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Title:
DIRECT STEAM GENERATION PLANT AND PLANT OPERATING METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/086883
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a direct steam generation plant and to a method for operating the plant comprising a series of components and steps during operation for improving the service life of the different elements of the plant. The components centre on the evaporation zone of the solar field. The steps during different start-up types help to extend the service life of the elements of the plant. The steps are performed during the pre-heating phase of the plant.

Inventors:
ALGUACIL CUBERO MARÍA (ES)
DÍAZ ALLER CÉSAR (ES)
FERNÁNDEZ AGUILAR MARÍA EUGENIA (ES)
PRIETO RÍOS CRISTINA (ES)
RODRÍGUEZ SÁNCHEZ ALFONSO (ES)
Application Number:
PCT/ES2014/070914
Publication Date:
June 18, 2015
Filing Date:
December 12, 2014
Export Citation:
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Assignee:
ABENGOA SOLAR NEW TECH SA (ES)
International Classes:
F03G6/00; F01K7/00; F03G6/06; F24J2/00; F24J2/04; F24S23/00; F24S23/74
Domestic Patent References:
WO2013002054A12013-01-03
Foreign References:
CN102032549A2011-04-27
DE102011007370A12012-10-18
ES2403334A22013-05-17
ES2431245A12013-11-25
EP2009359A22008-12-31
Attorney, Agent or Firm:
GARCIA-CABRERIZO Y DEL SANTO, Pedro Maria (ES)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Una planta de generación directa de vapor que comprende:

1 a) un campo solar de evaporación (1) que comprende:

1 a1) al menos una entrada de fluido a ser calentado (101);

1 a2) al menos una salida de fluido calentado (102);

1 a3) al menos un colector de evaporación (100) entre la entrada de fluido a ser calentado (101) y la salida de fluido calentado (102);

1 b) al menos un tanque separador (2):

1 b1) aguas abajo del campo solar de evaporación (1);

que comprende:

1 b2) al menos una entrada de fluido calentado (21);

1 b3) al menos una salida de fluido calentado en fase líquida (22);

1 b3) al menos una salida de fluido calentado en fase vapor (23);

1 c) al menos un conducto de fluido calentado (121) conectado entre la salida de fluido calentado (102) y la entrada de fluido calentado (21);

1 d) al menos una válvula de entrada (10) al tanque separador (2) en el conducto de fluido calentado (121);

1 e) al menos una bomba de recirculación (3) que comprende:

1 e1) aspiración de la bomba de recirculación (31) conectada a la salida de fluido calentado en fase líquida (22);

1 e2) impulsión de la bomba de recirculación (32) conectada a la entrada de fluido a ser calentado (101);

caracterizada por que comprende:

1 g) al menos una línea de by-pass (9) del tanque separador (2) conectada entre la salida de fluido calentado (102) y la aspiración de recirculación (31);

1 h) al menos una válvula de control de caudal (14) en la línea de by-pass (9).

2. La planta de generación directa de vapor según la reivindicación 1 caracterizada por que:

2a) el tanque separador (2) comprende:

2a1) al menos una entrada auxiliar de fluido (24);

la planta comprende:

2b) al menos una línea auxiliar (13):

2b1) conectada entre la entrada de fluido a ser calentado (101) y la entrada auxiliar de fluido (24).

3. La planta de generación directa de vapor según la reivindicación 1 caracterizada por que comprende:

3a) al menos una bomba de alimentación fresca (4) que comprende:

3a1) impulsión de la bomba de alimentación (41) conectada a la entrada de fluido a ser calentado (101).

4. Un procedimiento de operación de una planta de generación directa de vapor caracterizado por que comprende poner la planta en condiciones de funcionamiento definidas en una pluralidad de fases:

4a) fase 1 : elevar una temperatura de un fluido a ser calentado para acondicionar al menos un colector de evaporación (100) de un campo solar de evaporación (1);

4b) fase 2: elevar una temperatura y una presión del fluido a ser calentado;

4c) fase 3: operar la planta en condiciones nominales;

4d) fase 4: parar la planta.

5. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que comprende pasar por un colector de evaporación (100) un caudal que tiene un número de Fraude superior a 0, 1.

6. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que comprende pasar por un colector de evaporación (100) un caudal de 1900kg/h. 7. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que un campo solar de sobrecalentado (5) es atravesado por un caudal de 1800kg/h.

8. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 1 comprende:

8a) precalentar el fluido a ser calentado y el acero del tubo absorbedor del al menos un colector de evaporación (100):

8a1) desde una temperatura inicial en equilibrio con una temperatura ambiente alcanzada tras pérdidas térmicas nocturnas;

8a2) hasta una temperatura cercana a la temperatura en el interior de un tanque separador (2).

9. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 7 caracterizado por que comprende obtener:

9a) un fluido calentado en fase vapor en una salida de fluido calentado en fase vapor (23) a una temperatura de 240°C y a una presión de 25· 105Pa;

9b) un vapor sobrecalentado en una salida de vapor sobrecalentado (502) del campo solar de sobrecalentado (5) a una temperatura de 400°C y a una presión no mayor de 25· 105Pa.

10. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 1 comprende un arranque en caliente que comprende:

10a) arrancar una bomba de recirculación (3);

10b) recircular el fluido por el campo solar de evaporación (1);

10c) pasar el fluido a través de una línea de bypass (9) para evitar una entrada del fluido en un tanque separador (2);

10d) enfocar el colector de evaporación (100) para asegurar una rampa de temperatura positiva;

10e) repetir etapas anteriores hasta que:

10e1)una diferencia de temperatura entre una salida del campo solar de evaporación (1) y una parte inferior de un tanque separador (2) es menor de 50°C;

10e2)una diferencia de temperatura entre una parte superior del tanque separador (2) y una parte inferior del tanque separador (2) es menor de 80°C; 10f) modificar un recorrido del fluido, de una recirculación a través de la línea de bypass (9), a una circulación por el tanque separador (2):

10f 1 ) abrir una válvula de entrada (10) del tanque separador (2);

10f2) abrir una válvula de salida (11) del tanque separador (2);

10f3) cerrar la línea de bypass (9). 1 1. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 10 caracterizado por que comprende precalentar el fluido a ser calentado y el colector de evaporación (100) desde 50°C hasta 150°C.

12. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 10 caracterizado por que la rampa de temperatura positiva tiene un límite superior de 5°C/min.

13. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 10 caracterizado por que la fase 1 comprende un arranque en templado que comprende:

13a) llenar y ventear el campo solar de evaporación (1) con fluido contenido en el tanque separador (2);

13b) ejecutar las etapas del arranque en caliente.

14. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 13 caracterizado por que el arranque en templado comprende:

14a) llenar el tanque separador (2) a través de una entrada auxiliar de fluido (24) mediante un aporte auxiliar de fluido impulsado por una bomba de alimentación fresca (4).

15. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 1 comprende un arranque en frío que comprende:

15a) llenar y ventear el campo solar de evaporación (1) con fluido contenido en un tanque separador (2).

16. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 2 comprende:

16a) enfocar un colector de sobrecalentado (500) de un campo solar de sobrecalentado

(5);

16b) precalentar el campo solar de evaporación (1), un tanque separador (2) y el campo solar de sobrecalentado (5) hasta alcanzar unas condiciones mínimas de presión y temperatura de entrada en una turbina (6) que comprenden:

16b1)una presión comprendida entre un 15 y un 20% de una presión nominal de operación de la turbina (6);

16b2)al menos 50°C de sobrecalentamiento;

16c) pasar el fluido desde el campo solar de sobrecalentado (5), a la turbina (6), a un aerocondensador (7), a un desgasificador (8), a una bomba de alimentación fresca

(4) para entrar de nuevo al campo solar de evaporación (1).

17. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 16 caracterizado por que comprende:

17a) suministrar fluido a ser calentado al campo solar de evaporación (1) mediante una bomba de recirculación (3);

17b) abrir una válvula de salida del tanque separador (11) cuando una presión en el tanque separador sube para permitir una salida de fluido calentado en fase vapor, a través de una salida de fluido calentado en fase vapor (23);

17c) suministrar fluido a ser calentado al campo solar de evaporación (1) mediante la bomba de recirculación (3) y la bomba de alimentación fresca (4) cuando el nivel del fluido desciende en el tanque separador (2).

18. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 17 caracterizado por que comprende generar un caudal mediante la bomba de alimentación fresca (4) igual a un caudal de fluido calentado en fase vapor, que sale del tanque separador (2) a través de la salida de fluido calentado en fase vapor (23).

19. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 3 comprende:

19a) producir vapor sobrecalentado:

19a1)pasar fluido a ser calentado por el campo solar de evaporación (1) desde una entrada de fluido a ser calentado (101) hasta una salida de fluido calentado (102) para obtener fluido calentado;

19a2)pasar fluido calentado por un tanque separador (2) desde una entrada de fluido calentado (21);

19a3)separar fluido calentado en el tanque separador (2) para obtener:

19a31) fluido calentado en fase líquida, en una salida de fluido calentado en fase líquida (22);

19a32) fluido calentado en fase vapor, en una salida de fluido calentado en fase vapor (23);

19a4)pasar fluido calentado en fase vapor por el campo solar de sobrecalentado (5) para obtener vapor sobrecalentado en una salida de vapor sobrecalentado (502) del campo solar de sobrecalentado (5);

19b) dirigir el vapor sobrecalentado a un punto seleccionado entre un punto de consumo y una turbina (6).

20. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 19 caracterizado por que:

20a) el fluido calentado en fase vapor en la salida de fluido calentado en fase vapor (23) está a una presión de 85· 105Pa y a una temperatura de 300°C;

20b) el vapor sobrecalentado en la salida de vapor sobrecalentado (502) del campo solar de sobrecalentado (5) está a una temperatura de 550°C y a una presión no mayor de 85· 105Pa.

21. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 4 comprende una parada en caliente que comprende:

21a) presurizar el campo solar de evaporación (1) y el tanque separador (2) a una presión para un arranque en caliente;

21 b) mantener una válvula de entrada (12) a una turbina (6) en una posición de apertura fija;

21 c) desenfocar un campo solar de sobrecalentado (5) y un campo solar de evaporación (1);

21d) cerrar una válvula de salida (11) de un tanque separador (2);

21e) parar una bomba de alimentación fresca (4);

21f) llenar el colector de evaporación (100) del campo solar de evaporación (1) con una bomba de recirculación (3) por diferencias de presiones;

21g) parar la bomba de recirculación (3). 22. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 4 comprende una parada en templado que comprende presurizar el tanque separador (2) y despresurizar el campo solar de evaporación (1)

23. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 4 comprende una parada en frío que comprende despresurizar el campo solar de evaporación (1) y el tanque separador (2).

