Método para operar un sistema de turbina de gas y un grupo combinado de dispositivos para producir energía y al menos un tipo de gas de aire
Descripción general
 Un método para operar un sistema de turbina de gas capaz de usar una turbina de gas con la máxima potencia bajo cualquier condición de uso. En el que las condiciones de funcionamiento del sistema de turbina de gas son tales que los parámetros de la mezcla aire-gas introducidos con el combustible en la cámara de combustión con la ayuda de la separación de aire y gas, 7), eliminando el flujo de aire en la salida del compresor (2) o mediante nitrógeno impuro (9) del separador de aire de gas (7) en la cámara de combustión (6), al menos en parte, Al introducirlo en la mezcla de gases de aire para mantener la máxima potencia de salida cerca de las condiciones de operación.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un método para operar o usar un aparato de turbina de gas que produce energía por combustión de un combustible y una mezcla de gases de aire.
Antecedentes de la técnica
El sistema de turbina de gas tiene una turbina de expansión conectada a un compresor de aire, que impulsa un compresor de aire, una línea de combustión y un compresor de aire. El trabajo de expansión de la turbina es más que el trabajo de compresión del compresor de aire y da como resultado la energía excedente utilizada para impulsar una máquina como un alternador.
El trabajo obtenido por la expansión depende en gran medida de la cantidad de humo generado durante la combustión y aumenta con la combustión dentro de los límites compatibles con las características aerodinámicas (también llamadas 'hidráulicas') de la turbina. Por otro lado, la energía absorbida por el compresor depende del flujo total de aire comprimido dentro del límite de compresión del compresor.
El sistema de turbina de gas requiere una inversión significativa que no se utiliza de manera óptima a menos que el compresor y la turbina funcionen en condiciones óptimas, respectivamente. Esta condición óptima rara vez se logra dentro de los llamados desequilibrios entre dos partes, donde uno de los compresores y la turbina no está en la capacidad óptima, pero el otro está en la capacidad óptima, y ​​en el caso más frecuente, la turbina , Aerodinámicamente, el límite está dimensionado en gran medida en comparación con un compresor que se alcanza más rápido.
Tal desequilibrio proviene de las condiciones climáticas del combustible utilizado o el lugar de uso. Por lo tanto, para la misma energía térmica liberada, el caudal de humo varía significativamente dependiendo del combustible gaseoso. Cuanto menor es el valor calorífico (LCP) del gas, mayor es la velocidad de flujo del gas generado. Por ejemplo, el gas de alto horno genera humo a un caudal mayor que el del gas natural con la misma energía térmica, mientras que el gas natural presenta varios LCP dependiendo de su localidad.
Debido a la gran cantidad de humo, la presión de entrada de la turbina aumenta de una manera correlacionada, así como la presión de aire de entrega del compresor. Tal aumento de presión puede llevar al compresor al límite de compresión. Para limitar el aumento de presión, es suficiente extraer aire comprimido entre la salida del compresor y la cámara de combustión.
Con respecto a los cambios en las condiciones climáticas, la temperatura es un parámetro importante. Cuanto mayor es la temperatura, menor es la capacidad del compresor. Por el contrario, cuanto menor es la temperatura, mayor es la capacidad del compresor hasta el punto en que puede exceder potencialmente la capacidad de la turbina para aceptar el flujo de humo correspondiente. Por lo tanto, las condiciones de uso de la misma planta de turbina de gas a menudo están limitadas por la turbina en invierno y por el compresor en verano.
Al analizar estos fenómenos, el solicitante ha sacado el aire a la salida del compresor cuando la turbina está limitada por el funcionamiento del sistema de turbina de gas y el funcionamiento de la unidad de turbina de gas está limitado por el compresor. , Es posible inyectar un flujo adicional de gas en el conducto de combustión para restablecer un equilibrio entre la turbina y el compresor, de modo que este desequilibrio entre la turbina y el compresor Hemos descubierto que el diseño de estos dos dispositivos, el cambio en el combustible y el cambio en las condiciones climáticas en todos los casos se compensan entre sí, de modo que la turbina se puede utilizar a la máxima potencia.
