Foro de eficiencia energética para las Instalaciones Industriales de la Administración Pública Federal

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Daniel Saavedra Aguilera
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1 Foro de eficiencia energética para las Instalaciones Industriales de la Administración Pública Federal Eficiencia Energética en Turbinas Vapor Industriales Copyright Siemens AG All rights reserved. México D.F., Julio 2014 Ing. Corona

Eficiencia Energética en Turbinas Vapor Industriales

2 Introducción Las Turbinas de Vapor son ampliamente utilizadas por su capacidad de manejo de altos volúmenes de vapor, flexibilidad, confiabilidad y bajo mantenimiento. Asimismo, no depende del combustible, siendo una alternativa en lugares donde disponibilidad es limitada. A pesar de ser una tecnología madura, aún existen desarrollos tecnológicos que buscan mejorar sus características y desempeño Page 2 Jul 2014 E P SU SSU

Asimismo, no depende del combustible, siendo una alternativa en lugares donde disponibilidad es limitada.

3 Diagrama típico de una Planta de Fuerza en un complejo industrial 60 bar / 480 ºC Turbo generadores ~ energía ~ energía Accionadores mecánicos 20 bar Caldera Make-up Agua bar Proceso Condensado Page 3 Jul 2014 E P SU SSU

energía ~ energía Accionadores mecánicos Vapor @ 20 bar

4 Esquema típico de una Planta de Fuerza Industrial con base en turbina de vapor Se utiliza el Ciclo Rankine Simple dados los altos volúmenes de vapor necesarios en el proceso; Están diseñados para cubrir únicamente la demanda del complejo industrial, con unidades de respaldo Calderas de media presión y temperatura eficiencia media Unidades de cogeneración no optimizadas Accionadores mecánicos con turbinas de vapor menor eficiencia Priorizan flexibilidad y seguridad de la operación Page 4 Jul 2014 E P SU SSU

con unidades de respaldo Calderas de media presión y temperatura eficiencia media Unidades de cogeneración no optimizadas

5 Propuestas de Optimización en Plantas de Fuerza Industriales Objetivos: - Mantener flexibilidad y seguridad en la operación - Generación de energía más eficiente - Disminución de costo de factura energética Soluciones tecnológicas: - Incremento de parámetros de vapor (presión y temperatura) - Turbinas a Vapor con desempeño optimizado y mayor eficiencia - Calderas de nueva generación - Reemplazo de turbinas de vapor pequeñas por motores eléctricos - Motores eléctricos de alta eficiencia Page 5 Jul 2014 E P SU SSU

parámetros de vapor (presión y temperatura) - Turbinas a Vapor con desempeño optimizado y mayor eficiencia - Calderas de nueva

6 Diagrama propuesta para una Planta de Fuerza en un complejo industrial >90 bar / >500 ºC Turbo generador ~ energía 20 bar condensador Motorizado M Caldera Agua Make-up bar Proceso Condensado Page 6 Jul 2014 E P SU SSU

energía Vapor @ 20 bar condensador Motorizado M Caldera Agua

7 Ventajas del esquema optimizado Incremento de la eficiencia global de la producción de energía en el complejo; Se mantiene la seguridad y flexibilidad del suministro de energía y de los accionadores mecánicos Posibilidad de venta o exportación de excedente eléctricos; Reducción de costos de operación (Consumo de combustible, mantenimeinto) Page 7 Jul 2014 E P SU SSU

de los accionadores mecánicos Posibilidad de venta o exportación de excedente eléctricos;

8 Consideraciones para de una planta de Cogeneración Puntos a ser ponderados y considerados: Combustible (Gas Natural, biomasa); Parámetros de vapor; Reducción de consumos internos de vapor en todo el complejo vía electrificación de los accionadores Conexión a la red pública para venta de posible excedentes Tratamiento de Agua Nuevas tecnologías Page 8 Jul 2014 E P SU SSU

vapor en todo el complejo vía electrificación de los accionadores Conexión a la red pública

9 Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Generación de Energía : Producto o Sub-Producto? Energía (Alta eficiencia) Combustible Materia Prima Complejos Industriales Productos Manufacturas Electricidad (energía) Otros Los complejos industriales se están convirtiendo en productores de energía al explotar su potencial de cogeneración ya que, al tiempo que optimizan sus ciclos de generación de energía, tienen la posibilidad de maximizar su rentabilidad con la venta de energía eléctrica. Page 9 Jul 2014 E P SU SSU

Los complejos industriales se están convirtiendo en productores de energía al explotar su potencial de cogeneración ya que, al