REIVINDICACIONES MODIFICADAS

recibidas por la oficina Internacional el 13 de mayo de 2015 (13.05.15)

1. Una planta de generación directa de vapor que comprende;

1a) un campo solar de evaporación (1) que comprende:

1a1) al menos una entrada de fluido a ser calentado (101);

1a2) al menos una salida de fluido calentado (102);

1a3) al menos un colector de evaporación (100) entre la entrada de fluido

calentado (101) y la salida de fluido calentado (102);

1b) al menos un tanque separador (2):

1b1) aguas abajo del campo solar de evaporación (1);

que comprende:

1b2) al menos una entrada de fluido calentado (21);

1b3) al menos una salida de fluido calentado en fase líquida (22);

1b3) al menos una salida de fluido calentado en fase vapor (23);

1c) al menos un conducto de fluido calentado (121) conectado entre la salida de fluido calentado (102) y la entrada de fluido calentado (21);

1d) al menos una válvula de entrada (10) al tanque separador (2) en el conducto de fluido calentado (121);

1e) al menos una bomba de recirculación (3) que comprende:

1e1) aspiración de la bomba de recirculación (31) conectada a la salida de fluido calentado en fase líquida (22);

1e2) impulsión de la bomba de recirculación (32) conectada a la entrada de fluido a ser calentado (101);

caracterizada por que comprende:

1g) al menos una línea de by-pass (9) del tanque separador (2) conectada entre la salida de fluido calentado (102) y la aspiración de recirculación (31);

1h) al menos una válvula de control de caudal (14) en la linea de by-pass (9).

2. La planta de generación directa de vapor según la reivindicación 1 caracterizada por que:

2a) el tanque separador (2) comprende;

2a1) al menos una entrada auxiliar de fluido (24);

la planta comprende:

2b) al menos una línea auxiliar (13);

2b1) conectada entre la entrada de fluido a ser calentado (101) y la entrada auxiliar

3. La planta de generación directa de vapor según la reivindicación 1 caracterizada por que comprende:

3a) al menos una bomba de alimentación fresca (4) que comprende:

3a1) impulsión de la bomba de alimentación (41) conectada a la entrada de fluido a ser calentado (101).

4. Un procedimiento de operación de una planta de generación directa de vapor caracterizado por que comprende poner la planta en condiciones de funcionamiento definidas en una pluralidad de fases:

4a) fase 1 : elevar una temperatura de un fluido a ser calentado para acondicionar al menos un colector de evaporación (100) de un campo solar de evaporación (1); esta fase comprende precalentar el fluido a ser calentado y el acero del tubo absorbedor de al menos un colector de evaporación (100) desde una temperatura inicial en equilibrio con una temperatura ambiente alcanzada tras pérdidas térmicas nocturnas hasta una temperatura cercana a la temperatura en el interior de un tanque,

4b) fase 2: elevar una temperatura y una presión del fluido a ser calentado;

4c) fase 3: operar la planta en condiciones nominales;

4d) fase 4: parar la planta.

5. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que comprende pasar por un colector de evaporación (100) un caudal que tiene un número de Froude superior a 0,1.

6. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que comprende pasar por un colector de evaporación (100) un caudal de 1900kg/h.

7. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que un campo solar de sobrecalentado (5) es atravesado por un caudal de 1800kg/h.

8. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 7 caracterizado por que comprende obtener:

8a) un fluido calentado en fase vapor en una salida de fluido calentado en fase vapor (23) a una temperatura de 240°C y a una presión de 25 · 105Pa; 8b) un vapor sobrecalentado en una salida de vapor sobrecalentado (502) del campo solar de sobrecalentado (5) a una temperatura de 400°C y a una presión no mayor de 25-105Pa. 9. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 1 comprende un arranque en caliente que comprende.

9a) arrancar una bomba de recirculación (3);

9b) recircular el fluido por el campo solar de evaporación (1 );

9c) pasar el fluido a través de una línea de bypass (9) para evitar una entrada del fluido en un tanque separador (2);

9d) enfocar el colector de evaporación (100) para asegurar una rampa de temperatura positiva;

9e) repetir etapas anteriores hasta que:

9e1) una diferencia de temperatura entre una salida del campo solar de evaporación (1 ) y una parte inferior de un tanque separador (2) es menor de 50°C;

9e2) una diferencia de temperatura entre una parte superior del tanque separador (2) y una parte inferior del tanque separador (2) es menor de 80ºC; 9f) modificar un recorrido del fluido, de una recirculación a través de la línea de bypass (9), a una circulación por el tanque separador (2);

9f1) abrir una válvula de entrada (10) del tanque separador (2);

9f2) abrir una válvula de salida (11 ) del tanque separador (2);

9f3) cerrar la linea de bypass (9).

10. £l procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 9 caracterizado por que comprende precalentar el fluido a ser calentado y el colector de evaporación

(100) desde 50°C hasta 150°C.

11. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 9 caracterizado por que la rampa de temperatura positiva tiene un límite superior de 5°C/min.

12. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 9 caracterizado por que la fase 1 comprende un arranque en templado que comprende:

12a) lienar y ventear el campo solar de evaporación (1) con fluido contenido en el tanque separador (2);

12b) ejecutar las etapas del arranque en caliente.

13. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 12 caracterizado por que el arranque en templado comprende:

13a) llenar el tanque separador (2) a través de una entrada auxiliar de fluido (24) mediante un aporte auxiliar de fluido impulsado por una bomba de alimentación fresca (4).

14. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 1 comprende un arranque en frío que comprende;

14a) llenar y ventear el campo solar de evaporación (1) con fluido contenido en un tanque separador (2).

15. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 2 comprende;

15a) enfocar un colector de sobrecalentado (500) de un campo solar de sobrecalentado (5);

15b) precalentar el campo solar de evaporación (1), un tanque separador (2) y el campo solar de sobrecalentado (5) hasta alcanzar unas condiciones mínimas de presión y temperatura de entrada en una turbina (6) que comprenden;

15b1)una presión comprendida entre un 15 y un 20% de una presión nominal de operación de la turbina (6);

15b2)al menos 50°C de sobrecalentamiento;

15c) pasar el fluido desde el campo solar de sobrecalentado (5), a la turbina (6), a un aerocondensador (7), a un desgasificador (8), a una bomba de alimentación fresca (4) para entrar de nuevo al campo solar de evaporación (1).

16. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 15 caracterizado por que comprende;

16a) suministrar fluido a ser calentado al campo solar de evaporación (1) mediante una bomba de recirculación (3);

16b) abrir una válvula de salida del tanque separador (11) cuando una presión en el tanque separador sube para permitir una salida de fluido calentado en fase vapor, a través de una salida de fluido calentado en fase vapor (23);

16c) suministrar fluido a ser calentado al campo solar de evaporación (1) mediante la bomba de recirculación (3) y la bomba de alimentación fresca (4) cuando el nivel del fluido desciende en el tanque separador (2).

17. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 16 caracterizado por que comprende generar un caudal mediante la bomba de alimentación fresca (4) igual a un caudal de fluido calentado en fase vapor, que sale del tanque separador (2) a través de la salida de fluido calentado en fase vapor (23).

18. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 3 comprende:

18a) producir vapor sobrecalentado:

18a1)pasar fluido a ser calentado por el campo solar de evaporación (1) desde una entrada de fluido a ser calentado (101) hasta una salida de fluido calentado (102) para obtener fluido calentado;

18a2)pasar fluido calentado por un tanque separador (2) desde una entrada de fluido calentado (21);

18a3)separar fluido calentado en el tanque separador (2) para obtener:

I8a31) fluido calentado en fase liquida, en una salida de fluido calentado en fase líquida (22);

18a32) fluido calentado en fase vapor, en una salida de fluido calentado en fase vapor (23);

18a4)pasar fluido calentado en fase vapor por el campo solar de sobrecalentado (5) para obtener vapor sobrecalentado en una salida de vapor sobrecalentado (502) del campo solar de sobrecalentado (5);

18b) dirigir el vapor sobrecalentado a un punto seleccionado entre un punto de consumo y una turbina (6).

19. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 18 caracterizado por que:

19a) el fluido calentado en fase vapor en la salida de fluido calentado en fase vapor (23) está a una presión de 85· 105Pa y a una temperatura de 300°C;

19b) el vapor sobrecalentado en la salida de vapor sobrecalentado (502) del campo solar de sobrecalentado (5) está a una temperatura de 550°C y a una presión no mayor de 85· 105Pa. 20. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 4 comprende una parada en caliente que comprende:

20a) presurizar el campo solar de evaporación (1) y el tanque separador (2) a una presión para un arranque en caliente;

20b) mantener una válvula de entrada (12) a una turbina (6) en una posición de apertura fija;

20c) desenfocar un campo solar de sobrecalentado (5) y un campo solar de evaporación (1);

20d) cerrar una válvula de salida (11) de un tanque separador (2);

20e) parar una bomba de alimentación fresca (4);

20f) llenar el colector de evaporación (100) del campo solar de evaporación (1) con una bomba de recirculación (3) por diferencias de presiones;

20g) parar la bomba de recirculación (3).

21. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 4 comprende una parada en templado que comprende presurizar el tanque separador (2) y despresurizar el campo solar de evaporación (1)

22. El procedimiento de operación de la planta según la reivindicación 4 caracterizado por que la fase 4 comprende una parada en frío que comprende despresurizar el campo solar de evaporación (1) y el tanque separador (2).

Description:
PLANTA DE GENERACIÓN DIRECTA DE VAPOR Y PROCEDIMIENTO DE

OPERACIÓN DE LA PLANTA

Sector técnico de la invención

La invención hace referencia al procedimiento de operación durante la fase de precalentamiento de una planta de Generación Directa de Vapor (en adelante, GDV) en Colectores Cilindro Parabólicos (en adelante, CCP), concretamente a la zona de evaporación del campo solar. Es aplicable tanto para plantas integradas en un ciclo Rankine como para planta de producción de vapor de servicio.

Antecedentes de la invención

Durante la fase de precalentamiento en la tecnología de GDV en CCP, previo a la fase de generación de vapor, el agua contenida en el interior de los tubos del campo solar de evaporación tiene que ser precalentada desde las condiciones de agua subenfriada (temperatura que ha alcanzado tras las pérdidas térmicas durante la noche) hasta una temperatura cercana a la del interior del tanque separador (TS) para iniciar la evaporación de manera eficiente.

Es conocido en el estado de la técnica elevar simultáneamente tanto la temperatura del agua subenfriada (desde la temperatura de equilibrio con el ambiente a consecuencia de las pérdidas térmicas durante la noche) como en elevar la presión. Para ello se cerraba el circuito pasando el fluido a través de los lazos de evaporación (ramales que contienen varios CCP en el campo de evaporación), del tanque separador (TS) y por la bomba de recirculación (RC); de esta manera se precalentaba tanto el fluido y el acero de los tubos absorbedores de los lazos de evaporación como del tanque separador. Este procedimiento de operación presentaba principalmente un inconveniente, puesto que al introducir el agua proveniente de los lazos de evaporación al TS a una temperatura muy inferior a la del interior de éste (el cual se encuentra bajo condiciones de saturación) se dan diferencias de temperaturas entre la parte inferior y superior del TS superiores a 150°C, siendo muy superior a las restricciones recomendadas por el fabricante, que limita dicha diferencia a 80°C.

Operar con una diferencia de temperatura superior a la recomendada por el fabricante puede tener consecuencias graves sobre el comportamiento termo-mecánico del TS, puesto que las diferencias de temperatura entre la parte superior e inferior generarán diferentes cargas térmicas sobre el mismo material (con el mismo límite elástico). Todo esto lleva a crear deformaciones del material debido a las diferentes cargas de tensión, alcanzando en un primer momento el límite elástico del material y si además sigue habiendo continuidad en el tiempo de estos ciclos térmicos (para este tipo de procesos en concreto, son ciclos diarios), el problema se agrava apareciendo problemas de fatiga e incluso pudiéndose llegar al límite plástico provocando la ruptura del material. Al alcanzar el punto de ruptura, aparecen puntos débiles en forma de grietas con el riesgo de propagarse al resto del equipo. En definitiva, realizar el precalentamiento diario de manera inadecuada, provoca mal comportamiento del material, perdiendo todas las propiedades termo-mecánicas y limitando el uso en el tiempo del tanque separador acortando su vida útil.

