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WO2001088343A1 - Procedimiento de obtencion de energia mecanica y/o electrica mediante un sistema de ciclo combinado de motor endotermico alternativo con motor exotermico turbinado. - Google Patents

Procedimiento de obtencion de energia mecanica y/o electrica mediante un sistema de ciclo combinado de motor endotermico alternativo con motor exotermico turbinado. Download PDF

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WO2001088343A1
WO2001088343A1 PCT/ES2001/000153 ES0100153W WO0188343A1 WO 2001088343 A1 WO2001088343 A1 WO 2001088343A1 ES 0100153 W ES0100153 W ES 0100153W WO 0188343 A1 WO0188343 A1 WO 0188343A1
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boiler
engine
turbine
thermal
fuels
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PCT/ES2001/000153
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English (en)
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Inventor
Jaime Mur Domenech
Original Assignee
Altair Tecnologia S.A.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present procedure consists in obtaining electrical energy from the use of solid fuels, on the one hand, by an external combustion machine (steam turbine) and fluid fuels, on the other, by internal combustion (alternative engine); combining the thermal cycle of the second machine over the first.
  • an external combustion machine steam turbine
  • fluid fuels on the other, by internal combustion (alternative engine)
  • thermodynamic laws establish that in any work process to obtain mechanical energy and, therefore, electrical energy, it has a lower performance than the unit, that is, that part of the primary energy invested, after the process, i
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) It will be in the form of residual heat. In addition, this work is obtained between two temperature levels, that is, thermal levels, one high and one other, lower.
  • the technique has taken care of maximizing the performance of these thermal devices using increasingly sophisticated machinery, obtaining the maximum production of electrical energy with the minimum consumption of primary energy, that is, minimizing residual heat.
  • Thermal machines are divided into exothermic or external combustion and endothermic or internal combustion.
  • the exothermic ones basically consist of a combustion boiler plus a steam turbine, generally and, the most used endothermic ones are the gas turbine and the alternative engine.
  • the gas turbine has the disadvantage of obtaining a lower performance than the alternative engine, but it has the advantage that the residual heat emits it at a high temperature, around 6QQ ° C, sufficient thermal level to generate steam to move a steam turbine, obtaining, the latter, a good performance.
  • the combination of both achieves high performance on the inverted primary energy.
  • the system that is provided as a novelty consists in obtaining electrical energy through the use of solid fuels, on the one hand and, of fluid fuels, on the other.
  • Solid fuels are burned in a boiler where steam is produced. This fluid is conducted to a condensation steam turbine that generates mechanical and, subsequently, electrical energy.
  • the vapor condenses at low pressure inside a condenser and at a low temperature, around 45 ° C.
  • Fluid fuels are burned inside an alternative engine, also producing mechanical and, subsequently, electrical energy.
  • Solid fuels have, as main drawback, the cost of operation and its low efficiency. If we apply the new invented energy extraction method, we observe how the performance and, as a result, the profitability of a joint installation of solid and fluid fuel increases considerably.
  • the most appropriate system would consist of a steam boiler where solid fuel is burned.
  • the steam would be driven to a condensation turbine and, as an internal combustion group, an alternative "Otto" cycle engine would be used.
  • the new energy policies lead to the use of renewable energy being, biomass, the pending subject in this process.
  • Biomass like the rest of solid fuels, has as its main drawback in the extraction of energy, the operating cost and its low yield, forcing governments to encourage such use based on premiums and subsidies, in order to make viable its operation.
  • a suitable example would be the installation of a thermal power plant in which biomass would be used as main fuel and natural gas as secondary fuel.
  • the main machinery of the installation would be:
  • This set would consume 70% of energy in biomass and 30% of natural gas, measured by its P.C.I.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) A conventional combined cycle (gas turbine - steam turbine) running on the same fuel and the same amount, would not exceed, in the best case, 42% yield and, of course, with much more investment.
  • the main advantage of the system described lies in the high electrical performance obtained by associating the combustion of fluid fuels with solids by means of this new "combined cycle" system described, through conventional machinery; far superior to the performance obtained in combined cycles “gas turbine - steam turbine", without resorting to complex systems such as pyrolysis procedures, anaerobic digestion, gasification, etc. and, all this, at a lower cost of investment in capital goods.

