MXPA96004941A - Suministro de calor a un sistema de energia que seenciende externamente - Google Patents
Suministro de calor a un sistema de energia que seenciende externamenteInfo
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Abstract
La presente invención se refiere a un método para suministrar calor a un sistema de energía que se enciende externamente, el cual incluye los pasos de:suministrar una primera corriente de aire y una primera porción de la cantidad total de combustible de combustión a una primera zona de combustión;quemar la primera porción del combustible en la primera zona de combustión para formar una primera corriente de gas de flujo;transferir calor desde la primera zona de combustión hasta una primera corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente, en primeros conductos del intercambiador de calor localizados en la primera zona de combustión, una cantidad de combustible y aire suministrada a la primera zona de combustión se ajusta para controlar la temperatura de la primera zona de combustión en un primer valor previamente determinado;suministrar la primera corriente de gas de flujo, una segunda corriente de aire, y una segunda porción de la cantidad total del combustible de combustión a una segunda zona de combustión;quemar la segunda porción de combustible en la segunda zona de combustión para formar una segunda corriente de gas de flujo, y transferir calor desde la segunda zona de combustión hasta una segunda corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente en segundos conductos de intercambiador de calor expuestos localizados dentro de la segunda zona de combustión, la segunda corriente de fluidod e trabajo es independiente de la primera corriente de fluido de trabajo, una cantidad de combustible y aire suministrada a la segunda zona de combustión se ajusta para controlar la temperatura de la segunda zona de combustión a un segundo valor predeterminado.
Description
SUMINISTRO DE CALOR A UN SISTEMA DE ENERGÍA QUE SE ENCIENDE EXTERNAMENTE
Antecedentes de la Invención La invención se refiere al suministro de calor a un sistema de energía que se enciende externamente. En las plantas de energía de encendido directo, se quema combustible, por ejemplo, carbón pulverizado, en una cámara de combustión, en donde se suministra aire de combustión, típicamente precalentado. Los tubos que rodean a la zona de fuego contienen un fluido de trabajo (por ejemplo, agua) que se calienta hasta hervir, y luego se entrega a un sistema de energía (por ejemplo, incluyendo una turbina) para convertirse en una forma útil de energía, tal como electricidad. Kalina, en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 5,450,821, describe un sistema de combustión de múltiples etapas que emplea cámaras de combustión e intercambiadores de calor separados, y controla la temperatura del calor liberado en las diferentes etapas para concordar con las características térmicas del fluido de trabajo, y para mantener las temperaturas debajo de las temperaturas a las cuales se forman gases N0X.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La invención proporciona, en general, el suministro de calor a un sistema de energía que se enciende externamente, mediante la utilización de un sistema de múltiples etapas que tiene dos o más zonas de combustión. Cada zona de combustión tiene un intercambiador de calor asociado que transporta una corriente de fluido de trabajo respectiva desde el sistema de energía que se enciende externamente. Cada zona de combustión recibe una porción de la cantidad total de combustible de combustión, y se ajustan las cantidades de combustible y aire suministradas a cada zona de combustión para controlar la temperatura en un valor previamente determinado. La temperatura de la zona de combustión se puede controlar de esta manera para impedir temperaturas excesivas del metal del tubo, evitando de esta manera daños. En adición, las porciones frías de dos o más corrientes de fluido independientes, se puede utilizar para definir los límites del horno, para facilitar adicionalmente bajar las temperaturas del metal del tubo, y las temperaturas de las diferentes corrientes de fluido de trabajo se pueden hacer concordar a las necesidades del sistema de energía para promover eficiencia. En las modalidades preferidas, las diferentes zonas de combustión se localizan en el mismo horno. El aire suministrado hacia una o más zonas de combustión se calienta previamente utilizando el calor desde el gas de la pila. Los conductos del intercambiador de calor rodean a las zonas de combustión. También hay zonas de convección conectadas para recibir los gases de flujo desde las zonas de combustión y que contienen intercambiadores de calor para transferir el calor desde los gases de flujo hasta las corrientes de fluido de trabajo respectivas en los conductos del intercambiador de calor en las zonas de convección. Las corrientes de fluido de trabajo desde los intercambiadores de calor en las zonas de combustión se pueden conectar en serie con las corrientes de fluido de trabajo en las zonas de convección. Otras ventajas y características de la invención quedarán más claras a partir de la siguiente descripción de una modalidad particular de la misma y a partir de las reivindicaciones .
Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es una representación esquemática de una modalidad del método y aparato de la presente invención, que tiene dos zonas de combustión y dos corrientes de fluido de trabaj o independientes . La Figura 2 es un dibujo de ilustración del horno y de la configuración del paso de convección para la representación esquemática mostrada en la Figura 1.