El documento "Simulation of the Start-up procedure of a parabolic trough collector field with direct solar steam generation" (autores: Markus Ecka, Tobías Hirscha, de Germán Aerospace Center (DLR), Institute of Technical Thermodynamics, Stuttgart) presenta estudios de simulación que cubren procedimientos de arranque para campos cilindro parabólicos con generación directa de vapor. Se centra en un sistema de control para el arranque de la planta utilizando un lenguaje, Modélica, para describir los componentes termo-hidráulicos del campo de colectores. Elige este lenguaje porque permite una fácil combinación de componentes hidráulicos, solares y de control. El sistema de control para el arranque de la planta está basado en una biblioteca -StateGraph- de Modélica. Menciona que especialmente las condiciones de flujo en dos fases dentro de los tubos del absorbedor hace necesario el análisis con ayuda de simulaciones numéricas detalladas. No obstante, el método de arranque del documento es diferente al de la invención ya que el fluido de trabajo pasa por el tanque separador, con lo que los problemas anteriormente planteados no son resueltos por lo divulgado en este documento. La presente invención evita la circulación del fluido por el tanque separador cuando las temperaturas durante el arranque no han alcanzado unos valores mínimos de seguridad.

Así, la presente invención consigue resolver los posibles problemas termo-mecánicos que pueden aparecer en el equipo del sistema de separación de la zona de evaporación durante la fase de precalentamiento diaria a consecuencia de la diferencia de temperatura entre el agua contenida en los lazos de evaporación y el líquido saturado en el interior del sistema de separación.

Descripción de la invención

Tal y como se explica en el punto anterior, durante la fase de precalentamiento diaria de una planta de GDV en CCP, previo a la fase de generación de vapor, el agua contenida en el interior de los tubos del campo solar de evaporación tiene que ser precalentada desde las condiciones de agua subenfriada (temperatura que ha alcanzado tras las pérdidas térmicas durante la noche) hasta una temperatura cercana a la del interior del tanque separador (TS).

Durante la fase de precalentamiento hay que tener en consideración dos diferencias de temperaturas. La diferencia de temperatura existente entre la temperatura de entrada al tanque de separación y la temperatura del fluido en la parte inferior del tanque y por otra parte la diferencia de temperatura entre el fluido en la parte superior del tanque y en la parte inferior de éste.

Así, se establece que la temperatura de entrada al TS puede ser 50°C inferior a la temperatura del interior del TS, con el fin de cumplir con las restricciones de operación recomendadas por el fabricante del TS y prolongar la vida útil del equipo. Por otra parte la principal restricción es que la diferencia de temperatura entre la parte inferior y superior del TS sea como máximo de 80°C.

La invención consigue que en todo momento el TS cumpla con las restricciones en las condiciones de funcionamiento relativas a las temperaturas impuestas por el fabricante del TS.

Para asegurar estas condiciones de operación durante la fase de precalentamiento, antes de poner en marcha la bomba de alimentación fresca y aportar agua al ciclo de vapor, hay que acondicionar el campo solar de evaporación. Así, la invención pone en marcha la bomba de recirculación para impulsar el agua contenida en los lazos de evaporación y recircularla por dichos lazos sin entrar en el TS. En cambio, en el estado de la técnica, el fluido entra directamente al TS, con lo que la vida útil del TS se acorta irremediablemente por funcionar fuera de las condiciones de temperatura impuestas por el fabricante. Además, este funcionamiento fuera de las condiciones de diseño se produce cíclicamente, cada vez que la planta inicia su funcionamiento, lo que agrava aún más el deterioro en el TS.

La etapa de precalentamiento de la invención se hace con la válvula de entrada al TS cerrada y se habilita la nueva línea de by pass del TS conectada en la aspiración de la bomba de recirculación.

Durante esta fase de acondicionamiento o precalentamiento, el sistema de evaporación funciona a presión constante, prolongándose esta fase hasta que la temperatura del agua a la salida de los colectores es 50°C inferior a la del TS (el control de dicha temperatura, denominada temperatura de entrada al TS, se lleva a cabo gracias a sensores de temperatura situados a la salida del campo solar de evaporación y en la parte superior del TS). Una vez alcanzada la temperatura deseada de entrada al TS, la entrada al TS es abierta y la válvula de la línea de by-pass es cerrada. Estas aperturas y cierres de las válvulas se llevan a cabo a unas velocidades que eviten cambios bruscos de caudal tanto por la línea de by-pass como por la línea de entrada al TS, y evitando por lo tanto posibles golpes de ariete.

Se debe asegurar un caudal mínimo por el campo solar de evaporación, de manera que se genere en los tubos receptores de los CCP un flujo anular del fluido, evitando la estratificación de la parte líquida y la parte vapor de éste que puede provocar problemas temomecánicos (por diferencias en el coeficiente de estratificación y de dilatación de la parte liquida y vapor, pudiéndose producir estrés térmico, tensiones).

Esto se consigue para regímenes con números de Fraude superiores a 0, 1 (número adimensional que indica el grado de estratificación del fluido bifásico). Un caudal típico puede ser 1900 kg/h por lazo.

De esta manera se asegura un buen comportamiento de los tubos absorbedores permitiendo este caudal que en todo momento se den condiciones de flujo anular y por tanto se evite la estratificación del fluido

Por otra parte, el caudal en el campo solar de sobrecalentado también ha de mantener un valor mínimo para evitar puntos de sobrecalentamiento (gradientes excesivos de temperatura en el receptor). Un valor típico puede ser 1800 kg/h.

