Date post: | 18-Dec-2014 |
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Cogeneración con Turbinas a Vapor
Workshop Cali, 09 Mayo/14 – Respuestas para los Ingenios Azucareros
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Agenda
1. Introducción
• Cogeneración en general
• Siemens
2. Definición de los parámetros de vapor y ciclo regenerativo
3. Definición de configuración del proyecto con turbinas a vapor
4. Conclusión
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Suministro de energía convencional
Central de generación de energía con combustibles fósiles y distribución a través de la red
Producción local de calor con combustible fósil o biomasa
Central de energía IndustriaArea residencial
Calor residual de la generación de energía se emite con los gases de salida
Suministro de energía convencionalMenor eficiencia y mas emisiones
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Cogeneración (energía eléctrica y calor combinados)
Central de generación
Industria
Conección de media tensión a la red de energía
Producción simultanea de calor de calor y electricidad desde una misma fuente combustible
Area residencial
Cogeneración (CHP): Mayor eficiencia con menores emisiones debido al aprovechamiento del calor residual
Generación local de electricidad
Planta generación local
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Qué es Cogeneración? Ventajas ? Aplicaciones?
.
Cogeneración es la producción combinada de energía eléctrica (o mecánica) y energía térmica (calor y/o frio) obtenida por el uso secuencial de energía a partir de un mismo combustible. Según PURPA -Power Utilities Regulatory Policies Act de 1978- USA
• La cogeneración representa un uso racional de la energía con ventajas económicas y medioambientales y atractiva desde el punto de vista de su eficiencia, llegando a obtener niveles de hasta mas del 80 %.
• La cogeneración es aplicable en una amplia gama de industrias, como las de alimentos, papelera, química y varias mas.
• Para la cogeneración se utilizan las turbinas a gas, las turbinas de vapor y los motores de combustión interna, aunque en el mercado azucarero la cogeneración con turbina a vapor es la de uso extendido para sus procesos productivos y también para venta de energía.
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Cogeneración con turbinas de Vapor
Turbogenerador a vapor
Condensador
Extracción de vapor para Proceso
Vapor vivo
Vapor vivo
Agua de alimentación
caldera
Agua de alimentación
calderaVapor de Proceso
Turbogenerador a vapor
Turbina de vapor de
contrapresión
Turbina de vapor de condensación
Extracción de vapor para Proceso
(Opcional)
Combustible
Combustible
Chimenea
Chimenea
Caldera
Caldera
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Portafolio turbinas a vapor de Siemens
150
300
3910
506585100
200250
700
Prediseñada
SST-900SST-800
130+SST-700SST-600SST-500SST-400SST-300SST-200SST-100SST-050
1.900SST-90001.100SST-8000
1.200SST-6000SST-5000SST-4000SST-3000SST-1000
250
0,45 - 5
1500 U/min
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Siemens Brasil – Sitios principales
Jundiaí, SP
1. Transformadores de Potencia2. Productos de alto voltaje3. Turbinas de vapor industriales y
servicios4. Accionamientos 5. Condensadores de potencia y
alto voltaje6. Oficina subestaciones alto
voltaje7. Nueva planta: Productos de
medio Voltaje, Smart Grid y servicios para distribución de energía
4
1
1 3
2
5
17
5
6
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Siemens BrasilReferencias de turbinas a vapor suministradas por Siemens Brasil
MercadoMercado PotenciaPotenciaPapel y Celulosa 2.102 MW
Química, Petroquímica y O&G 708 MW
Alimentos (incl. Ingenios azucareros) 2.268 MW
Minas 540 MW
Unidades Termoeléctricas & Otros 388 MW
Total (Múltiples etapas) 284 Turbinas 6.006 MW
Total (Simple etapa) 718 Turbinas 582 MW
Total 1002 Turbinas 6.588 MW
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Agenda
1. Introducción
• Cogeneración en general
• Siemens
2. Definición de los parámetros de vapor y ciclo regenerativo;
3. Definición de configuración del proyecto con turbinas a vapor
4. Conclusión;
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Ciclos térmicosCiclo con sistema de pre- calentamiento (mayor eficiencia)
Caldera
Desaireador
Precalentador
Precalentador
Condensador
Turbogenerador
Bomba de condensado
Bomba AA
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Ciclo Regenerativo
219.50ºC
47.14ºC
=172.36ºC
=172.36ºC / ~40ºC
= 4 a 5 elementos
Min =40KMax = 120K *
Min =20KMax = 50K/60K *
La utilización de sistemas de
precalentamiento de agua de
caldera aumenta la eficiencia del
ciclo como un todo.