Tarea de solución
En consecuencia, la presente invención tiene como objetivo un método para operar un aparato de turbina de gas que puede usar la turbina de gas en su salida máxima, independientemente de las condiciones de uso. La invención también se refiere a un dispositivo para la producción de energía y de al menos un tipo de gas de aire que puede usar de manera óptima un dispositivo de turbina de gas y que suministra gas de aire por separado del funcionamiento del dispositivo de turbina de gas. También tiene como objetivo proporcionarlo.
Solución
A este fin, según una característica de la invención, la disposición de turbina de gas se combina funcionalmente con un separador aire-gas y las condiciones de funcionamiento de la turbina son tales que, con la ayuda de un separador aire-gas, la mezcla aire-gas introducida en la cámara de combustión Al seleccionar los parámetros, se mantiene cerca de las condiciones de funcionamiento produciendo la potencia máxima.
De acuerdo con algunas características de la invención, dicha selección se realiza en respuesta a las condiciones climáticas, en función del combustible utilizado y / o de las características aerodinámicas de la combinación compresor / turbina de la disposición de turbina de gas. .
Según una característica adicional de la invención, dicha selección se realiza alimentando al menos parcialmente el dispositivo de separación de aire, eliminando el flujo de aire comprimido a la salida del compresor del dispositivo de turbina de gas, o por medio de un dispositivo de separación de aire Introduciendo nitrógeno impuro en la mezcla de gases de aire suministrada a la cámara de combustión.
De esta forma, la selección de los parámetros de la mezcla de aire-gas se lleva a cabo utilizando un separador de aire-gas, en todos los casos para el uso del equipo de turbina de gas, oxígeno, casi puro Suministra otros productos (o subproductos) que tienen un valor agregado sustancial, como las mezclas de nitrógeno, argón y / o kriptón de xenón.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema de turbina de gas que comprende un sistema de turbina de gas que tiene una turbina y un primer compresor conectado a una línea de combustión entre una primera salida del compresor y una entrada de la turbina. Se puede usar un grupo de dispositivos con un compresor de aire, una salida de nitrógeno impuro, un dispositivo de separación de aire con al menos otra salida de aire para conectar la entrada de aire del dispositivo de separación de aire a la salida del primer compresor o la salida de nitrógeno impuro a una turbina de gas Se caracteriza porque comprende medios para conectarse selectivamente al conducto de combustión del dispositivo.
Dependiendo de las condiciones de servicio del sistema de turbina de gas, la unidad de separación de aire puede ser controlada por su propio compresor de aire o, particularmente dependiendo de la temporada, cuando el elemento que limita el funcionamiento del sistema de turbina de gas es el primer compresor, Se suministra alternativamente por medio de un primer compresor de la disposición de turbina de gas para suministrar al menos parcialmente un flujo adicional de nitrógeno impuro a la línea de combustión. Breve descripción de los dibujos Otras características y ventajas de la invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción dada con referencia a una realización que se proporciona a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, pero que no implica ninguna limitación.
1 muestra un compresor multietapa 2 típicamente conectado a una turbina multietapa 3 para accionar un generador de CA 4. La salida del compresor 2 está conectada a una turbina 3 y a un tubo de combustión. Se puede ver un sistema de turbina de gas 1 con un camino 5. Aunque el humo expandido en la salida de la turbina 3 se descarga, es ventajoso pasar a través de una caldera 40 que recupera el calor del humo, en particular para hacer funcionar la turbina de vapor.
El grupo de dispositivos también incluye un dispositivo de separación de aire 7, que típicamente es un dispositivo criogénico con al menos una columna de rectificación, que comprende una entrada de aire 8 que se suministra con aire comprimido, una impureza de nitrógeno Una salida 9, al menos la siguiente salida, a saber, la salida 10 de oxígeno del producto, la salida 11 de nitrógeno del producto sustancialmente pura, la salida 12 de argón y opcionalmente la salida 13 de la mezcla de xenón de criptón. El dispositivo de separación de aire 7 tiene su propio compresor de aire 14 accionado por un motor 15 y conectado a una entrada de aire comprimido 8 por una primera línea de aire comprimido 16 con una válvula de regulación 17.