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Abstract

Consiste el presente procedimiento en la obtención de energía eléctrica a partir de la combustión de combustibles sólidos, por un lado, mediante una máquina de combustión externa (turbina de vapor) y combustibles fluidos, por otro, mediante combustión interna (motor alternativo); combinando el ciclo térmico de la segunda máquina sobre la primera.

Description

1- TITULO:
Procedimiento de obtención de energía mecánica y/o eléctrica mediante un sistema de ciclo combinado de motor endotérmico alternativo con motor exotérmico turbinado.
2.- SECTOR:
Producción de energía eléctrica.
3.- RESUMEN:
Consiste el presente procedimiento en la obtención de energía eléctrica a partir de la ustión de combustibles sólidos, por un lado, mediante una máquina de combustión externa (turbina de vapor) y combustibles fluidos, por otro, mediante combustión interna (motor alternativo); combinando el ciclo térmico de la segunda máquina sobre la primera.
4.-ANTECEDENTES:
Hasta la actualidad la obtención de energía eléctrica se ha realizado combustionando energía primaria mediante máquinas térmicas para obtener energía mecánica y, posteriormente, energía eléctrica. El diagrama térmico sería el siguiente:
Calor residual
Energía Máquina w Primaria Térmica fe ψ Energía mecánica — Electricidad
Las leyes termodinámicas establecen que en todo proceso de trabajo para la obtención de energía mecánica y, por ende, de energía eléctrica, tiene un rendimiento inferior a la unidad, es decir, que parte de la energía primaria invertida, tras el proceso, i
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) quedará en forma de calor residual. Además este trabajo se obtiene entre dos niveles de temperatura, es decir, niveles térmicos, uno alto y, otro, más bajo.
La técnica se ha ocupado de aumentar al máximo el rendimiento de estos aparatos térmicos utilizando maquinaria cada vez más sofisticada, obteniendo la máxima producción de energía eléctrica con el mínimo consumo de energía primaria, es decir, minimizando el calor residual.
Las máquinas térmicas se dividen en exotérmicas o de combustión extema y endotérmicas o de combustión interna. Las exotérmicas consisten básicamente en una caldera de combustión más una turbina de vapor, generalmente y, las endotérmicas más utilizadas son la turbina de gas y el motor alternativo.
Posteriormente, la moderna ingeniería observó que en determinados casos este calor residual quedaba todavía a un nivel térmico alto y, por tanto, se podía volver a aprovechar mediante la combinación del calor residual de la primera máquina sobre una segunda que funciona a un nivel térmico inferior, es decir, entre dos niveles de temperatura más bajos, el ya conocido ciclo combinado.
Esta forma de obtener trabajo mecánico se ha realizado hasta la actualidad mediante la combustión de una sola fuente de energía primaria en fase fluida y el tipo de maquinaria empleado hasta la actualidad ha sido "turbina de gas" como máquina térmica a nivel alto y "turbina de vapor" como máquina que funciona con el calor residual de la primera, es decir, que funciona a un nivel térmico más bajo, estableciendo así un ciclo combinado.
La turbina de gas tiene el inconveniente de obtener un rendimiento inferior al del motor alternativo, pero tiene la ventaja de que el calor residual lo emite a una alta temperatura, en torno a los 6QQ °C, nivel térmico suficiente para generar vapor para mover una turbina de vapor, obteniendo, esta última, un buen rendimiento. Así, la combinación de ambas, hace lograr un alto rendimiento sobre la energía primaria invertida.