Para el control de los caudales anteriormente indicados, se emplean caudalímetros a la entrada del campo de vapor saturado (salida de la bomba de alimentación fresca) y a la salida del TS concretamente tras la bomba de recirculación.

La planta y el método de la invención, consiguen prolongar la vida útil y eliminar los problemas termo- mecánicos del equipo que puede sufrir durante la fase de precalentamiento de los lazos de evaporación, evitando excesivas diferencias de temperatura entre la parte inferior y superior del tanque separador.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un esquema de una planta de la invención.

Se incluyen a continuación los componentes de la invención:

Campo solar de evaporación 1

Entrada de fluido a ser calentado 101

Salida de fluido calentado 102

Colector de evaporación 100

Tanque separador 2

Entrada de fluido calentado 21

Salida de fluido calentado en fase líquida 22

Salida de fluido calentado en fase vapor 23

Entrada auxiliar de fluido 24 Conducto de fluido calentado 121

Bomba de recirculación 3

Aspiración de la bomba de recirculación 31

Impulsión de la bomba de recirculación 32

Bomba de alimentación fresca 4

Impulsión de la bomba de alimentación (41)

Campo solar de sobrecalentado 5

Salida de vapor sobrecalentado 502

Colector de sobrecalentado 500

Turbina 6

Aerocondensador 7

Desgasificador 8

Línea de by-pass del tanque de separación 9

Válvula de entrada al tanque separador 10

Válvula de salida del tanque separador 1 1

Válvula de entrada a la turbina 12

Línea auxiliar para recarga del nivel del tanque 13

Válvula de by-pass 14

Descripción de una realización preferente

El procedimiento de operación de la invención va a ser definido atendiendo a lo ilustrado en la figura 1 , que hace referencia al diagrama de flujo de una planta de GDV en CCP. La figura 1 refleja el esquema de la planta de la invención, siendo de gran importancia la línea de by-pass (9) del tanque separador (2), que une la salida del campo solar de evaporación (1), zona donde se produce vapor saturado a una presión y título de vapor determinados, con la aspiración de la bomba de recirculación (3).

Durante la fase de precalentamiento, la línea de by-pass del tanque de separación (9), permite precalentar el agua contenida en los lazos, sólo recirculando por los lazos de evaporación, sin entrar en el tanque de separación (2). La bomba de recirculación (3), es el equipo que recircula de nuevo al campo solar de evaporación (1) el líquido saturado no evaporado en el campo solar de evaporación (1) tras haber pasado por la línea de by- pass (9).

Una vez realizado el precalentamiento, y alcanzada la temperatura de entrada al TS deseada, se abre la válvula de entrada al tanque separador (10). El tanque separador (2), separa el fluido bifásico generado en el campo solar de evaporación (1), obteniendo dos corrientes; una de ellas es el vapor seco que será sobrecalentado en el campo solar sobrecalentado (5) y la otra es el líquido saturado que corresponde con la fracción del caudal no evaporada en el campo solar de evaporación (1) y que será recirculada mediante la bomba de recirculación (3) al campo solar de evaporación (1).

En el campo solar de sobrecalentado (5), se incrementa la temperatura del vapor desde la condiciones de saturación hasta las condiciones de diseño de sobrecalentado.

Tras el sobrecalentamiento del vapor, éste es dirigido a un punto de consumo de vapor con las condiciones de servicio demandadas por éste o bien a una turbina (6) para la producción de electricidad. A la salida de la turbina (6), está conectado un aerocondensador (7), que es el equipo donde se disipa todo el calor absorbido por el fluido en el campo solar, tanto en el campo solar de evaporación (1) o de vapor saturado, como en el campo solar de sobrecalentado (5) o de vapor sobrecalentado. Tras el aerocondensador (7), el desgasificador (8) elimina todas las burbujas de oxígeno para evitar problemas de erosión en todo el circuito de vapor permitiendo mantener la calidad del agua según los niveles recomendados por los diferentes fabricantes de cada uno de los equipos

Mediante la bomba de alimentación fresca (4), el líquido condensado proveniente de la zona de proceso es recirculado de nuevo al campo solar de evaporación (1), iniciándose de nuevo el proceso de evaporación.

A continuación se describe en mayor detalle cada una de las etapas del proceso:

El procedimiento de operación de una planta de GDV en CCP se divide principalmente en cuatro fases, que especifican a continuación:

Fase 1 :

Etapa 1 : Acondicionamiento de los colectores de evaporación (100) del campo solar de evaporación (1): el objetivo principal de esta etapa es incrementar la temperatura del fluido. El proceso consiste en precalentar el agua y el acero de los tubos absorbedores de los colectores de evaporación (100). El agua es calentada desde la temperatura inicial alcanzada tras las pérdidas térmicas durante la noche en equilibrio con la temperatura ambiente hasta una temperatura cercana a la del interior del tanque separador (2).

Es importante que el inicio del enfoque del campo solar de evaporación (1) asegure en todo momento una rampa de temperatura positiva, siendo el límite superior de 5°C/min, de manera que se esté asegurando la ganancia de energía en el sistema, optimizando la operación y reducción de los autoconsumos.

Etapa 2: los pasos a seguir en esta segunda etapa, dependen del tipo de parada realizada el último día de operación, tal y como se explica en la fase 4. Arranque en caliente: si la parada del día anterior fue del tipo parada en caliente. En este tipo de arranque tanto el campo solar de evaporación (1) como el tanque de separador (2) están presurizados.

