turboexpansor y en el compresor. La figura 1 ilustra el sistema de turboexpansor-compresor de la técnica antecedente. El sistema está designado con el número 200. Un turboexpansor 210 tiene un propulsor de turboexpansor 212. El turboexpansor 210 recibe un flujo de gas de entrada en 214. Dentro del turboexpansor 210, el gas se puede expandir y de esta manera, causar la rotación del propulsor del turboexpansor 212. El gas expandido sale del turboexpansor 210 en 216. Cuando el sistema de turboexpansor-compresor 200 funciona bajo condiciones de diseño, una presión ml y una temperatura TI del flujo de gas de entrada en 214, así como una presión p2 y una temperatura T2 del flujo de gas en el lado de salida 216 tiene válvulas próximas a valores predeterminados. Sin embargo, en algunas situaciones, el sistema de turboexpansor-compresor opera bajo condiciones fuera de diseño. Cuando ocurren condiciones fuera de diseño, la presión pl del flujo de gas entrante en 214 se puede ajustar para volverse de nuevo próximos al respectivo valor nominal, por ejemplo, un primer conjunto de álabes guía de entrada móviles (IGV1) 218. El primer conjunto de álabes guía de entrada móviles 218 se ubican en una entrada del turboexpansor 210.

En el sistema de turboexpansor-compresor 200 ilustrado en la figura 1, un compresor 224 tiene un propulsor de compresor 226. El compresor 224 recibe el flujo de gas desde el turboexpansor 210 y suministra un flujo de gas comprimido en el lado de suministro 228. Sin embargo, entre el turboexpansor 210 y el compresor 224, la presión del flujo de gas se puede alterar debido a otros componentes del proceso (por ejemplo, separadores, enfriadores, válvulas) y pérdidas de presión, para que el flujo de gas en 216 tenga una presión p3 cuando entra al compresor 224.

El trabajo mecánico generado por la expansión del gas en el turboexpansor gira el propulsor del turboexpansor 212. El propulsor del turboexpansor 212 está montado en el mismo vástago 230 que el propulsor del compresor 226. Por lo tanto, el propulsor del compresor 226 gira debido al trabajo mecánico generado durante la expansión del gas en el turboexpansor 210. El giro de propulsor del compresor 226 proporciona la energía usada para comprimir el gas en el compresor 224. El trabajo mecánico necesario para girar el propulsor del compresor 226 afecta la velocidad de giro u del vástago 230 y, por lo tanto, afecta de manera indirecta el proceso de expandir el gas dentro del turboexpansor 210.

La eficacia del turboexpansor se relaciona con una relación de la velocidad de guro u del vástago 230 y la caída de entalpia DH en el turboexpansor 210. La expansión de gas en el turboexpansor 210 se puede considerar aproximadamente un proceso isoentrópico.

Los parámetros característicos (es decir, ml, TI, p2 y T2) de la expansión de gas en el turboexpansor 210 y la velocidad de giro u del vástago 230 pueden no variar de manera independiente. Por lo tanto, en condiciones fuera de diseño, para maximizar la eficacia del turboexpansor, la presión p3 del flujo de gas en la entrada 216 del compresor 224 se puede controlar, por ejemplo, por medio de un segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles IGV2 232 provisto en la entrada del compresor. Al modificar la presión p3 del flujo de gas 216 introducido en el compresor 224, la velocidad de giro u del vástago 230 se modifica y, por lo tanto, la eficacia del turboexpansor 210 se puede maximizar.

Un controlador 240 recibe información con respecto a la presión ml y la temperatura TI del flujo de gas en el lado de la entrada 214 del turbo expansor 210, la presión p3 del flujo de gas en la entrada 216 del compresor 224 y la velocidad de giro u del vástago 230 por medio de sensores adecuados. El controlador 240 puede enviar comandos C1 a IGV1 218 para ajustar la presión pl del flujo de gas en la entrada del turboexpansor 214 para estar dentro de un intervalo predeterminado. Con base en la revisión de la información adquirida, el controlador 240 determina cuando el sistema de turboexpansor-compresor 200 funciona en condiciones fuera de diseño. Cuando el controlador 240 determina que el sistema de turboexpansor-compresor 200 funciona en condiciones fuera de diseño, el controlador 240 envía comandos C2 al segundo conjunto de IGV2 232 para ajustar la presión p3 del gas de entrada hacia el compresor para minimizar la relación R entre la velocidad de giro u del vástago 230 y la caída de entalpia DH a través del turboexpansor 210.