El esquema de funcionamiento que se ha venido realizando hasta la actualidad, en combinación de ciclos térmicos, sería el siguiente:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Energía
Turbina Calor Caldera de primaria de gas residual recuperación fase fluida
Energía Turbina Calor mecánica de vapor residual
Electricidad Energía mecánica
Electricidad
La combinación de ciclos no se ha realizado hasta la actualidad con "motor alternativo" + "turbina de vapor", ya que, pese al mayor rendimiento del motor, emite el calor residual en dos fases térmicas, una a nivel alto, en torno a los 400 °C y, otra, a nivel bajo, en torno a los 80 °C. En todo caso, el nivel alto ya es inferior al de la "turbina de gas". A groso modo, estas dos partidas de calor tienen una masa energética equivalente, siendo aprovechable para una turbina de vapor, como mucho, la fase térmica a 400 °C, aunque inferior en rendimiento a la de la "turbina de gas", por ser inferior la temperatura y, en ningún caso aprovechable la fase a 90 °C, pues con ello no se puede producir vapor para la turbina. De tal modo, que la combinación de estos dos ciclos es energéticamente inviable y, de ahí, que no se haya utilizado en la práctica.
El esquema de funcionamiento sería el siguiente:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Energía Motor primaria fase fluida alternativo Calor residual Calor residual a nivel alto a nivel bajo
Energía Circuito mecánica Gases escape refrigeración
Electricidad
Caldera de Calor recuperación residual
Turbina Calor de vapor residual
Energía mecánica
Electricidad
Obsérvese además que, la utilización de ciclos combinados se ha realizado siempre con una misma fuente de energía primaria en estado fluido.
5.- DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN:
El sistema que se aporta como novedad consiste en la obtención de energía eléctrica mediante la ustión de combustibles sólidos, por una lado y, de combustibles fluidos, por otro.
Los combustibles sólidos se queman en una caldera donde se produce vapor. Este fluido es conducido hasta una turbina de vapor de condensación que genera energía mecánica y, posteriormente, eléctrica. El vapor se condensa a baja presión en el interior de un condensador y a baja temperatura, en torno a los 45 °C.
Los combustibles fluidos se queman en el interior de un motor alternativo, produciendo, igualmente, energía mecánica y, posteriormente, eléctrica.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) La combinación de ciclos térmicos la realizamos de la siguiente forma:
1) Por un lado, tenemos la fase térmica residual a nivel alto que procede de los gases de escape del motor, que salen en torno a los 400 °C. Estos gases son conducidos al interior de la caldera, los mezclamos con los gases de combustión del carburante sólido, con lo que conseguimos una transferencia térmica del calor residual del motor, hacia el conjunto de combustión extema caldera-turbina, obteniendo, como consecuencia, un aumento de la producción de vapor de la caldera y, por tanto, de la producción de electricidad en la turbina de vapor.
2) Por otro lado, tenemos la fase térmica a nivel bajo del motor en el circuito de refrigeración del motor a unos 90 °C. Es evidente que con esta temperatura no se puede llevar el agua a ebullición pero, lo que hacemos es utilizarla para calentar el agua de entrada a la caldera, a la salida del condensador que está en torno a los 45 °C. Por lo que, sí hay transferencia térmica del calor proveniente de la refrigeración del motor hacia el circuito térmico de la caldera-turbina. Ello tiene como consecuencia inmediata, una disminución en extracción de vapor para precalentamiento del agua de entrada a la turbina, por lo que, éste, producirá más energía eléctrica.
3) Del circuito de refrigeración del motor suele sobrar una pequeña parte de energía térmica y, en nuestro caso, la utilizamos para calentar el aire comburente de la caldera que suele estar en el ambiente a unos 20 °C de media. Y esta es la tercera unión térmica entre el calor residual del motor y el conjunto caldera- turbina. Esta transferencia térmica tiene como consecuencia una disminución de extracción de calor en la combustión del sólido de la caldera que producen calor a nivel alto, utilizándose el calor de los sólidos directamente para la producción de vapor, por lo que, el calor introducido en el aire comburente de la caldera se traduce en un aumento del rendimiento de la misma y, por tanto, de la producción de vapor y, consecuentemente, de electricidad en la turbina.
Así pues, hemos conseguido desarrollar un sistema en el que los bajos niveles del calor residual de los motores alternativos comparados con la turbina de gas, pueden ser utilizados en un método de ciclo combinado introduciéndolos en los correspondientes niveles térmicos equivalentes de la caldera-turbina y, dado que el rendimiento del "motor alternativo" es más alto que el de la "turbina de gas", si además se aprovecha la práctica totalidad de su energía residual, es obvio que el rendimiento
5 HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) sobre la energía primaria fluida utilizada es superior al del conjunto convencional utilizado hasta la actualidad "turbina de gas - turbina de vapor".