Paso 1 : Se arranca la bomba de recirculación (3), recirculando el agua por el campo solar de evaporación (1) sin entrar en el tanque separador (2), pasando el agua a través de la línea de bypass (9) asegurando un mínimo caudal de enfoque por cada lazo (del orden de 1.900 kg/h). Se enfocan los colectores de evaporación (100) asegurando una rampa de temperatura positiva, siendo el límite superior de 5°C/min. Se mantiene esta pauta hasta:

- alcanzar en la salida del campo solar de evaporación (1) una temperatura tal que la diferencia entre la temperatura en la salida del campo solar de evaporación (1) y la temperatura en la parte inferior del tanque separador (2) es menor de 50°C; es decir, precalentar desde temperaturas del orden de 50°C hasta 150°C aproximadamente

- evitar excesivos gradientes de temperatura entre la parte superior e inferior del tanque separador (2), restringidos a 80°C, es decir, hasta que la diferencia de temperatura entre la parte superior y la parte inferior del tanque separador (2) es menor de 80°C.

En el tanque separador (2) hay sensores de control de temperatura, preferentemente tres en la parte superior y tres en la parte inferior.

Paso 2: Cambio de alineación del paso de fluido, con el fin de pasar de recircular a través de la línea de bypass (9) a hacerlo por el tanque separador (2). Para ello, es importante, abrir primero la válvula de entrada del tanque separador (10) y la válvula de salida (11) del tanque separador (2) y a continuación cerrar la línea de bypass (9). Con esta secuencia de apertura/cierre de válvulas se asegura siempre el paso de la recirculación por el tanque separador (2), se evita el desenfoque de los colectores de evaporación (100) del campo solar de evaporación (1) y la cavitación de la bomba (3). La válvula de bypass de la línea (9) no se cierra rápidamente, sino que sigue una curva de cierre que evite problemas de golpes de ariete en la línea.

El arranque en caliente es el que se realiza diariamente durante un periodo de operación normal de la planta.

Arranque en templado: en este tipo de arranque, es necesario llevar a cabo de manera previa un proceso de llenado y venteo del campo solar de evaporación (1), es decir, es necesario eliminar las posibles burbujas de aire formadas en la despresurización. Para ello, se realiza un paso previo que consiste en llenar el campo solar de evaporación (1) con el líquido que hay en el tanque separador (2) usando la bomba de recirculación (3). En el caso de que el líquido existente en el nivel en el tanque separador (2) no sea suficiente para el llenado del campo solar de evaporación (1), el tanque separador (2) puede ser llenado mediante un aporte auxiliar de agua impulsado por la bomba de alimentación fresca (4) al tanque separador (2), a través de la entrada auxiliar del fluido (24) pudiéndose ya contar con un aporte de fluido con condiciones de presión y temperatura controladas, ya suficiente para llevar acabo la etapa previa de llenado y venteo.

- Arranque en frío: en este tipo de arranque se lleva también a cabo una primera etapa de llenado y venteo, sin embargo no suele hacerse necesario el uso de la línea de bypass (9) en la etapa de precalentamiento, puesto que en las condiciones de partida no existe una diferencia de temperatura:

- entre el fluido de entrada al tanque separador (2) y el fluido en la parte inferior del interior del tanque separador (2) mayor de 50°C;

- entre la temperatura de la parte inferior y la parte superior del tanque separador (2) mayor de 80°C.

Etapa 3: se procede a realizar la apertura de la válvula de salida del tanque separador (1 1) y circulación del fluido por el campo de vapor sobrecalentado (5).

En una realización de la invención, y para cualquier modalidad de arranque, la presión a la salida del tanque separador (2) es de 25 bar, es decir, 25· 10 5 Pa, en torno a un 20% de la presión nominal de la turbina, y la temperatura de 240°C, siendo la temperatura del fluido a la salida del campo solar de sobrecalentado (5) de 400°C sin existir aumento de presión sobre durante la etapa de sobrecalentamiento.

Finalmente el vapor sobrecalentado es dirigido o bien al punto de consumo o bien a una turbina (6).

Fase 2: El objetivo de esta etapa es elevar tanto la presión como la temperatura del fluido. Al inicio de esta fase se enfocan también los colectores de sobrecalentado (500) del campo solar de sobrecalentado (5). El proceso consiste en el precalentamiento del campo solar de evaporación (1), tanque separador (2) y campo solar de sobrecalentado (5) hasta alcanzar las mínimas condiciones de presión y temperatura de entrada en turbina. Estas condiciones de vapor de entrada en turbina serán del orden del 15-20% de la presión nominal de operación de la turbina y con al menos 50°C de sobrecalentamiento.

El fluido cierra el circuito pasando desde el campo solar de sobrecalentado (5), a la turbina (6), posteriormente al aerocondensador (7) y desgasificador (8) y de nuevo a la bomba de alimentación fresca (4) para entrar de nuevo al campo solar de evaporación (1). En el momento inicial de esta fase, todo el caudal de paso por el campo solar de evaporación (1) procede de la bomba de recirculación (3). A medida que se acumula energía en el tanque separador (2), comienza a subir la presión, una vez abrimos la válvula (1 1) y por tanto comienza la salida de vapor del TS desciende el nivel del tanque separador (2). Para reponer este nivel, se empieza a aumentar el caudal por la bomba de alimentación fresca (4) de manera que el caudal de paso por el campo solar de evaporación (1) procede tanto de la bomba de recirculación (3) como de la bomba de alimentación fresca (4), consiguiendo estabilizar el nivel. El caudal de la bomba de alimentación fresca (4) debe ser igual al caudal de producción de vapor a la salida del tanque separador (2), de manera que se consiga mantener la estabilidad del nivel de fluido y de presión del tanque (2).

Fase 3: operación en condiciones nominales. Esta etapa se prolonga desde que finaliza la fase 2 hasta el momento en el que la presión y/o temperatura experimentan una bajada debido a la caída de la radiación durante el atardecer. En esta etapa se produce vapor sobrecalentado, primero pasando por el campo solar de evaporación (1) y tanque separador (2), se evapora y luego pasa por el campo solar de sobrecalentado (5) y se sobrecalienta.