Descripción de las Modalidades Particulares La Figura 1 muestra un sistema de horno que incluye un precalentador de aire 100, dos zonas de combustión 101 y 102, que se forman mediante los intercambiadores de calor enfriados por fluido de trabajo independiente HE1A y HE2A, respectivamente, dos zonas de paso de convección 103 y 104, que incluyen a los intercambiadores de calor enfriados por fluido de trabajo HE2B y HE1B, respectivamente, y un sistema de energía externo 105. Las cantidades de combustible en las corrientes de combustible 5 y 6, y las cantidades de aire en las corrientes de aire 3 y 4, se controlan mediante mecanismos de control adecuados, mostrados como los mecanismos 203, 204, 205, 206 en la Figura 1. El sistema de energía 105 puede ser cualquier sistema de conversión de energía de encendido directo externo. El sistema de combustión de conformidad con la invención es particularmente útil en los ciclos de energía y en los sistemas en donde se utiliza mucho del calor necesario para los ciclos de conversión de energía, no para la vaporización del fluido de trabajo, sino más bien para su supercalentamiento y recalentamiento. Los ejemplos de estos sistemas de energía se describen, por ejemplo, en las Patentes de los Estados Unidos de Norteamérica Números 4,732,005 y 4,889,545, las cuales se incorporan a la presente como referencia. Las Patentes de los Estados Unidos de Norteamérica Números 3,346,561; 4,489,563; 5,548,043; 4,586,340; 4,604,867; 4,732,005; 4,763,480; 4,899,545; 4,982,568; 5,029,444; 5,095,708; 5,450,821; y 5,440,882, también se incorporan como referencia para la descripción de los sistemas de conversión de energía. Las corrientes de fluido de trabajo pueden ser un líquido subenfriado, un líquido saturado, un líquido en dos fases, vapor saturado, o vapor supercalentado . Haciendo referencia a la Figura 1, el aire de combustión en el punto 1 se alimenta hacia el precalentador de aire 100, en donde se precalienta hasta una temperatura de 260°C a 315.5°C en el punto 2. La cantidad de combustible en la corriente de combustible 5 suministrada a la zona de combustión 101 representa solamente una porción del combustible total que se va a quemar. La zona de combustión 101 se forma adentro de los tubos enfriados por fluido de trabajo del intercambiador de calor HE1A. Una primera corriente de fluido de trabajo entra al intercambiador de calor en el punto 11, y sale del intercambiador de calor con una mayor temperatura en el punto 12. El calor desde la corriente de gas de flujo se transfiere primariamente como energía radiante. La cantidad de combustible y aire precalentado suministrada a la cámara de combustión se selecciona para controlar la temperatura de la zona de combustión en un valor previamente determinado, basándose en los requerimientos de absorción de calor de las paredes circundantes del horno. En particular, la temperatura de la zona de combustión en la primera zona de combustión 101 se controla para prevenir temperaturas excesivas de las paredes del horno en el intercambiador de calor HE1A, para evitar daños al intercambiador de calor. El gas de flujo desde la primera zona de combustión 101 pasa en el punto 7 hacia la segunda zona de combustión 102. El gas de flujo se mezcla con una corriente de aire de combustión 4 y una corriente de combustible 6. La temperatura de la zona de combustión en la zona de combustión 102 se controla para prevenir temperaturas excesivas de las paredes del horno en el intercambiador de calor HE2A, para evitar daños al intercambiador de calor. La zona de combustión 112 forma adentro de los tubos enfriados por fluido de trabajo del intercambiador de calor HE2A. Una segunda corriente de fluido de trabajo entra al intercambiador de calor HE2A en el punto 13, y sale del intercambiador de calor con una mayor temperatura en el punto 14. El gas de flujo desde la segunda zona de combustión 102 pasa hasta el paso de convección del horno, entrando primero en la zona de convección 103, en donde el gas de flujo se enfría en el intercambiador de calor HE2B. Una tercera corriente de fluido de trabajo, en este caso conectada en serie con la segunda corriente de fluido de trabajo, entra al intercambiador de calor HE2B en el punto 15, y sale del intercambiador de calor HE2B con una mayor temperatura en el punto 16, y luego se regresa al sistema de energía 105. El gas de flujo sale de la zona de convección 103 con una menor temperatura en el punto 9, comparándose con el punto 8, y pasa hasta la segunda zona de convección 104. De una manera similar, el gas de flujo se enfría adicionalmente en la segunda zona de convección 104, desprendiendo calor para calentar el intercambiador HE1B. Una cuarta corriente de fluido de trabajo, en este caso conectada en serie con la primera corriente de fluido de trabajo, entra al intercambiador de calor HE1B en el punto 17, y sale del intercambiador de calor HE1B con una mayor temperatura en el punto 18, y luego se regresa al sistema de energía 105. El gas de flujo en el punto 10 sale del paso de convección y fluye hacia el precalentador de aire 100. En el precalentador de aire 100, el gas de flujo se enfría adicionalmente, desprendiendo calor hacia la corriente de aire de combustión, y pasa a la