En esta modalidad conocida, el mismo controlador controla los álabes guía de entrada móviles del turboexpansor y los álabes guía de entrada móviles del compresor para optimizar la eficacia del sistema, con base en la suposición de que el mismo fluido es procesado en las dos turbomáquinas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Las modalidades de la descripción se relacionan con un turboexpansor y sistema de turbomáquina accionada. El sistema de turbomáquina accionada por un turboexpansor puede incluir: un turboexpansor configurado para expandir un primer fluido y comprende por lo menos una etapa de expansión con un propulsor de expansión; por lo menos un primer conjunto de álabes guía de entrada móviles en la entrada de la etapa de expansión; y una turbomáquina accionada configurada para procesar un segundo fluido y que comprende por lo menos un propulsor de turbomáquina provisto con un segundo conjunto de álabes guía de entrada móvil en la entrada del propulsor de la turbomáquina. El sistema puede incluir además una transmisión mecánica entre el turboexpansor y la turbomáquina accionada. El sistema puede incluir además un controlador conectado a un segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles y configurados para controlar el segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles para ajustar la velocidad de giro de dicha turbomáquina accionada y dicho turboexpansor.

Conjuntos separados de álabes guía de entrada móviles, en la entrada del turboexpansor y en la entrada de la turbomáquina accionada, respectivamente, por un lado permiten el control sobre la velocidad de giro del sistema y por el otro lado permiten optimizar la energía producida por el turboexpansor. Por ejemplo, el primer fluido se puede procesar en un ciclo cerrado termodinámico de recuperación de calor, y los álabes guía de entrada móviles del primer conjunto se usan para ajustar las condiciones de operación del turboexpansor con base en el calor disponible a partir de una fuente de calor. Por ejemplo, el segundo fluido puede ser un gas o un líquido procesado por un compresor o una bomba, y los álabes guía de entrada móviles del segundo conjunto se usan, por ejemplo, para ajustar el índice de flujo del segundo fluido a través de la turbomáquina accionada para establecer, ajustar o mantener la velocidad de giro deseada del sistema.

En modalidades preferidas, la transmisión mecánica está configurada para proporcionar un índice de transmisión fijo entre el turboexpansor y la turbomáquina accionada. En algunas modalidades ejemplares, el turboexpansor tiene un solo propulsor montado en un vástago. La turbomáquina accionada tiene por lo menos un propulsor montado en el mismo vástago para que las dos máquinas giren a la misma velocidad de giro, el índice de transmisión es de 1. Un solo vástago se puede formar por una o más porciones del vástago. Se pueden proporcionar uniones para conectar dos o más porciones de vástago la una con la otra. Las uniones pueden ser uniones rígidas, uniones elásticas o embragues o similares.

En otras modalidades ejemplares, el turboexpansor puede comprender más de una etapa, cada etapa incluye por lo menos un propulsor. Por lo menos uno o de preferencia todos los propulsores se pueden proporcionar con respectivos álabes guía de entrada móviles. Si se proporciona más de un conjunto de álabes guía de entrada móviles, en la entrada de más de una etapa, cada conjunto de álabes guía de entrada móviles se puede controlar de manera independiente de los otros para una operación óptima de cada etapa del turboexpansor.

En algunas modalidades, el turboexpansor de etapas múltiples puede ser un llamado turboexpansor integralmente engranado. Un turboexpansor integralmente engranado puede incluir una rueda dentada central que se entrelaza con dos o más engranajes periféricamente dispuestos alrededor del eje de la rueda dentada. Cada engranaje está montado en un vástago de un propulsor de turboexpansor correspondiente. En este caso, cada etapa del turboexpansor puede girar a su propia velocidad de giro, el índice de velocidad entre los vástagos se optimiza para maximizar la eficacia general del turboexpansor. Un engranaje adicional montado en un vástago de salida de energía se puede entrelazar con la rueda dentada central. El vástago de salida de energía puede, a su vez, soportar uno o más propulsores de la turbomáquina accionada. Con esta disposición, se proporciona un índice de velocidad giratoria fija entre el vástago de salida de energía y cada vástago de accionamiento de cada etapa del turboexpansor.

De acuerdo con algunas modalidades, el primer conjunto de los álabes guía de entrada móviles está configurado para controlar por lo menos un parámetro del primer fluido, el cual es procesado por el turboexpansor. Si el turboexpansor está comprendido por más de un propulsor, cada propulsor puede ser provisto son su propio primer conjunto de álabes guía de entrada móviles. En este caso, cada conjunto de álabes guía de entrada móviles provisto para el turboexpansor puede estar diseñado para controlar por lo menos un parámetro del primer fluido que entra a la respectiva etapa del turboexpansor.

En algunas modalidades, el parámetro del primer fluido es una presión de fluido en la entrada de la etapa del turboexpansor, o en cada etapa del turboexpansor provista con álabes guía de entrada móviles.

De acuerdo con algunas modalidades de la descripción, el controlador está configurado para recibir información con respecto a la velocidad de giro de la máquina accionada y para controlar el segundo conjunto de álabes guía de entrada para ajustar la velocidad de giro a un valor de velocidad deseada. Ya que normalmente existe un índice de transmisión fijo entre el vástago de la turbomáquina accionada y el vástago del turboexpansor o del vástago de cada etapa del turboexpansor, controlar la velocidad de giro de la turbomáquina accionada implica también controlar la velocidad de giro del turboexpansor o de cada etapa del turboexpansor.