De acuerdo con la invención, la salida de nitrógeno impuro 9 está conectada a una línea de nitrógeno impuro 18 con una válvula 19, aguas arriba de la válvula 19 se incorpora un compresor de nitrógeno 21 accionado por un motor 22 y el compresor de nitrógeno 21 Una tubería 20 que tiene una válvula 23 aguas arriba está ramificada y conectada a la cámara de combustión 6. Típicamente, la línea de entrada del combustible 24 gaseoso alcanza la parte aguas arriba del conducto 20 poco antes de la cámara de combustión 6.
Típicamente, el combustible gaseoso 24 es gas natural, pero es un gas gasificado de gas de alto horno, productos carbonizados (lignito, residuos de petróleo pesado, biomasa) o Corex (nombre comercial) obtenido en el proceso de reducción directa de mineral de hierro Puede ser. Una segunda línea 25 con una válvula 26 conecta la línea de combustión 5 corriente arriba de la cámara de combustión 6 y la línea de aire comprimido 16 aguas abajo de la válvula 17. Para implementar el método de la invención como se definió anteriormente, el funcionamiento del grupo de dispositivos mostrado en la figura 1 se lleva a cabo de la siguiente manera.
 En un sistema donde la capacidad de la turbina excede la capacidad del compresor (por ejemplo, en el caso de verano o bajo consumo de combustible LCP)
En este caso, la válvula 26 se cierra de modo que el aire comprimido total que sale del compresor 2 se dirige a la cámara de combustión 6. La válvula 17 se abre y el dispositivo de separación de aire 7 es suministrado exclusivamente por su propio compresor de aire 14, independientemente del compresor 2 del dispositivo de turbina de gas 1.
En cambio, la válvula 19 se cierra, la válvula 23 se abre y el nitrógeno impuro disponible en la salida 9 se mezcla con el combustible 24 y se inyecta en la cámara de combustión 6 aproximadamente a la presión de suministro del compresor 2 por medio de un compresor de nitrógeno 22 es accionado por el motor 22 de modo que el caudal total de humo dirigido a la turbina 3 aumenta, pero debido a que el aire comprimido suministrado por el compresor 2 es siempre muy excesivo en comparación con la estequiometría, La inyección de nitrógeno enfría aún más la combustión y reduce marcadamente los óxidos de nitrógeno por combustión.
 En un sistema en el que el funcionamiento óptimo del sistema de turbina de gas está limitado por la turbina (por ejemplo, en el caso de la temperatura de la cámara fría)
En este caso, la válvula 23 está cerrada, el compresor de nitrógeno 21 no está accionado y la válvula de descarga 19 está abierta. Por otro lado, la válvula 26 se abre y la válvula 17 se puede tomar a la salida del compresor 2 y, dependiendo del flujo al menos parcialmente alternativo de flujo de aire comprimido normalmente suministrado por el compresor de aire 14, Está parcialmente abierto. Por lo tanto, la cámara de combustión 6 solo acepta la porción de caudal de suministro por el compresor 2, que es compatible con la cantidad de humo recibido por la turbina 3 para el funcionamiento óptimo de la turbina 3.
Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, en particular la necesidad de suministro de energía por el sistema de turbina de gas, en este caso los dos esquemas anteriores se pueden combinar, teniendo en cuenta la producción óptima de gas de aire por la unidad de separación de aire 7. Aunque la presente invención se ha descrito con respecto a realizaciones específicas, la presente invención no se limita a la misma, sino que puede aceptar mejoras y modificaciones evidentes para los expertos en la técnica.
Efecto de la invención
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de flujo de un grupo de dispositivos que combina la producción de energía y gases de aire de acuerdo con la invención.
1 unidad de turbina de gas
2 compresor multietapa
3 turbina de múltiples etapas
4 generador de CA
5 tubería de combustión
6 Cámara de combustión
7 separador de aire
8 entrada de aire comprimido
9 Salida de nitrógeno impuro
10 Salida de oxígeno del producto
11 Salida de nitrógeno del producto
12 Salida de argón
13 Salida de xenón Krypton
14 compresor de aire
15, motor 22
16 tubería de aire comprimido
17 Válvula de ajuste
18, 20 tuberías de nitrógeno impuro
21 compresor de nitrógeno
24 Combustible gaseoso
40 Caldera
Reclamo
Reivindicaciones: 1. Un método para operar un sistema de turbina de gas (1) que produce energía por combustión de un combustible gaseoso (24) y una mezcla de aire y gas, comprendiendo el sistema de turbina de gas (1) al menos dos tipos de gases de aire (7) para producir turbina de gas (13), las condiciones de funcionamiento de la turbina (3) del sistema de turbina de gas se seleccionan seleccionando los parámetros de la mezcla de aire de gas con la ayuda del separador de aire y gas (7) , Por lo que la condición de funcionamiento del sistema de turbina de gas se mantiene sustancialmente en las proximidades de las condiciones de funcionamiento para producir la salida máxima.