pila con una menor temperatura en el punto 11. Una ventaja significativa del diseño del horno de múltiples etapas es que las temperaturas de combustión alcanzadas en las zonas de encendido individuales, se pueden controlar individualmente a través de la administración de las corrientes de combustible y de aire. Se puede utilizar ya sea combustión sub-estequiométrica o super-estequiométrica para controlar la temperatura de la zona de encendido en la primera etapa. Adicionalmente, mediante la utilización de corrientes de fluido de trabajo independientes para formar el recinto del horno, es posible la utilización de fluido de trabajo frío en las zonas más calientes del horno. El calentamiento final de las corriente de fluido de trabajo se presenta en el paso de convección del horno. La invención suministra calor a un sistema de horno de encendido directo de una manera que facilita el control de las temperaturas de la zona de combustión para prevenir temperaturas excesivas del metal del tubo. Hemos descrito un sistema de dos etapas con las zonas de combustión y el paso de convección enfriados por dos corrientes independientes de fluido de trabajo, que se conectan en serie entre la zona de combustión y el paso de convección. En cada caso, una corriente de gas de flujo incluye a las corrientes de gas de flujo desde todos los pasos anteriores. Otras variantes pueden incluir sistemas de tres y cuatro etapas de una naturaleza similar. En adición, se pueden utilizar corrientes de fluido de trabajo independientes para enfriar solamente secciones en el horno, o secciones en el paso de convección.
Claims (22)
1. Un método para suministrar calor a un sistema de energía que se enciende externamente, el cual incluye los pasos de: suministrar una primera corriente de aire y una primer porción de la cantidad total del combustible de combustión a una primera zona de combustión, quemar la primera porción del combustible en la primera zona de combustión para formar una primera corriente de gas de flujo, transferir calor desde la primera zona de combustión hasta una primera corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente, en primeros conductos del intercambiador de calor expuestos a la primera zona de combustión, ajustándose la cantidad de combustible y aire suministrada a la primera zona de combustión para controlar la temperatura de la primera zona de combustión en un primer valor previamente determinado, suministrar la primera corriente de gas de flujo, una segunda corriente de aire, y una segunda porción de la cantidad total del combustible de combustión a una segunda zona de combustión, quemar la segunda porción de combustible en la segunda zona de combustión para formar una segunda corriente de gas de flujo y transferir calor desde la segunda zona de combustión hasta una corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente, en los segundos conductos del intercambiador de calor expuestos a la segunda zona de combustión, ajustándose la cantidad de combustible y aire suministrada a la segunda zona de combustión para controlar la temperatura de la segunda zona de combustión en un segundo valor previamente determinado.
2. El método de la reivindicación 1, en donde las primera y segunda zonas están en el mismo horno.
3. El método de la reivindicación 1, en donde la primera corriente de aire se precalienta utilizando calor desde la segunda corriente de gas de flujo.
4. El método de la reivindicación 3, en donde la segunda corriente de aire se precalienta utilizando calor desde la segunda corriente de gas de flujo.
5. El método de la reivindicación 2, en donde los primeros conductos del intercambiador de calor rodean a la primera zona de combustión, y los segundos conductos del intercambiador de calor rodean a la segunda zona de combustión.
6. El método de la reivindicación 1, el cual comprende además pasar el segundo gas de flujo a través de una primera zona de convección, y transferir calor desde la primera zona de convección hasta una tercera corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente en los terceros conductos del intercambiador de calor expuesto a la primera zona de convección.
7. El método de la reivindicación 6, el cual comprende además pasar el segundo gas de flujo desde la primera zona de convección a través de una segunda zona de convección, y transferir calor desde la segunda zona de convección hasta una cuarta corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente en los cuartos conductos del intercambiador de calor expuestos a la segunda zona de convección.
8. El método de la reivindicación 6, en donde la tercera corriente de fluido de trabajo se conecta en serie con una de las primera y segunda corrientes de fluido de trabajo.
9. El método de la reivindicación 7, en donde la tercera corriente de fluido de trabajo se conecta en serie con una de las primera y segunda corrientes de fluido de trabajo, y la cuarta corriente de fluido de trabajo se conecta en serie con la otra de las primera y segunda corrientes de fluido de trabajo .
10. El método de la reivindicación 7, en donde las primera y segunda corrientes de aire se precalientan utilizando calor desde la segunda corriente de gas de flujo recibida desde la segunda zona de convección.