En promedio se estima una media
de aumento entre un 2-3% de
eficiencia.
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Eficiencia para diferentes Ciclos
* Eficiencia supuesta de la caldera = 90%
Estudio de caso: proyecto de 30MW1 2 3 4 5 6
SIN REGENERATIVO REGENERATIVO RECALENTAMIENTO+ REGENERATIVO
Desaireador Desaireador + 1 pre-calent. HP
Desaireador + 2 pre-calent. HP
Desaireador + 3 pre-calent. HP
Desaireador + 4 pre-calent. HP
DesaIreador+ 4 pre-calent. HP
Presión del Vapor (kgf/cm2 g) 67 67 100 120 120 120
Temperatura del Vapor (ºC) 515 515 525 545 545 545
Temp. Agua Alim. (ºC) 120 150 190 220 220 220
Eficiencia ciclo 30.5% 31.7% 33.7% 35.0% 35.4% (+) 2,0 p.p.
En plantas de mayor capacidad es posible obtener eficiencias mucho mejores
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Entrada de condensado en la calderaTemperatura del condensado 112,9 °C 185,1 °CEntalpia del condensado 480,03 kJ/kg 789,28 kJ/kg
Salída de vapor en la calderaTemperatura de vapor en la salída 485,0 °C 485,0 °CEntalpia del vapor en la salida 3378,2 kJ/kg 3378,2 kJ/kgFlujo de vapor en la salida de la caldera 86.750 kg/h 92.050 kg/hEficiencia de la caldera 87% 87%
CombustiblePCI del combustible 7431,57 kJ/kg 7431,57 kJ/kgFlujo del combustible 38.752,4 kg/h 36.732,3 kg/h
Punto de 22,5MW
Flujo de vapor para la caldera - Alternativa con Desaireador + 2 Pre-Calentadores
Reducción del consumo de combustible en comparación con la alternativa de desaireador solamente
-5,21%
Punto de 22,5MW
2
1
3
Ciclos TérmicosSistema con pre-calentamiento (alta eficiencia)
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Condiciones de vapor para el proyecto
• Tipo de caldera: caldera de fuerza, de recuperación de calor (1P, 2P o 3P), etc.;
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Condiciones del vapor para el proyecto
• Si hay cogeneración : verificar las condiciones del proceso (vapor saturado?);
Presión entradaPresión entrada TemperaturaTemperatura Presión salidaPresión salida Temp. escapeTemp. escape Temp saturación Temp saturación escape oCescape oC
Delta Temp.Delta Temp. FlujoFlujo
kgf/cm2 [g]kgf/cm2 [g] oCoC kgf/cm2 [g]kgf/cm2 [g] oCoC oCoC [t/h][t/h]
65 498 1,5 128,6 127,0 1,6 150
65 500 1,5 129,7 127,0 2,7 150
65 505 1,5 133,3 127,0 6,3 150
70 525 1,5 139,0 127,0 12,0 150
75 525 1,5 132,5 127,0 5,5 150
75 520 1,5 129,0 127,0 2,0 150
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P [kw] = (100/3.6) x (875-786) x 85%
P [kw] = 2.100kW
3433kJ/kg3433kJ/kg
2647kJ/kg2647kJ/kg
3374kJ/kg3374kJ/kg
2498kJ/kg2498kJ/kg
=875kJ/kg=875kJ/kg+10% +10%
=786kJ/kg =786kJ/kg
Condiciones de vapor para el proyecto
Elevación de la presión de admisión
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Conclusión acerca de los parámetros de vapor
Hay que estudiar cada caso optimizando la configuración de cada proyecto, buscando maximizar la relación CAPEX
vs. Retorno Financiero:
Mejor costo beneficio en términos de CAPEX y retorno financiero para definir la aplicación del ciclo
regenerativo y los parámetro de presión de vapor en la caldera;
Definición de los parámetros de vapor de admisión de la turbina para tener el mejor costo/beneficio en términos
de costo de inversión en la caldera vs. el aumento en la generación;
Definición de los mejores parámetros del vapor en la admisión de la turbina para asegurar que el vapor para el
proceso salga de la turbina en una temperatura ideal para el consumo en el proceso -> no muy sobrecalentado
y tampoco ya saturado -> Sin perdida en generación de energía.