De otro lado, podemos observar que se aumenta la viabilidad de la utilización de combustibles sólidos, tan mermados en los últimos tiempos, debido al coste de operación y al bajo rendimiento sobre la energía primaria sólida invertida.
Obsérvese, además, que como novedad se aporta la combustión de todo tipo de combustibles con este sistema, ya estén en fase sólida, líquida o gaseosa, mientras que con el sistema tradicional "turbina de gas - turbina de vapor" no es posible la introducción de combustibles sólidos por métodos convencionales.
El esquema del novedoso sistema de ciclo combinado, será el siguiente:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Energía primaria Motor fase fluida alternativo Calor residual Calor residual a nivel alto a nivel bajo
Energía mecánica
Circuito
Gases escape refrigeración
Electricidad
Calefacción circuito de vapor
Energía primaria Caldera Calefacción circuito de agua fase sólida de vapor
Calefacción aire comburente
Turbina Calor de vapor residual
Energía mecánica
Electricidad
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 6.- DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA:
Los combustibles sólidos tienen, como principal inconveniente, el coste de operación y su bajo rendimiento. Si aplicamos el nuevo método de extracción de energía inventado, observamos como aumenta considerablemente el rendimiento y, portante, la rentabilidad, de una instalación conjunta de combustible sólido y fluido.
El sistema más adecuado consistiría en una caldera de vapor donde se quema combustible sólido. El vapor se conduciría a una turbina de condensación y, como grupo de combustión interna, se utilizaría un motor alternativo de ciclo "Otto".
7.- DESCRIPCIÓN DE UN EJEMPLO:
Las nuevas políticas energéticas conducen a la utilización de energías renovables siendo, la biomasa, la asignatura pendiente en este proceso.
La biomasa, al igual que el resto de combustibles sólidos tiene, como inconveniente principal en la extracción de energía, el coste de operación y su bajo rendimiento, obligando a los gobiernos a fomentar dicha utilización a base de primas y subvenciones, a fin de hacer viable su operativa.
Un ejemplo adecuado seria la instalación de una central térmica en la cual se utilizaría biomasa como combustible principal y gas natural como combustible secundario.
La maquinaria principal de la instalación sería:
• Una caldera de 22790 K t de potencia de consumo, de 23685 Kg/h de producción de vapor, que se alimenta de biomasa.
• Una turbina de condensación para 23 685 Kg/h de vapor, que produce 4 804 KWe de potencia eléctrica.
• Un motor alternativo de ciclo Otto", que se alimenta de gas natural, de 3 700 KWe de potencia eléctrica, de 9003 KWt de potencia de consumo.
Este conjunto consumiría un 70 % de energía en biomasa y un 30 % de gas natural, medido por su P.C.I.
Pues bien, de los 22 790 KWt que necesita consumir la caldera para la correspondiente producción de vapor asociada a esta potencia, 1 783 KWt procederían
8 HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) de los gases de escape del motor, 1 583 KWt procederían del circuito de refrigeración de este aparato para calentar el agua de entrada a la caldera y 199 KWt procederían también del circuito de refrigeración del motor para la calefacción del aire comburente de la caldera. Con lo cual, el consumo de biomasa de la caldera bajaría de 2279Q KWt, a:
Pb, lomasa = 22790- 1 783 - 1 583 - 199 = 19225 KWt
Visto desde el lado del motor, de los 9 QQ3 KWt invertidos en energía primaria, 3 700 KWe son obtenidos en forma de energía eléctrica, si los sumamos a las potencias residuales aprovechadas en el lado de la caldera tenemos un aprovechamiento global sobre la energía primaria invertida en forma de gas natural de:
Amotor = 3700 + 1 783 + 1 583 + 199 = 7 265 KW
Visto el planteamiento bajo la perspectiva del aprovechamiento eléctrico tenemos que los 4804 KWβ producidos por la turbina, proceden de los 22790 KWt que se introducen en la caldera. Si repartimos la producción eléctrica de este turbogrupo sobre cada uno de las fuentes térmicas, tenemos:
Figure imgf000010_0001
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Así pues, la proporción de energía eléctrica obtenida en el turbogrupo por, cada uno de los conceptos anteriores, sería:
Figure imgf000011_0001
Lo cual quiere decir que la energía eléctrica producida en la turbina de vapor, como consecuencia de la combinación de ciclos, es:
P∞mbinado s 375 + 331 + 43 β 749 KWe
Sería más correcto decir que esta potencia eléctrica procede de la energía primaria invertida en forma de gas natural.