En términos generales, el controlador puede estar configurado para controlar la velocidad de giro de acuerdo con cualquier función deseada. En algunas modalidades de la descripción, el controlador está configurado para mantener la velocidad de giro a un valor deseado fijo o dentro de un intervalo de valor permisible alrededor de un valor de velocidad constante, por ejemplo aproximadamente +/- 2% de la velocidad de giro deseada, dichos valores son solo a manera de ejemplo y no limitan el alcance de la presente descripción.

El primer conjunto de álabes guía de entrada movibles en la entrada del turboexpansor, y/o cada uno del primer conjunto de álabes guía de entrada móviles en la entrada de cada etapa del turboexpansor se puede controlar para maximizar la energía generada por el turboexpansor. En modalidades ventajosas se pueden proporcionar un controlador y un servoactuador para controlar dicho(s) primer(os) conjunto(s) de álabes guía de entrada móviles. El controlador puede estar configurado para adaptar la posición de los álabes guía de entrada móviles de acuerdo con uno o más parámetros del primer fluido, que fluye a través del turboexpansor, para maximizar la energía recuperada por el fluido en el turboexpansor.

De acuerdo con varias modalidades, el fluido procesado por el turboexpansor es un fluido de trabajo de un ciclo termodinámico cerrado, por ejemplo, el fluido de un ciclo de recuperación de calor. En modalidades ventajosas, el ciclo de recuperación de calor puede ser un ciclo de Ranklne. En modalidades particularmente ventajosas, el ciclo de recuperación de calor es un ciclo de Rankine orgánico. Por ejemplo, el ciclo de recuperación de calor puede incluir un condensador, una bomba, disposiciones de intercambio de calor, para recuperar calor desde una fuente de calor y vaporizar el fluido que es procesado mediante el ciclo termodinámico de recuperación. En algunas modalidades, el ciclo puede Incluir un calentador y un súper calentador dispuesto en serle junto con el circuito del fluido de trabajo, entre la bomba y el turboexpansor. En algunas modalidades, la eficacia del ciclo se puede aumentar por medio de un recuperador, en donde el calor en el fluido expandido que sale del turboexpansor es transferido al fluido frío y presurizado suministrado por la bomba.

En modalidades ejemplares, la turbomáqulna accionada puede comprender una bomba o un compresor, por ejemplo, un compresor centrífugo o bomba centrífuga. La turbomáquina accionada puede ser una turbomáquina de una sola etapa o de etapas múltiples.

De acuerdo con un aspecto adicional, la descripción se relaciona en general con un método para operar un sistema que comprende un turboexpansor, una turbomáquina accionada de manera mecánica por medio de dicho turboexpansor, por lo menos un primer conjunto de álabes guía de entrada móviles en el turboexpansor, un segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles en la turbomáqulna accionada. De acuerdo con algunas modalidades, el método comprende los pasos de: expandir un primer fluido a través de dicho turboexpansor y producir energía mecánica con el mismo; girar dicha turbomáquina accionada por medio de dicha energía; procesar un segundo fluido a través de dicha turbomáquina accionada; controlar dicho segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles para ajustar la velocidad de giro de dicha turbomáquina accionada y dicho turboexpansor.

Se puede proporcionar un paso adicional para controlar el segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles para mantener la velocidad de giro dentro de un intervalo alrededor de un valor constante. Además, también se puede proporcionar un paso para controlar el primer conjunto de álabes guía de entrada móviles para maximizar la energía producida por dicho turboexpansor.

Si el turboexpansor y/o la turbomáquina accionada comprenden más de una etapa, cada etapa puede estar provista con un respectivo conjunto de álabes guía de entrada móviles. Por lo tanto, el término "primer conjunto de álabes guía de entrada móviles" puede incluir un solo conjunto de álabes guía de entrada móviles en la entrada de un propulsor del turboexpansor, o más de un conjunto, en la entrada de más de un tal propulsor. De igual manera, el término "segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles" puede incluir un solo conjunto de álabes guía de entrada móviles en la entrada de un propulsor de la turbomáquina accionada, o más de un conjunto, en la entrada de más de un propulsor accionado.

De acuerdo con algunas modalidades, el método puede comprender el paso de recuperar calor desde una fuente de calor por medio del primer fluido procesado por el turboexpansor y, parcialmente convertir el calor en energía mecánica en el turboexpansor. El primer fluido puede ser procesado en un ciclo termodinámico cerrado, el método incluye los pasos de condensar, presurizar, calentar, vaporizar el primer fluido; expandir el primer fluido en el turboexpansor que genera energía y condensar de nuevo el fluido expandido. El método puede incluir recuperar calor a partir de un ciclo termodinámico superior, tal como un ciclo de turbina de gas. En otras modalidades, el método puede incluir el paso de recuperar calor de una fuente de energía renovable, tal como una planta solar, por medio de un concentrador solar, por ejemplo.