10 Hablando de Turbogeneradores Tendencia en diseño de turbogeneradores a vapor industriales: Alabes de reacción; Altos parámetros de vapor cuando sea posible (>90 bar/ 500 ºC) Incrementar el tamaño de las unidades para, asegurar la mayor eficiencia del equipo La selección del equipo es hecha en función del punto de carga más frecuente Se pueden incluir equipos que optimicen el ciclo como precalentadores, economizadores, etc. Las inversiones están basadas en un completo panorama económico de instalación; Page 10 Jul 2014 E P SU SSU

selección del equipo es hecha en función del punto de carga más frecuente Se pueden incluir equipos que optimicen el ciclo como

11 Componentes de la turbina Carcaza Fundida Porta-alabes Buchas Laberinto Cuerpo del cojinte posterior Carcaza Fundida Cuerpo del cojinete anterior Válvula Cierre rápido Rotor Caja del segmento inyector Valv. Control Page 11 Jul 2014 E P SU SSU

Fundida Cuerpo del cojinete anterior Válvula Cierre rápido

12 Influencia de los parámetros de entrada Turbina de Contrapresión Ejemplo: Flujo de vapor de entrada: 180 t/h - Eficiencia del TG: 84% Alimentación Escape 42bar(a) / 400ºC 2,5bar(a) Generación de Energía en la terminal del generador (MW) % Eficiencia Generación / ton combustible % 65bar(a) / 480ºC 2,5bar(a) ,6% + 5 % 65bar(a) / 510ºC 2,5bar(a) 85bar(a) / 520ºC 2,5bar(a) ,9% % 100bar(a) / 530ºC 2,5bar(a) ,6% + 2.7% Ref. Claderas eff 87.8%, PCI, combustible 50% H2O, PCI 1775kCal/kg Page 12 Jul 2014 E P SU SSU

0 + 23% Eficiencia Generación / ton combustible + 26.6 % 65bar(a) / 480ºC 2,5bar(a) 32.

13 Influencia de los parámetros de entrada Turbina de Condensación Ejemplo: Flujo de vapor de alimentación: 120 t/h - Eficiencia TG: 82% Alimentación Escape 42bar(a) / 400ºC 0,15bar(a) Generación de Energía en la terminal del generador (MW) % Eficiencia Generación / ton combustible % 65bar(a) / 480ºC 0,15bar(a) 65bar(a) / 510ºC 0,15bar(a) % + 2.5% 85bar(a) / 520ºC 0,15bar(a) % + 1.1% 100bar(a) / 530ºC 0,15bar(a) % % Ref. Claderas eff 87.8%, PCI, combustible 50% H2O, PCI 1775kCal/kg Page 13 Jul 2014 E P SU SSU

2% Eficiencia Generación / ton combustible + 11.3% 65bar(a) / 480ºC 0,15bar(a) 65bar(a) / 510ºC 0,15bar(a) 32.0 33.1 + 3.4% + 2.

14 Hablando de inversión Se entiende que por materiales, tecnología, etc. el incremento de presión y temperatura del vapor, también implica un aumento en la inversión Dicho aumento en inversión, tomando como base vapor de 62 bar/480 C, se desglosa como sigue: Caldera: aprox. 10% Turbogenerador a Vapor: aprox. 7% Tubería de vapor: aprox. 39% Sin embargo, el impacto en el monto total de inversión de cada equipo es diferente: Caldera: aprox. 40% Turbogenerador a Vapor: aprox % Tubería de vapor: aprox. 8-10% Page 14 Jul 2014 E P SU SSU

base vapor de 62 bar/480 C, se desglosa como sigue: Caldera: aprox. 10% Turbogenerador a Vapor: aprox. 7% Tubería de vapor: aprox.

15 Siemens Power Generation Portafolios Turbinas a Vapor Steam Turbines Type Power Output (MW e ) 0, SST-010 0,1 SST-050 0,75 SST SST-100 8,5 SST SST SST SST SST SST SST-500 SST SST-700 SST-800 SST Page 15 Jul 2014 E P SU SSU

SST-060 6 SST-100 8,5 SST-110 7 SST-111 12 SST-150 20 SST-200 10 SST-300 50 SST-400

16 Siemens Power Generation Portafolios Turbinas a Gas Gas Turbines Type SGT-100 SGT-200 Power Output (MW e ) SGT-300 SGT-400 SGT SGT-600 SGT SGT SGT Page 16 Jul 2014 E P SU SSU

20 25 30 35 40 45 50 5 7 SGT-300 SGT-400 SGT-500 8 15 19

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