11. El método de la reivindicación 1, el cual comprende además : proporcionar una o más zonas de combustión adicionales conectadas en serie para recibir la segunda corriente de gas de flujo, otras corrientes respectivas de aire, y otras porciones respectivas de la cantidad total de combustible de combustión, quemar las otras porciones respectivas de la cantidad total de combustible en las otras zonas de combustión, para formar otras corrientes de gas de flujo respectivas, y transferir calor desde las otras zonas de combustión hasta las otras corrientes de fluido de trabajo respectivas desde un sistema de energía que se enciende externamente en otros conductos del intercambiador de calor expuestos a las otras zonas de combustión, ajustándose las cantidades de combustible y aire suministradas a las otras zonas de combustión, para controlar las temperaturas de las otras zonas de combustión en valores previamente determinados respectivos.
12. Un aparato para suministrar calor a un sistema de energía que se enciende externamente, el cual comprende: una primera zona de combustión conectada para recibir una primera corriente de aire y una primera porción de la cantidad total de combustible de combustión, y para proporcionar una primera corriente de gas de flujo que incluye los productos de quemar la primera porción de combustible en la primera zona de combustión, primeros conductos del intercambiador de calor expuestos a la primera zona de combustión, y que transportan una primera corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente, mecanismos de control para controlar la cantidad de combustible y aire suministrada a la primera zona de combustión, para controlar la temperatura de la primera zona de combustión en un primer valor previamente determinado, una segunda zona de combustión conectada para recibir la primera corriente de gas de flujo, una segunda corriente de aire, y una segunda porción de la cantidad total de combustible de combustión, y para proporcionar una segunda corriente de gas de flujo que incluye a los productos de quemar la segunda porción de combustible en la segunda zona de combustión, segundos conductos del intercambiador de calor expuestos a la segunda zona de combustión, y que transportan una segunda corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente, y mecanismos de control para controlar la cantidad de combustible y aire suministrada a la segunda zona de combustión, para controlar la temperatura de la segunda zona de combustión en un segundo valor previamente determinado .
13. El aparato de la reivindicación 12, en donde las primera y segunda zonas están en el mismo horno.
14. El aparato de la reivindicación 12, el cual comprende además un precalentador para precalentar la primera corriente de aire utilizando calor desde la segunda corriente de gas de flujo.
15. El aparato de la reivindicación 14, en donde el precalentador precalienta la segunda corriente de aire utilizando calor desde la segunda corriente de gas de flujo.
16. El aparato de la reivindicación 13, en donde los primeros conductos del intercambiador de calor rodean a la primera zona de combustión, y los segundos conductos del intercambiador de calor rodean a la segunda zona de combustión.
17. El aparato de la reivindicación 12, el cual comprende además : una primera zona de convección conectada para recibir la segunda corriente de gas de flujo desde la segunda zona de combustión, y terceros conductos del intercambiador de calor expuestos a la primera zona de convección, y que transportan una tercera corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente .
18. El aparato de la reivindicación 17, el cual comprende además : una segunda zona de convección conectada para recibir la segunda corriente de gas de flujo desde la primera zona de convección, y cuartos conductos del intercambiador de calor expuestos a la segunda zona de convección, y que transportan una cuarta corriente de fluido de trabajo desde un sistema de energía que se enciende externamente.
19. El aparato de la reivindicación 17, en donde la tercera corriente de fluido de trabajo se conecta en serie con una de las primera y segunda corrientes de fluido de trabajo.
20. El aparato de la reivindicación 18, en donde la tercera corriente de fluido de trabajo se conecta en serie con una de la primera y segunda corrientes de fluido de trabajo, y la cuarta corriente de fluido de trabajo se conecta en serie con la otra de las primera y segunda corrientes de fluido de trabajo.
21. El aparato de la reivindicación 18, el cual comprende además un precalentador para precalentar las primera y segunda corrientes de aire utilizando calor desde la segunda corriente de gas de flujo recibida desde la segunda zona de convección.
22. El aparato de la reivindicación 12, el cual comprende además : una o más zonas de combustión adicionales conectadas en serie para recibir la segunda corriente de gas de flujo, corrientes respectivas adicionales de aire, y porciones respectivas adicionales de la cantidad total de combustible de combustión, otros conductos del intercambiador de calor expuestos a las otras zonas de combustión respectivas, y que transportan otras corrientes de fluido de trabajo respectivas desde un sistema de energía que se enciende externamente, y otros mecanismos de control para controlar las cantidades de combustible y aire suministradas a las otras zonas de combustión, para controlar las temperaturas de las otras zonas de combustión en otros valores previamente determinados .
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