Las características y modalidades se describen a continuación y se establecen adicionalmente en las reivindicaciones anexas, que forman una parte integral de la presente descripción. La breve descripción anterior establece las características de las diferentes modalidades de la presente invención para que la siguiente descripción detallada pueda comprenderse mejor y para que las presentes contribuciones a la téenica se aprecien mejor. Por supuesto, hay otras características de la invención que se describirán en lo sucesivo y que se establecerán en las reivindicaciones anexas. En este respecto, antes de explicar a detalle las diferentes modalidades de la invención, deberá entenderse que las diferentes modalidades de la invención no está limitada en su solicitud a los detalles de construcción y a las disposiciones de los componentes que se describen en la siguiente descripción o que se ilustran en los siguientes dibujos. La invención puede tener otras modalidades y puede ser practicada o realizada de varias maneras. También, se entiende que la fraseología y la terminología utilizadas en la presente tienen el propósito de descripción y no se deben considerar limitativas.

De tal manera, los expertos en la téenica observará que la concepción, en la que se basa la descripción, puede utilizarse fácilmente como una base para diseñar otras estructuras, métodos y/o sistemas para llevar a cabo varios propósitos de la presente invención. Por lo tanto, es importante que las reivindicaciones se consideren como las que incluyen tales construcciones equivalentes en tanto que no se alejen del espíritu y el alcance de la presente invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Una apreciación más completa de las modalidades descritas de la invención y muchas de las ventajas auxiliares de la misma se obtendrán fácilmente al mismo tiempo que la misma se comprenda mejor por referencia a la siguiente descripción detallada cuando se considera en relación con los dibujos anexos, en donde: la figura 1 ilustra un sistema de turboexpansor-compresor de la técnica antecedente; la figura 2 ilustra in sistema de recuperación de calor con un turboexpansor que acciona una turbomáquina accionada de acuerdo con una modalidad de la presente descripción; la figura 3 ilustra una sección de un turboexpansor de dos etapas integralmente engranado que acciona un compresor de acuerdo con una modalidad de la presente materia que aquí se describe; la figura 4 ilustra una esquemática de la disposición de engranajes del sistema de turboexpansor-compresor de la figura 3; y la figura 5 ilustra un diagrama de bloques del método para controlar los álabes guía de entrada de la turbomáquina accionada.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplares se refiere a los dibujos anexos. Los mismos números de referencia en diferentes dibujos identifican los mismos o similares elementos. Adicionalmente, las figuras no necesariamente están a escala. También, la siguiente descripción detallada no limita la invención. Más bien, el alcance de la invención está definido por las reivindicaciones adjuntas.

La referencia en la especificación a "una modalidad" o "la modalidad" o "algunas modalidades" significa que el rasgo, estructura o característica particular descritas en relación con una modalidad se incluye en al menos una modalidad del tema descrito. Así, la aparición de las frases "en una modalidad" o "en la modalidad" o "en algunas modalidades" en varios lugares a través de la especificación no necesariamente se refiere a la misma modalidad. Adicionalmente, los rasgos, estructuras o características particulares se pueden combinar de cualquier manera adecuada en una o más modalidades.

En la figura 2, se ilustra una posible aplicación del sistema de turbomáquina accionada por el turboexpansor y se describirá a mayor detalle a continuación. Se debe comprender que la aplicación del turboexpansor y el sistema de turbomáquina accionado de la figura 2 es solo una modalidad ejemplar de aplicaciones y usos posibles de un sistema de acuerdo con la materia aquí descrita. Específicamente, en la modalidad ilustrada en la figura 2, el turboexpansor recupera calor a partir de una turbina de gas que acciona una turbomaquinaria, tal como un compresor centrífugo. Sin embargo, se debe comprender que la fuente de calor a recuperar por medio del turboexpansor puede ser cualquier otra fuente de calor, por ejemplo, un concentrador solar, un motor de diesel para accionar un generador eléctrico, o similares.

Con referencia a la figura 2, el número de referencia 1 se refiere a una turbina de gas para accionar una turbomaquinaria accionada, tal como un compresor o tren de compresor 2, por ejemplo, un compresor centrífugo o un tren centrifugo-compresor. El compresor 2 puede pertenecer a un sistema compresor para procesar un refrigerante en un sistema de licuefacción de gas natural. En otras modalidades, no mostradas, la turbina de gas se puede usar para propósitos de generación eléctrica, en lugar de un accionamiento mecánico. En tal caso, la turbina de gas 1 puede ser cargada con un generador eléctrico. La turbina de gas 1 genera gases de combustión, los cuales fluyen a través de un intercambiador de recuperación de calor 3 antes de ser descargados a la atmósfera.