Es decir, que la potencia eléctrica total producida por el gas natural sería:
Pgas natural = 3 700 + 749 = 4449 KWe
Si la energía primaria invertida es de 9 003 KWt, tenemos que el rendimiento eléctrico es el siguiente:
4449 η •100 ^ 49.4 % 90Q3
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HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Un ciclo combinado convencional (turbina de gas - turbina de vapor) funcionando con el mismo combustible y la misma cantidad, no superaría, en el mejor de los casos, el 42 % de rendimiento y, por supuesto, con mucha más inversión.
8.- CONCLUSIONES:
La ventaja principal del sistema descrito estriba en el alto rendimiento eléctrico obtenido al asociar la combustión de carburantes fluidos a los sólidos mediante este nuevo sistema de "ciclo combinado" descrito, a través de maquinarias convencionales; muy superior al rendimiento obtenido en ciclos combinados "turbina de gas - turbina de vapor", sin recurrir a sistemas complejos como los procedimientos de pirólisis, digestión anaerobia, gasificación, etc. y, todo ello, a un menor coste de inversión en bienes de equipo.
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HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)

Claims

9.- REIVINDICACIONES:
1) El objeto de la invención que se pretende patentar, consiste en el procedimiento de obtención de energía eléctrica mediante un nuevo sistema de ciclo combinado, a partir de la asociación de una máquina de combustión externa para combustibles sólidos (caldera-turbina) con una de combustión interna de ciclo alternativo para combustibles en estado fluido (motoaltemador); caracterizado por la interconexión térmica entre el calor residual de los gases de escape del motor con los gases de combustión la caldera, en el área de producción de vapor y/o agua de alimentación secundaria a caldera y, el enlace térmico entre el circuito de refrigeración del motor, con el agua de alimentación primaria de la caldera y el aire comburente de la misma. De tal forma que, la mayor parte del calor residual del motoalternador se transfiere al circuito térmico de la caldera-turbina.
2) Procedimiento de obtención de energía eléctrica mediante un nuevo sistema de ciclo combinado, a partir de la asociación de una máquina de combustión externa para combustibles sólidos (caldera-turbina) con una de combustión interna de ciclo alternativo para combustibles en estado fluido (motoalternador); caracterizado por la interconexión térmica entre el calor residual de los gases de escape del motor con el circuito de agua de alimentación secundaria a caldera y, el enlace térmico entre el circuito de refrigeración del motor, con el agua de alimentación primaria de la caldera y el aire comburente de la misma. De tal forma que, la mayor parte del calor residual del motoalternador se transfiere al circuito térmico de la caldera-turbina.
3) Procedimiento de obtención de energía eléctrica mediante un nuevo sistema de ciclo combinado, a partir de la asociación de una máquina de combustión externa para combustibles sólidos (caldera-turbina) con una de combustión interna de ciclo alternativo para combustibles en estado fluido (motoalternador); caracterizado por la interconexión térmica entre el calor residual de los gases de escape del motor con el circuito de aire comburente de la caldera y, el enlace térmico entre el circuito de refrigeración del motor, con el agua de alimentación de la caldera. De tal forma que, la mayor parte del calor residual del motoaltemador se transfiere al circuito térmico de la caldera-turbina.
La mejora de estas tres reivindicaciones sobre los procedimientos de producción de energía eléctrica para combustibles fluidos ya existentes, consiste en el aumento del rendimiento eléctrico obtenido, sobre la energía primaria de fase fluida invertida, al
12 HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) aprovechar, la máquina de combustión intema, los recursos de la máquina de combustión externa para combustibles sólidos.
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HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
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