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Agenda
1. Introducción
• Cogeneración en general
• Siemens
2. Definición de los parámetros de vapor y ciclo regenerativo
3. Definición de configuración del proyecto con turbinas de vapor
4. Conclusión
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Ventajas de 01 TurbogeneradorReducción en el costo de inversiónPara los ítems no incluidos en el alcance de suministro del TG (parte del alcance del EPC)
Reducción en el costo de inversión de los equipos:
• Base civiles de los turbogeneradores;
• Equipos eléctricos, cables, ductos eléctricos, etc.
• Tubería de vapor, agua y aceite;
• Válvulas y accesorios de línea;
• Montaje eléctrico y mecánico;
• Tamaño de la casa de fuerza;
Reducción en los costos de mantenimiento;
Reducción en el tiempo de montaje;
Reducción de inversión estimadaReducción de inversión estimada((--) USD 1,0 millón (sin TG)) USD 1,0 millón (sin TG)
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Operación más sencilla del TG para industrias con fluctuación del proceso;• La variación de carga en el proceso es automáticamente absorbida por la
extracción y la condensación de la turbina, direccionando el vapor paracada una de estas secciones, sin la necesidad de variar la generación devapor en la caldera;
Reducción en el costo de inversión del turbogenerador: reducción de inversión estimada en aprox. 25 hasta 30%25 hasta 30%;
Ventajas de 01 TurbogeneradorReducción en el costo de inversiónPara los ítems incluidos en el alcance de suministro del TG
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Ventaja de 01 TurbogeneradorReducción de Inversión - RESUMEN
VENTAJA
Reducción de inversión en el Turbogenerador de 40MW;•• ((--) ~ 25 ) ~ 25 -- 30%30%
Reducción de inversión en el alcance del EPC (a ser confirmado por la empresa de EPC);• Aprox. ((--) USD 1,0 ) USD 1,0 –– 1,5 mi1,5 mi
Mayor generación de energía durante la operación normal.
En esto caso, la ganancia aproximada es de USD 2,6 miUSD 2,6 mi
Reducción de inversión estimada + ganancia por generación adicional.Reducción de inversión estimada + ganancia por generación adicional.Hay que evaluar caso a caso pero la suma de los beneficios puede alcanzar Hay que evaluar caso a caso pero la suma de los beneficios puede alcanzar
USD 6,0 USD 6,0 –– 7,0 mi 7,0 mi
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Soluciones para la instalación – Axial vs. Radial
Escape axialEscape axialTransversal Transversal alal frente de frente de lala turbinaturbina
Escape radialEscape radialTransversal Transversal abajoabajo de de lala turbinaturbina
Condensador
Restricted © Siemens AG 2013 All rights reserved.~ 7800 m
m
AXIALAXIALRADIALRADIAL
~ 5000 mm
Casa de fuerza con un sólo nivel = reducción de los costos de la casa de fuerza y base civil;Casa de fuerza con un sólo nivel = reducción de los costos de la casa de fuerza y base civil;
Instalación compactaInstalación compacta
Axial x Radial
~280
0 m
m
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Diseño de Instalación - TG
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Agenda
1. Introducción
• Cogeneración en general
• Siemens
2. Definición de los parámetros de vapor y ciclo regenerativo;
3. Definición de configuración del proyecto con turbinas a vapor
4. Conclusión
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Servicio de consultoría de apoyo
En la definición de un proyecto de cogeneración hay que tener en cuenta
muchos y variados factores para optimizar su diseño que requieren de un
estudio detallado.
Siemens está interesado y disponible para prestar toda la asistencia técnica a
nuestros clientes para que en conjunto se puedan definir las mejores
condiciones para el desarrollo de su proyecto. Inclusive abarcando las variables
de los procesos de producción, para definir y dimensionar los equipos de
generación !!!
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Muchas gracias por su atención
José Pulido
Siemens S.A.
Tel: +57 (1) 658 5585
Celular: +57. 312 457 9108
E-mail: [email protected]
André Cassolato
Siemens Ltda.
Tel: +55 (11) 4585 1297
E-mail: [email protected]/answers