Un primer bucle cerrado 4 se usa para retirar calor del ¡ntercambiador de calor 3 y suministrarlo a un segundo bucle cerrado 5. En el primer bucle cerrado 4, un fluido de transferencia de calor, por ejemplo un aceite diatérmico, se usa para transferir el calor removido de los gases de combustión hacia el bucle cerrado 5. El número de referencia 6 indica una bomba de circulación de bucle cerrado 4.

El segundo bucle cerrado 5 es un ciclo termodinámico. Un fluido de trabajo que circula en el bucle cerrado 5 es sometido a las transformaciones termodinámicas que incluyen condensación, bombeo, calentamiento, vaporización, expansión, para transformar la energía térmica en energía mecánica. En la modalidad aquí descrita, el ciclo termodinámico realizado en el bucle cerrado 5 se basa en el principio del ciclo de Rankine. Un fluido de trabajo adecuado, por ejemplo, ciclopentano u otro fluido orgánico adecuado que se puede utilizar en un ciclo de Rankine, se usa en el segundo bucle cerrado 5.

El segundo bucle cerrado 5 comprende una bomba de circulación 7, un vaporizador 9, un supercalentador 11, un turboexpansor 13, un recuperador 15 y un condensador 17. Puede haber componentes adicionales en el circuito, tal como es sabido por los expertos en la téenica.

El fluido de trabajo en el estado líquido que circula en el segundo bucle cerrado 5 es bombeado a un primer nivel de presión más alta por medio de la bomba de circulación 7. El fluido presurizado es calentado en el vaporizador 9 y en el supercalentador 11 por medio del calor recuperado por el fluido circulante en el primer bucle cerrado 4. En la salida del supercalentador 11, el fluido de trabajo circulante en el segundo bucle cerrado 5 está en un estado súper caliente, gaseoso y a alta presión. El fluido de trabajo súper caliente a alta presión es expandido en el turboexpansor 13. El fluido expulsado que sale del turboexpansor 13 fluye a través del recuperador de calor 15 y se condensa finalmente en el condensador 17. El condensador 17 puede incluir un intercambiador de calor de líquido/aire.

En el recuperador de calor a baja temperatura contenido en el fluido expandido que sale del turboexpansor 13 se intercambia con el fluido frío y presurizado en estado líquido que es suministrado por la bomba de circulación 7.

En la modalidad ejemplar ilustrada en la figura 2, el turboexpansor 13 está mecánicamente conectado por medio de una transmisión mecánica 19 a una turbomáquina accionada 21. Por ejemplo, la turbomáquina accionada 21 puede ser un compresor, por ejemplo, un compresor centrífugo. En otras modalidades, la turbomáquina accionada 21 puede ser una bomba.

Como se explicará a mayor detalle a continuación, el turboexpansor 13 puede ser un turboexpansor integralmente engranado de etapas múltiples. Sin embargo en la representación esquemática de la figura 2, el turboexpansor 13 se ilustra en una manera simplificada como un turboexpansor de etapa única.

El turboexpansor 13 está provisto con un primer conjunto de álabes guía de entrada móviles 23, los cuales pueden ser controlados por un controlador 25, con base en parámetros del ciclo termodinámico realizado en el segundo bucle accionado 5, para optimizar la eficacia del turboexpansor 13, es decir, para maximizar la energía mecánica generada por el turboexpansor 13.

La energía mecánica generada por el turboexpansor 13 puede fluctuar, por ejemplo, dependiendo de las condiciones de operación de la turbina de gas 1. La temperatura y el índice de flujo de los gases de combustión pueden variar por variación de la energía generada por la turbina de gas 1, que a su vez se determina por la energía mecánica requerida para accionar la turbomaquinaria accionada 2. Esto afecta la operación del turboexpansor 13.

En otras modalidades, el ciclo termodinámico 5 se puede usar para recuperar calor desde una fuente de calor diferente, por ejemplo, desde un concentrador solar. También en este caso, la fuente de calor desde la que el ciclo termodinámico 5 recibe calor para ser transformado en energía mecánica puede sufrir fluctuaciones, lo cual requiere ajustar las condiciones de operación del turboexpansor 13, para maximizar la energía mecánica disponible en el vástago de salida de energía del turboexpansor 13.

La turbomáquina accionada 21, por ejemplo, un compresor centrífugo, procesa un fluido que es diferente del fluido que circula en el ciclo termodinámico 5. Por ejemplo, la turbomáquina accionada 21 puede ser un compresor usado para hacer avanzar a un gas en una tubería. El compresor 21 está provisto con un segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles 27. Un controlador 29 se puede usar para ajustar la posición de los álabes guía de entrada móviles 27 con base en los parámetros de operación del compresor 21 y en la velocidad de giro del mismo.