Esta fase se extiende desde que finaliza la fase 2 hasta que comienza la fase 4 en días claros sin transitorios (sin paso de nubes).

En una realización preferente de la invención, la presión a la salida del tanque separador es de unos 85 bares y la temperatura de 300°C, siendo la temperatura del fluido a la salida del campo solar de sobrecalentado (5) de 550°C sin aumento de presión a lo largo de la etapa de sobrecalentamiento.

Finalmente el vapor sobrecalentado es dirigido o bien al punto de consumo o bien a turbina (6).

En el caso de días con periodos transitorios (paso de nubes), bien sean transitorios frecuentes y cortos de tiempo o transitorios pocos frecuentes y de larga duración, que impiden trabajar en las condiciones nominales de presión y temperatura, se fijaría una nueva condición nominal por debajo de la de diseño.

Fase 4: Parada de la planta. Esta etapa se extiende desde que finaliza la fase 3, es decir, cuando la presión y/o temperatura caen por el efecto de la caída de la radiación hasta que se alcanzan las mínimas condiciones de entrada en turbina, es decir, hasta que la presión del sistema cae hasta el 15-20% de la presión nominal de entrada en turbina y no se alcanzan los 50°C de sobrecalentamiento. Las pautas a seguir durante la parada de la planta dependerán de la previsión de operación del día siguiente:

- Parada en caliente: tanto el campo solar de evaporación (1) como el tanque separador (2) son presurizados a la presión del paso 1 del arranque en caliente. Se lleva a cabo este tipo de parada, cuando al día siguiente se vuelve a poner en marcha la planta. Es tipo de parada que se hace diariamente. Los pasos a seguir son:

Paso 1 : Se deja bajar la presión del tanque separador (2) con la misma tendencia que lo hace la bajada de la radiación: para ello la válvula de entrada (12) a la turbina (6) se mantiene en una posición de apertura fija.

- Paso 2: Una vez alcanzada la presión deseada de presurización del sistema (presión mínima necesaria para entrada en turbina), se desenfoca el campo solar de sobrecalentamiento (5) y el campo solar de evaporación (1) y se cierra la válvula de salida (11) del tanque separador (2) simultáneamente, para evitar que la presión de dicho tanque separador (2) continúe descendiendo.

- Paso 3: Se para la bomba de alimentación fresca (4).

Paso 4: Se completa la parada con el llenado de los colectores de evaporación (100) del campo solar de evaporación (1) con la bomba de recirculación (3) por diferencias de presiones, con el fin de equilibrar la presión del campo solar de evaporación (1) con la presión del tanque separador(2), habiendo finalizado el proceso de llenado. Finalmente se cierra la bomba de recirculación (3).

- Parada templada: sólo se presuriza el tanque separador (2) y se despresuriza completamente el campo solar de evaporación (1). Este tipo de parada se lleva a cabo cuando no hay previsión de operar al día siguiente debido a alguna parada técnica o por mala previsión meteorológica.

- Parada en frío: tanto el campo solar de evaporación (1) como el tanque separador (2) se despresurizan completamente. Este tipo de paradas se llevan a cabo cuando no hay previsión de operar en varios días debido a paradas por mantenimiento de la planta. Una realización de la invención ilustrada en la figura 1 se refiere a una planta de generación directa de vapor que comprende:

- Un campo solar de evaporación (1) que comprende: al menos una entrada de fluido a ser calentado (101); al menos una salida de fluido calentado (102); al menos un colector de evaporación (100) entre la entrada de fluido a ser calentado (101) y la salida de fluido calentado (102). En una realización de la invención, el colector de evaporación (100) es cilindro parabólico.

- Al menos un tanque separador (2) aguas abajo del campo solar de evaporación (1) que comprende: al menos una entrada de fluido calentado (21); al menos una salida de fluido calentado en fase líquida (22); al menos una salida de fluido calentado en fase vapor (23).

- Al menos un conducto de fluido calentado (121) conectado entre la salida de fluido calentado (102) y la entrada de fluido calentado (21).

- Al menos una válvula de entrada (10) al tanque separador (2) en el conducto de fluido calentado (121).

- Al menos una bomba de recirculación (3) que comprende: aspiración de la bomba de recirculación (31) conectada a la salida de fluido calentado en fase líquida (22); impulsión de la bomba de recirculación (32) conectada a la entrada de fluido a ser calentado (101). - Al menos una línea de by-pass (9) del tanque separador (2) conectada entre la salida de fluido calentado (12) y la aspiración de recirculación (31) y al menos una válvula de control de caudal (14) en la línea de by-pass (9).

Conforme a otras características de la invención:

- El tanque separador (2) comprende al menos una entrada auxiliar de fluido (24) y la planta comprende al menos una línea auxiliar (13) conectada entre la entrada de fluido a ser calentado (101) y la entrada auxiliar de fluido (24). Esta línea auxiliar (13) permite recargar el nivel de fluido en el tanque separador (2). La planta de generación directa de vapor comprende:

3a) al menos una bomba de alimentación fresca (4) que comprende:

3a1) impulsión de la bomba de alimentación (41) conectada a la entrada de fluido a ser calentado (101). Un segundo aspecto de la invención de refiere a un procedimiento de operación de una planta de generación directa de vapor. El procedimiento comprende poner la planta en condiciones de funcionamiento definidas en una pluralidad de fases:

fase 1 : elevar una temperatura de un fluido a ser calentado para acondicionar colectores de evaporación (100) de un campo solar de evaporación (1);

fase 2: elevar una temperatura y una presión del fluido a ser calentado;

fase 3: operar la planta en condiciones nominales;

fase 4: parar la planta.