2. El método de operación de un sistema de turbina de gas según la reivindicación 1, en el que dicha selección se realiza de acuerdo con las condiciones climáticas.
3. El método para operar un sistema de turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que dicha selección se realiza en respuesta al combustible (24).
4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la selección se realiza de acuerdo con las características aerodinámicas de la combinación del compresor (2) / turbina (3) del dispositivo de turbina de gas (1). Del aparato de turbina de gas.
5. Método según la reivindicación 1, en el que la selección se realiza sacando la corriente de aire comprimido a la salida del compresor (2) de la disposición de turbina de gas (1) para alimentar al menos parcialmente el separador de aire de aire (7) 5. Un método para operar un sistema de turbina de gas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se caracteriza.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la selección se lleva a cabo introduciendo nitrógeno impuro (9) producido por un dispositivo de separación de gas de aire (7) en una mezcla de aire de gas. Del aparato de turbina de gas.
7. El método de operación de un sistema de turbina de gas según la reivindicación 6, en el que el nitrógeno impuro se mezcla con el combustible (24).
8. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos un gas de aire de producto (1013) producido por el dispositivo de separación de gas de aire (7) se usa por separado. Método de funcionamiento de los aparatos de turbina de gas.
9. El método de operación de un sistema de turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el aire gaseoso producido es oxígeno (10).
10. Un método para hacer funcionar un sistema de turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el aire gaseoso producido es nitrógeno sustancialmente puro (11).
11. El método de operación de un sistema de turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el gas de aire producido es argón (12).
12. El método de operación de un sistema de turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el gas de aire producido es una mezcla de xenón de criptón (13).
13. El método de operar un aparato de turbina de gas según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el combustible (24) es gas natural.
14. El método de operación de un sistema de turbina de gas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el combustible (24) es gas de alto horno.
15. Una disposición de turbina de gas que tiene un primer compresor (2) conectado a una línea de combustión (5) entre la turbina (3) y la salida del primer compresor (2) y la entrada de la turbina (3) (7) tener un primer compresor de aire (14) conectado a una entrada de suministro de aire (8), una salida de nitrógeno impuro (9) y al menos otra salida de aire de gas (1013) En donde la entrada de aire (8) está conectada a la salida del primer compresor (2) o la salida de nitrógeno impuro (9) está conectada a la tubería de combustión (9) en un grupo de dispositivos combinados que producen energía y al menos un tipo de gas de aire. 5) para conectarse selectivamente a dicha pluralidad de dispositivos (25, 26, 20, 23).
16. Método según la reivindicación 16, en el que la entrada de aire (8) del dispositivo de separación de aire (7) está conectada a las salidas del primer compresor (2) y el segundo compresor (14), respectivamente. 16. Aparato según la reivindicación 15, caracterizado porque comprende un primer conducto (16) de aire y un segundo conducto (25).
17. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la salida de nitrógeno impurificada (9) del dispositivo de separación de aire (7) está conectada a la línea de combustión (5) y tiene una línea de nitrógeno impurificada (20) con un medio de válvula Un grupo de dispositivos de acuerdo con el párrafo 15 o 18.
18. Aparato según la reivindicación 17, caracterizado porque la línea de nitrógeno impuro (20) comprende un tercer compresor (21).
19. Aparato según la reivindicación 17 o 18, caracterizado porque la línea de nitrógeno impuro (20) llega a la cámara de combustión (6) de la disposición de turbina de gas (1).
Dibujo :
Application number :1994-010712
Inventors :ル?エール?リクイツド?ソシエテ?アノニム?プール?ル?エチユド?エ?ル?エクスプルワテシヨン?デ?プロセデ?ジエオルジエ?クロード
Original Assignee :クレテイヤン?デニ、ジロール?ジヤン?ルイ、ダルドー?ベルナル