Los parámetros de operación del compresor 21 están sustanclalmente representados por la presión de entrada o de succión 21, la temperatura de entrada o de succión TI, la presión de salida o de suministro P2 y la temperatura de salida o suministro T2. La velocidad de giro del compresor 21 está relacionada con la velocidad de giro del turboexpansor 13, ya que la transmisión mecánica 19 proporciona un índice fijo entre la velocidad de giro del turboexpansor 13 y la turbomáquina accionada o compresor 21. Si se proporciona un accionamiento directo, tal como está representado esquemáticamente por el vástago 19, el índice puede ser 1. En términos generales, si se requiere una diferente velocidad de giro, una caja de engranajes puede estar dispuesta entre el turboexpansor 13 y el compresor 21.

En algunas modalidades, los álabes de guía de entrada móviles 27 del compresor o turbomáquina accionada 21, son controlados de manera que la velocidad de giro de la turbomáquina accionada 21, y por lo tanto la velocidad de giro del turboexpansor 13, se mantiene en un valor constante o alrededor de un valor constante dentro de un intervalo de tolerancia.

Con la disposición descrita hasta el momento, el primer conjunto de álabes guía de entrada móviles 23 es usado por el controlador 25 para optimizar la operación del turboexpansor 13 con base en las condiciones en el ciclo termodinámico 5, maximizando así la salida de energía mecánica del turboexpansor 13, al mismo tiempo que el controlador 29 ajusta el segundo conjunto de álabes guía de entrada móvil 27 para controlar la velocidad de giro de la turbomáquina de manera que dicha velocidad se mantiene alrededor de un valor constante, lo que representa la velocidad de diseño del turboexpansor 13, es decir, la velocidad a la que el turboexpansor 13 tiene la máxima eficacia.

Con la disposición descrita hasta el momento es posible que correspondan los diferentes requerimientos del turboexpansor 13 y de la turbomáquina accionada 21 de una manera eficaz. Al desviar el turboexpansor 13, se evita perder parte de la energía disponible en el fluido de trabajo súper caliente del ciclo termodinámico 5. Al mismo tiempo, también se proporciona un variador de velocidad entre el vástago de salida del turboexpansor y la máquina accionada 21. Tal variador de velocidad podría incrementar los costos globales y el espacio de ocupación de la disposición de la turbomáquina accionada por el turboexpansor y podría suponer pérdidas de energía, lo que reduciría la eficacia del sistema.

El segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles 27 son controlados para que la velocidad de giro de la turbomaquinaria se mantenga alrededor del valor de ajuste deseado, tomando en cuenta los parámetros de operación de la turbomáquina accionada 21, en particular, la presión de entrada o de succión P1 y la presión de salida o de suministro P2, estos dos parámetros son determinados por las condiciones, las cuales se deben mantener dentro del fluido que es procesado por la turbomáquina accionada 21.

Como se menciona anteriormente, en algunas modalidades, el turboexpansor 13 puede ser un turboexpansor de una sola etapa con un solo propulsor montado en un vástago, y provisto con un solo conjunto de primeros álabes guía de entrada móviles, como se muestra esquemáticamente en la figura 2. En el extremo opuesto del vástago se puede montar el propulsor de la turbomáquina accionada 21. La turbomáquina 21 puede ser una turbomáquina de múltiples etapas o de una sola etapa.

Las figuras 3 y 4 ilustran las características principales de un turboexpansor de etapas múltiples 13 y, más específicamente, un turboexpansor que tiene una primera etapa de alta presión 13a y una segunda etapa de baja presión 13b. El fluido de trabajo entra a la primera etapa de alta presión 13a del turbexpansor 13 a través de un respectivo primer conjunto de álabes guía de entrada móviles 23a, sale de la primera etapa del turboexpansor 13a para ser suministrada a través de una tubería 24 a la entrada de la segunda etapa de baja presión 13b del turboexpansor 13.

En la modalidad ejemplar de la figura 3, el número de referencia 23b se refiere al respectivo primer conjunto de álabes guía de entrada móviles de la etapa de baja presión 13b del turboexpansor 13. Los dos conjuntos de álabes guía de entrada móviles 23a y 23b son controlados por un controlador 25 para maximizar la eficacia del turboexpansor de dos etapas 13. La maximización de un turboexpansor de dos etapas en un sistema de recuperación de calor, por ejemplo al usar un ciclo de Rankine orgánico, se puede basar por ejemplo en un algoritmo descrito en US 2011/0305556, contenido de la cual se incorpora a la presente como referencia.

En la representación de la figura 3, el número de referencia 19 se refiere a una transmisión mecánica entre el turboexpansor de dos etapas 13 y la turbomáquina accionada 21, por ejemplo, de nuevo un compresor, por ejemplo un compresor centrífugo. El número de referencia 27 se refiere al segundo conjunto de álabes guía de entrada colocados en la entrada de la turbomáquina accionada 21. P1 y TI indican la presión de entrada y la temperatura de entrada en el lado de succión de la turbomáquina 21. P2 y T2 indican la presión de salida y temperatura de salida en el lado de suministro de la turbomáquina accionada 21.

En la modalidad ejemplar de la figura 3, la transmisión mecánica 19 comprende una caja de engranajes 20 con dos vástagos de entrada de accionamiento y un vástago de salida accionado. El número de referencia 31a indica el primer vástago de entrada sobre el que está soportado el primer propulsor de la primera etapa de alta presión 13a del turboexpansor 13. Por lo tanto, el primer vástago de entrada 31a, gira a la velocidad de giro del propulsor de la primera etapa de alta presión del turboexpansor 13. El propulsor de la segunda etapa de baja presión 13b del turboexpansor 13 está soportado en un segundo vástago de entrada 31b, el cual gira a la velocidad de giro del propulsor de la segunda etapa de baja presión 13b del turboexpansor 13.

Como se muestra mejor en la figura 4, que ilustra una representación esquemática en una vista frontal de acuerdo con la línea IV-IV de la figura 3, la caja de engranajes 20 comprende un primer engranaje 33a montado en el primer vástago de entrada 31a y un segundo engranaje 33b montado en el segundo vástago 31b. Los dos engranajes 33a y 33b se entrelazan con una rueda de corona central 34. Un tercer engranaje 33c de la caja de engranajes 20 está montado en un vástago de salida 19a que está conectado, por ejemplo, a través de uniones 22, con el vástago de la turbomáquina accionada 21.

Los índices de transmisión entre los componentes 33a, 33b, 33c, 34 de la caja de engranajes 20 se seleccionan de manera que las dos etapas 13a, 13b de los turboexpansores de dos etapas 13 puedan girar a la velocidad de diseño requerida y accionen la turbomáquina accionada 21 a la velocidad designada de ésta última.

Por medio del controlador 29 y un servoactuador 40 adecuado, la velocidad de giro de la turbomáquina accionada 21 y, en consecuencia, la velocidad de giro de la primera etapa del turboexpansor 13a y la segunda etapa del turboexpansor 13b se puede controlar y ajustar. Por ejemplo, un sensor 41 detecta la velocidad de giro del vástago de salida 19a de la caja de engranajes 20 y dicho parámetro es usado como un parámetro de control por el controlador 29 para ajustar el segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles 27 del compresor 21 en orden, por ejemplo, para mantener la velocidad de giro en el valor requerido o dentro de un intervalo de tolerancia alrededor de dicho valor.

El algoritmo de control llevado a cabo por el controlador 29 se resume en la figura 5. Este se aplica independientemente de la cantidad de etapas del turboexpansor 13, el cual es independientemente controlado de la turbomáquina accionada 21 por medio del controlador 25, por ejemplo, al usar el algoritmo descrito en el documento US 2011/0305556 antes mencionado.

Haciendo referencia de nuevo a la figura 5, el diagrama ilustra lo siguiente. Con sensores adecuados en la presión de entrada P1 y la presión de salida P2 son medidas y los valores se proporcionan al controlador 29. El sensor 41 mide la velocidad de giro real, indicado como SI en la figura 5, y dicho valor es proporcionado al controlador 29.

El controlador 29 supervisa si la velocidad medida SI se encuentra dentro de un intervalo de tolerancia alrededor de una velocidad de operación ajustada, la cual corresponde a la velocidad de diseño de las dos etapas del turboexpansor 13a, 13b, el índice de velocidad de la caja de engranajes 20 es tomado en cuenta. En el diagrama de la figura 5, la velocidad constante requerida está designada como DS. +/-AS indica un intervalo de tolerancia aproximado al valor de velocidad deseada DS.

Si el valor medido SI se encuentra dentro del intervalo de tolerancia, entonces no se lleva a cabo ninguna acción y el controlador 29 reitera el paso del algoritmo. Si el valor de velocidad medida SI se encuentra fuera del intervalo de tolerancia, el controlador revisa si tal valor medido es inferior al valor mínimo de velocidad aceptable DS-AS. Si este es el caso, el controlador 29 genera una señal que por medio del servoactuador 40 cierra el segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles. De lo contrario, es decir, si el valor medido SI es superior a DS+AS, el controlador ocasiona que se abra el segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles.

De hecho, una caída de velocidad de giro por debajo del valor mínimo permitido DS-AS indica que la energía disponible por parte del turboexpansor 13 no es suficiente para procesar el índice de flujo del fluido que actualmente fluye a través de la máquina accionada 21. Cerrar el conjunto de álabes guía de entrada móviles 27 de la turbomáquina accionada 21 reduce el índice de flujo del fluido procesado por medio de la turbomáquina accionada 21, incrementando así la velocidad de giro de nuevo al valor dentro del intervalo admisible de tolerancia alrededor de DS.

En el caso opuesto, si la velocidad SI excede el umbral máximo DS+AS, la energía disponible por parte del turboexpansor 13 es mayor que la requerida para procesar el índice de flujo real del fluido que fluye a través de la turbomáquina accionada 21. Un índice de flujo mayor se puede procesar para explotar por completo la energía mecánica disponible en el vástago de salida 19a, y por lo tanto, los álabes guía de entrada móviles 27 de la turbomáquina accionada 21 se abren para permitir procesar un índice de flujo más alto.

Aunque las modalidades descritas del tema descrito en la presente se han mostrado en los dibujos y se han descrito completamente con particularidad y detalle en relación con varios modalidades ejemplares, será evidente para los expertos en la téenica que son posibles muchas modificaciones, cambios y omisiones sin alejarse materialmente de las enseñanzas novedosas, los principios y conceptos establecidos en la presente, y las ventajas del tema mencionado en las reivindicaciones anexas. Por lo tanto, el alcance adecuado de las innovaciones descritas debe determinarse únicamente mediante la interpretación más amplia de las reivindicaciones anexas para abarcar todas las modificaciones, cambios y omisiones. Además, el orden o la secuencia de cualquier procedimiento o pasos del método pueden variar o volverse a poner en secuencia de acuerdo con modalidades alternativas.

Claims (18)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. Un turboexpansor y sistema de máquina accionada que comprende: un turboexpansor configurado para expandir un primer fluido y que comprende por lo menos una etapa de expansión con un propulsor de expansión; por lo menos un primer conjunto de álabes guía de entrada móviles de dicha por lo menos una etapa de expansión; una turbomáquina accionada configurada para procesar un segundo fluido desde el primer fluido, y que comprende por lo menos un propulsor de turbomáquina; un segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles en la entrada de dicho propulsor de turbomáquina; una transmisión mecánica entre dicho turboexpansor y dicha turbomáquina accionada; y un controlador conectado a dicho conjunto de álabes guía de entrada móviles y configurado para controlar el segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles para ajustar la velocidad de rotación de dicha turbomáquina y dicho turboexpansor accionado; en donde dicho controlador está configurado para recibir información de dicha velocidad de rotación y controlar dicho segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles para ajustar dicha velocidad de rotación a un valor de velocidad deseada.

2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque dicho primer conjunto de álabes guía de entrada móviles está configurado para controlar por lo menos un parámetro de dicho primer fluido.

3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque dicho parámetro de dicho primer fluido es una presión de fluido.

4. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, 2 o 3, caracterizado además porque el controlador está configurado para ajustar dicha velocidad de rotación a dicho valor deseado al controlar exclusivamente dicho segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles.

5. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque dicho controlador está configurado para mantener dicha velocidad de rotación dentro de un intervalo alrededor de un valor de velocidad constante.

6. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque dicho primer conjunto de álabes guía de entrada móviles son controlados para maximizar la energía generada por dicho turboexpansor.

7. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque dicho primer fluido es un fluido de trabajo de un ciclo termodinámico cerrado.

8. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque dicho primer fluido es un fluido de trabajo de un ciclo de recuperación de calor que comprende una fuente de calor.

9. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque dicho primer conjunto de álabes guía de entrada móviles son controlados para ajustar las condiciones de operación del turboexpansor con base en el calor disponible de dicha fuente de calor.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 8 o 9, caracterizado además porque dicho ciclo de recuperación de calor es un ciclo de Rankine orgánico.

11. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque dicha turbomáquina accionada comprende un compresor.

12. El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque dicho controlador está configurado para ajustar la posición del segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles con base en parámetros de operación del compresor.

13. El sistema de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque dichos parámetros de operación del compresor comprende una presión se succión, una temperatura de entrada, una presión de suministro y una temperatura de suministro de dicho compresor.

14. Un método para operar un sistema que comprende un turboexpansor, una turbomáxina accionada de manera mecánica por medio de dicho turboexpansor, por lo menos un primer conjunto de álabes guía de entrada móviles en dicho turboexpansor, un segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles en dicha turbomáquina en dicha turbomáquina accionada; dicho método comprende los pasos de: expandir un primer fluido a través de dicho turboexpansor y generar energía mecánica con el mismo; girar dicha turbomáquina accionada por medio de dicha energía mecánica generada por dicho turboexpansor; procesar un segundo fluido, diferente al primer fluido, a través de dicha turbomáquina; controlar dicho segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles para ajustar la velocidad giratoria de dicha turbomáquina accionada y dicho turboexpansor.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha velocidad giratoria se ajusta al controlar exclusivamente dicho segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles.

16. El método de conformidad con la reivindicación 14, o 15, caracterizado además porque comprende el paso de controlar el segundo conjunto de álabes guía de entrada móviles para mantener dicha velocidad giratoria dentro de un intervalo alrededor de un valor constante.

17. El método de conformidad con la reivindicación 14, 15 o 16, caracterizado además porque comprende el paso de controlar dicho primer conjunto de álabes guía de entrada para maximizar la energía mecánica generada por dicho turboexpansor.

18. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado además porque comprende los pasos de recuperar calor desde una fuente de calor por medio de dicho primer fluido y convertir parcialmente dicho calor en energía mecánica en dicho turboexpansor.